一种粉尘浓度测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种粉尘浓度测量系统。该粉尘浓度测量系统包括激光发射单元、激光传输单元、粉尘浓度测量单元和检测单元，其中激光发射单元包括激光器和分束器；激光传输单元包括定向耦合器、光纤和准直器；粉尘浓度测量单元包括第一折射平面、第二折射平面和全反射平面，且第一折射平面和第二折射平面不平行；由激光器发射的经分束器分束的激光，分别通过定向耦合器输入端耦合后经光纤传输至准直器扩束，再进入粉尘浓度测量单元，并分别经第一折射平面和第二折射平面折射、经全反射平面全反射而反向原路返回至定向耦合器，通过定向耦合器输出端耦合后进入检测单元。采用双光路差分测量方法，消除了传感器系统误差及矿用光学器件表面落尘误差等问题。

Dust concentration measuring system

The invention relates to a dust concentration measuring system. The dust concentration measurement system includes a laser emitting unit, laser transmission unit, dust concentration measurement unit and a detection unit, wherein the laser emission unit includes a laser and beam splitter; laser transmission unit comprises a directional coupler, and the optical fiber collimator; dust concentration measurement unit includes a first refractive plane, second plane refraction and total reflection plane, and the first plane of refraction and second reflection plane is not parallel; the laser emitted by the laser beam splitter splitter, respectively through directional coupler input end is coupled by the optical fiber transmission to the collimator beam, then enters the dust concentration measurement unit, and respectively by the first plane and the second plane refractive index of refraction and total reflection plane by total reflection reverse the same way back to the directional coupler, the directional coupler output is coupled into the detection unit. The double optical path differential method is adopted to eliminate the errors of the sensor system and the dust falling error of the optical devices used in mines.

【技术实现步骤摘要】
一种粉尘浓度测量系统
本专利技术涉及浓度测量领域，尤其涉及一种粉尘浓度测量系统。
技术介绍
粉尘浓度的测量方法主要包括光学分析法与非光学分析法。非光学分析法由于检测设备响应速度慢、处理复杂，难以对粉尘浓度进行实时监测。例如现有的化学反应式粉尘浓度传感器，需要对空气粉尘进行采集处理，具有测量时延差，无法进行实时测量。而电式粉尘浓度测量装置安全性较差，当矿井粉尘浓度过高时，轻微的电火花会引发矿井爆炸的风险。基于光学分析的粉尘浓度测量技术具有探测灵敏度高、选择性强、响应速度快等特点，适合现场实时监测，且成本较低，是以后粉尘浓度测量的理想方法。但是现有的手持粉尘浓度测量装置必须要求操作人员在现场进行测量，而在类似于煤矿矿井粉尘浓度高的环境中，操作人员在测量时必须做好防尘措施，否则会损伤呼吸道，影响健康。另外，由于测量仪器位于高粉尘区域，长时间使用后仪器表面或仪器内必定粉尘沉积，会影响测量精度。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种安全性好、精度高、能够实现远程实时测量的粉尘浓度测量系统。为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种粉尘浓度测量系统，包括激光发射单元、激光传输单元、粉尘浓度测量单元和检测单元，其中：所述激光发射单元包括激光器和分束器；所述激光传输单元包括定向耦合器、光纤和准直器；所述粉尘浓度测量单元包括第一折射平面、第二折射平面和全反射平面，其中所述第一折射平面和所述第二折射平面不平行；所述检测单元包括光电探测器；由所述激光器发射的经所述分束器分束的激光，分别通过所述定向耦合器输入端耦合后经所述光纤传输至所述准直器扩束，之后进入所述粉尘浓度测量单元，并分别经过第一折射平面和第二折射平面折射后，经所述全反射平面全反射而反向原路返回至所述定向耦合器，通过所述定向耦合器的输出端耦合后进入所述光电探测器。进一步的，所述分束器将所述激光分成两束光强相同且相互平行的第一测量光和第二测量光；所述定向耦合器包括第一定向耦合器和第二定向耦合器；所述准直器包括第一准直器和第二准直器；所述光纤包括第一光纤和第二光纤；所述粉尘浓度测量单元的所述第一折射平面和所述第二折射平面之间形成测量区域；所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一测量光经过所述第一定向耦合器输入端耦合后经所述第一光纤传输至所述第一准直器扩束，之后经所述第一折射平面折射进入所述测量区域，再经所述第二折射平面折射和所述全反射平面全反射，然后反向通过所述第一准直器缩束后经所述第一光纤传输至所述第一定向耦合器，通过该第一定向耦合器的输出端耦合后进入所述第一光电探测器；所述第二测量光经过所述第二定向耦合器输入端耦合后经所述第二光纤传输至所述第二准直器扩束，之后经所述第一折射平面折射进入所述测量区域，再经所述第二折射平面折射和所述全反射平面全反射，然后反向通过所述第二准直器缩束后经所述第二光纤传输至所述第二定向耦合器，通过该第二定向耦合器的输出端耦合后进入所述第二光电探测器。进一步的，所述第一折射平面、第二折射平面和全反射平面由第一三棱镜和第二三棱镜提供。进一步的，所述第一三棱镜和所述第二三棱镜对立放置，其中：所述第一三棱镜为直角三棱镜，包括第一直角面、第二直角面和镀有增透膜的折射斜面；所述第二三棱镜包括镀有增透膜的折射面、镀有全反膜的全反射面和第三斜面；测量光垂直入射所述第一三棱镜的第一直角面。进一步的，所述第一测量光经所述第一三棱镜的折射斜面以及所述第二三棱镜的折射面折射后垂直射向所述第二三棱镜的全反射面，再经该全反射面全反射后沿原入射路线返回；所述第二测量光经所述第一三棱镜的折射斜面以及所述第二三棱镜的折射面折射后垂直射向所述第二三棱镜的全反射面，再经该全反射面全反射后沿原入射路线返回；所述第一测量光与所述第二测量光的光路平行。进一步的，该粉尘浓度测量系统还包括单透镜整形器，所述单透镜整形器设置在所述准直器和所述第一三棱镜之间。进一步的，该粉尘浓度测量单元还包括底座，其中：所述第一三棱镜的第一直角面和第二直角面均与所述底座固定连接；所述第二三棱镜的第三斜面与所述底座固定连接。进一步的，所述第一准直器与所述第二准直器平行地嵌入所述底座中，并与所述第一三棱镜的第一直角面垂直。进一步的，所述单透镜整形器包括第一单透镜整形器和第二单透镜整形器，其中：所述第一单透镜整形器对应所述第一准直器嵌入在所述底座中；所述第二单透镜整形器对应所述第二准直器嵌入在所述底座中。进一步的，所述激光器和所述分束器远离所述粉尘浓度测量单元，所述定向耦合器和所述光电探测器远离所述粉尘浓度测量单元。本专利技术的一种粉尘浓度测量系统，具有以下有益效果：1、利用测量区空气中粉尘颗粒对于光信号的传输损耗进行测量，传感区为纯光路系统设计，具有绝对安全的优点；2、测量过程以光速进行，不存在时延问题，可达到实时测量效果；3、采用光学扩束系统对光纤输出的激光进行扩束，可以提高测量区域截面积，其测量结果将对较大空间中粉尘浓度的平均参量进行反映；4、采用双光路差分测量方法，消除了传感器的系统误差以及矿用光学器件表面落尘误差等问题，做到仅对被测路径上的粉尘浓度进行实时监测与测量的目的，提高了测量精度；5、多个折射平面与全反射平面结合，使测量光按原路返回进入传输光纤，在长距离上做到使用单根光纤往返传输的效果，有效提高资源的利用率；6、采用定向耦合器进行输入光与输出光的分离，实现在传输线路上采用单根光纤进行传输的优点；7、利用单透镜整形器对准直器的输出光进行能量平均化处理，使得对于粉尘浓度的测量在均匀分布的光场下进行，可改善测量空间范围内粉尘浓度的非均匀分布问题对测量结果的不利影响；8、本专利技术的粉尘浓度测量装置，易于在矿井环境现有光纤传输系统上嫁接使用，并利用现有传输系统进行远距离传输，因此可实现远程控制。附图说明为了更清楚的说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1为本专利技术的粉尘浓度测量装置的结构示意图；图中：1-激光器，2-分束器，31-第一定向耦合器，32-第二定向耦合器，41-第一光纤，42-第二光纤，51-第一准直器，52-第二准直器，61-第一单透镜整形器，62-第二单透镜整形器，71-第一光电探测器，72-第二光电探测器，8-第一三棱镜，81-第一折射平面，9-第二三棱镜，91-第二折射平面，92-全反射平面，10-底座。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术的保护范围。如图1所示，为本专利技术的一种粉尘浓度测量系统，该粉尘浓度测量系统包括激光发射单元、激光传输单元、粉尘浓度测量单元和检测单元，其中：激光发射单元包括激光器1和分束器2；激光传输单元包括定向耦合器、光纤和准直器；粉尘浓度测量单元包括第一折射平面81、第二折射平面91本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粉尘浓度测量系统，其特征在于，包括激光发射单元、激光传输单元、粉尘浓度测量单元和检测单元，其中：所述激光发射单元包括激光器和分束器；所述激光传输单元包括定向耦合器、光纤和准直器；所述粉尘浓度测量单元包括第一折射平面、第二折射平面和全反射平面，其中所述第一折射平面和所述第二折射平面不平行；所述检测单元包括光电探测器；由所述激光器发射的经所述分束器分束的激光，分别通过所述定向耦合器输入端耦合后经所述光纤传输至所述准直器扩束，之后进入所述粉尘浓度测量单元，并分别经过第一折射平面和第二折射平面折射后，经所述全反射平面全反射而反向原路返回至所述定向耦合器，通过所述定向耦合器的输出端耦合后进入所述光电探测器。

【技术特征摘要】
1.一种粉尘浓度测量系统，其特征在于，包括激光发射单元、激光传输单元、粉尘浓度测量单元和检测单元，其中：所述激光发射单元包括激光器和分束器；所述激光传输单元包括定向耦合器、光纤和准直器；所述粉尘浓度测量单元包括第一折射平面、第二折射平面和全反射平面，其中所述第一折射平面和所述第二折射平面不平行；所述检测单元包括光电探测器；由所述激光器发射的经所述分束器分束的激光，分别通过所述定向耦合器输入端耦合后经所述光纤传输至所述准直器扩束，之后进入所述粉尘浓度测量单元，并分别经过第一折射平面和第二折射平面折射后，经所述全反射平面全反射而反向原路返回至所述定向耦合器，通过所述定向耦合器的输出端耦合后进入所述光电探测器。2.如权利要求1所述粉尘浓度测量系统，其特征在于：所述分束器将所述激光分成两束光强相同且相互平行的第一测量光和第二测量光；所述定向耦合器包括第一定向耦合器和第二定向耦合器；所述准直器包括第一准直器和第二准直器；所述光纤包括第一光纤和第二光纤；所述粉尘浓度测量单元的所述第一折射平面和所述第二折射平面之间形成测量区域；所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器；所述第一测量光经过所述第一定向耦合器输入端耦合后经所述第一光纤传输至所述第一准直器扩束，之后经所述第一折射平面折射进入所述测量区域，再经所述第二折射平面折射和所述全反射平面全反射，然后反向通过所述第一准直器缩束后经所述第一光纤传输至所述第一定向耦合器，通过该第一定向耦合器的输出端耦合后进入所述第一光电探测器；所述第二测量光经过所述第二定向耦合器输入端耦合后经所述第二光纤传输至所述第二准直器扩束，之后经所述第一折射平面折射进入所述测量区域，再经所述第二折射平面折射和所述全反射平面全反射，然后反向通过所述第二准直器缩束后经所述第二光纤传输至所述第二定向耦合器，通过该第二定向耦合器的输出端耦合后进入所述第二光电探测器。3.如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：党文佳，刘海强，
申请(专利权)人：西安航空学院，西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61