一种高温管式炉的激光传感装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种高温管式炉的激光传感装置，包括接收端法兰、发射端法兰、发射端角锥棱镜、接收端角锥棱镜、激光发射装置和激光接收装置；所述发射端法兰和接收端法兰分别固定在所述高温管式炉的炉管两端，形成密闭的容器；所述高温管式炉炉管的变温区分别沿轴线方向贯穿设有光学介质；所述发射端法兰和接收端法兰上分别密封装配光学窗口和导气管，导气管与炉管内部相连通；所述发射端角锥棱镜固定设于发射端法兰的光学窗口外侧；所述接收端角锥棱镜可移动地设于接收端法兰的光学窗口外侧；所述激光发射装置、激光接收装置分别设于发射端法兰、接收端法兰的光学窗口外侧。采用本实用新型专利技术装置解决了高温环境下气体吸收光谱检测中恒温区过短，变温区干扰影响较大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高温管式炉的激光传感装置
本技术涉及一种高温管式炉激光传感装置，属于激光气体吸收光谱检测设备

技术介绍
气体光谱作为一种非接触式的传感技术，在现实中应用相当广泛，它既能检测所需环境下的气体组分和浓度，还可以通过对检测数据分析和算法处理，获得检测空间内的温度场分布。这对一些特殊环境下的空间检测提供了可能。特殊环境如高温、高压、有害气体组分的光谱实验研究是需要高温密闭装置，而高温管式炉就是其中应用最多的一种。实验室内常见的管式炉装置如安徽贝意克生产的三温区管式炉BTF-1700C（1200C），其组成包括三段高温加热装置及其控制系统、载气用刚玉管（石英管）、密闭法兰以及管堵。刚玉管（石英管）由三段式加热装置加热，中空环境也随着热传导将注入气体加热。由于加热装置长度有限，如BTF-1700C加热长度为50cm，而整个管长1200cm，所以两端温度递减。温度递减会影响绝对温度下的谱线标定。为减轻递减影响，管内在高温区于变温区中间用管堵隔断。管外套接封闭法兰实现气体空间密闭，法兰上有导气管，气体组分通过它进入管内。为实现激光传感，则需要在法兰中开窗口，在管堵上开孔。发射器和接收器位列两边从而实现系统搭建。但是管式炉高温的恒温区短，如5BTF-1700C只有50cm，不能满足一些需要长光程的实验需要，如模拟现场3m环境，该高温区明显不够长。虽然管堵较好的隔热效果，但是开孔后该效果明显下降。为能够增长光程并减小温度渐变影响，需要开发一种实验装置解决以上问题。
技术实现思路
本技术的目的是为了解决现有技术中的缺陷，提供了一种能够增长恒温区光程、同时降低变温区影响的管式炉激光传感装置。为了达到上述目的，本技术提供了一种高温管式炉的激光传感装置，包括接收端法兰、发射端法兰、发射端角锥棱镜、接收端角锥棱镜、激光发射装置和激光接收装置；所述发射端法兰和接收端法兰分别固定在所述高温管式炉的炉管两端，形成密闭的容器；所述高温管式炉炉管的变温区分别沿轴线方向贯穿设有光学介质；所述发射端法兰和接收端法兰上分别密封装配光学窗口和导气管，导气管与炉管内部相连通；所述发射端角锥棱镜固定设于发射端法兰的光学窗口外侧；所述接收端角锥棱镜可移动地设于接收端法兰的光学窗口外侧；所述激光发射装置、激光接收装置分别设于发射端法兰、接收端法兰的光学窗口外侧。进一步的，发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的中轴线与激光发射装置发出的激光光轴位于同一平面内；所述发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的大小相同；当进行检测时，所述发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜中轴线之间具有相对位差L，该相对位差L使得激光发射装置发出的激光信号在发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间的反射次数N为3次、5次或7次。其中，光学窗口采用具有0.5°楔角的光学玻璃，与对应的发射端法兰或接收端法兰呈1-3°倾斜设置，该安装方式能够保证在两片窗口、单片窗口中不产生干涉。光学介质采用双面楔角柱状体，楔角为0.5-3°；所述光学窗口采用石英或蓝宝石材料；所述光学介质采用蓝宝石棒或石英棒，具体选择时可根据炉体加热温度确定，如温度大于1200℃选用蓝宝石棒，小于1200℃选用石英棒。光导介质采用楔角的目的是为了消除光导中的干涉影响，对每根光导介质两端截面都相对设置楔角。楔角越小，激光在传播中折射偏离越小，装调时操作越方便。当楔角大于3°后，容易使来回反射的激光偏离出光导或光学窗口。光导介质材料应足够纯净，不纯净的材料会使传导的激光发散角增大，给检测结果带来干扰。相邻的光学窗口和光学介质之间、两个光学介质之间的相邻楔角相对设置。光学窗口的楔角光学玻璃、光导介质的楔角柱状体同轴设置，其沿轴楔角各端面与角锥棱镜不平行，且各相邻端面也不平行。该安装方法以确保了每个面都不会产生干涉条件。进一步的，光学介质和光学窗口同轴设置，且光学介质与光学窗口的截面大小相适配；所述光学窗口的尺寸大于所述发射端角锥棱镜的直径与激光光斑尺寸之和。本技术激光传感装置还包括可移动机械装置；所述接收端角锥棱镜通过所述可移动机械装置设于所述接收端法兰的光学窗口外侧；所述光学介质通过若干氧化铝陶瓷卡键固定设于炉管内。其中，可移动机械装置选用的大恒光电燕尾式位移组件调节装置，所述的位移组件为两个燕尾平移台正交安装组成，并用一个L型固定件固定在接收端的法兰上，可移动机械装置实现对接收端角锥棱镜沿纵向和横向的位移调节。本技术相比现有技术具有以下优点：1）本技术在炉管变温区中设置了光导介质，使得检测的激光信号在变温区的路径都在光导介质中，由于光导介质隔离了气体，因此对信号光而言等效于传播于真空中，降低了变温区的影响；2）本技术搭建了一个基于双角锥棱镜的多次反射系统，增长恒温区光程，有效地提升了高温区气体长度；3）本技术采用楔角光学玻璃、双面楔角柱状体的光导介质，并且安装和设置各楔角端面不与角锥棱镜平行，各相邻端面也不平行，有效减少激光信号的干扰影响。4）本技术设置的激光光轴、两个角锥棱镜中轴线设置在同一平面上，便利于激光接收装置对激光信号有效接收，如果不在同一平面上，信号跳动较大，不利于对激光信号接收的调节；5）本技术接收端使用的角锥棱镜为可移动设置是由可移动机械装置实现的，该可移动机械装置设有平行于光学窗口做横向和纵向位移的机构，十分有利于设备的精准调校。总之，本技术提供的装置，解决了高温环境下气体吸收光谱检测中恒温区过短，变温区干扰影响较大的问题，本装置通过光导介质，能够使激光在整个气体空间中只经过恒温区，避免了激光在低温气体区域对实验标定造成的影响，从而提高了计算精度。具有结构简单，易于调节，检测精度高等特点。附图说明图1为本技术用于高温管式炉的激光传感装置的结构示意图；图2为图1中光学窗口和光导介质的楔角示意图；图3为本技术双角锥棱镜系统原理示意图；图4为图3中激光光轴和两个角锥棱镜中心轴同一平面时两角锥棱镜光斑示意图；图5为图3中激光光轴和两个角锥棱镜中心轴不在同一平面时，两种激光入射位的两个角锥棱镜光斑示意图；图中，h表示激光光斑中心到可移动端角锥棱镜下边沿的距离，D表示角锥棱镜直径，L表示两个角锥棱镜之间的光轴差；1-管式炉炉管，2-角锥棱镜Ⅰ，3-角锥棱镜Ⅱ，4-蓝宝石棒，5-氧化铝陶瓷卡键，6-激光发射装置，7-激光接收装置，8-法兰，9-导气管，10-恒温区，11-光学窗口。具体实施方式下面结合附图对本技术进行详细说明。图1所示，提供了一种高温管式炉的激光传感装置，包括管式炉炉管1、角锥棱镜Ⅰ2、角锥棱镜Ⅱ3、蓝宝石棒4、激光发射装置6，激光接收装置7、法兰8；其中：管式炉炉管1与两端设置法兰8构成密闭的容器，该密闭的高温炉管加热时，中段为炉管的恒温区10，恒温区10边缘至法兰处为变温区；两端法兰8均设有光学窗口11、导气管9，光学窗口11由光学玻璃11固定密封装配在法兰8上，导气管9通过法兰8与炉管1内相通，本装置的测量气体是从导气管9入射到炉管，从另一端导气管排出，当需要增压时，需要将另一端堵住；在炉管1两端的变温区中固定设置有蓝宝石棒4，蓝宝石棒4由若干氧化铝陶瓷卡键5固定在炉管1内，若炉管1总长1m，恒温区10总长50cm，则单根蓝宝石棒4应为25cm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温管式炉的激光传感装置，其特征在于：包括接收端法兰、发射端法兰、发射端角锥棱镜、接收端角锥棱镜、激光发射装置和激光接收装置；所述发射端法兰和接收端法兰分别固定在所述高温管式炉的炉管两端，形成密闭的容器；所述高温管式炉炉管的变温区分别沿轴线方向贯穿设有光学介质；所述发射端法兰和接收端法兰上分别密封装配光学窗口和导气管，导气管与炉管内部相连通；所述发射端角锥棱镜固定设于发射端法兰的光学窗口外侧；所述接收端角锥棱镜可移动地设于接收端法兰的光学窗口外侧；所述激光发射装置、激光接收装置分别设于发射端法兰、接收端法兰的光学窗口外侧。

【技术特征摘要】
1.一种高温管式炉的激光传感装置，其特征在于：包括接收端法兰、发射端法兰、发射端角锥棱镜、接收端角锥棱镜、激光发射装置和激光接收装置；所述发射端法兰和接收端法兰分别固定在所述高温管式炉的炉管两端，形成密闭的容器；所述高温管式炉炉管的变温区分别沿轴线方向贯穿设有光学介质；所述发射端法兰和接收端法兰上分别密封装配光学窗口和导气管，导气管与炉管内部相连通；所述发射端角锥棱镜固定设于发射端法兰的光学窗口外侧；所述接收端角锥棱镜可移动地设于接收端法兰的光学窗口外侧；所述激光发射装置、激光接收装置分别设于发射端法兰、接收端法兰的光学窗口外侧。2.根据权利要求1所述的激光传感装置，其特征在于：所述发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的中轴线与激光发射装置发出的激光光轴位于同一平面内；所述发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的大小相同；当进行检测时，所述发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜中轴线之间具有相对位差L，该相对位差L使得激光发射...

【专利技术属性】
技术研发人员：祖利辉，赵文庆，陈昊，赖小明，
申请(专利权)人：南京科远自动化集团股份有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32