一种气体测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种气体测量装置，它主要用于检测气体参数。本装置激光器、传感器、会聚透镜、光反射器件、支撑装置和分析单元，支撑装置由固定腔和测量通道组成，会聚透镜的一侧设置有激光器和传感器，会聚透镜的另一侧设置有光反射器件，激光器、传感器、会聚透镜设置在固定腔中；会聚透镜的主光轴与测量通道的纵轴之间互相倾斜。本实用新型专利技术具有光路设计合理、巧妙，光学噪声较小，部件少，测量精度高，安装方便，运行稳定可靠的优点。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种气体测量装置，它主要用于检测气体参数。
技术介绍
半导体激光吸收光谱分析技术可以用于分析气体、液体中化学组分含量的 测量，还可以分析气体温度和速度等物理参数，应用越来越广泛。该技术是一 种高灵敏度气体分析技术。该技术的原理为，特定频率的半导体激光束穿过被测气体时，被测气体对光束能量的吸收导致光强度衰减，可用Beer - Lambert关 系准确表述/(v) = ，4 s(r)o(v阔其中/0 和/ )分别表示频率为v的激光入射时和经过压力户、浓度X和光程￡ 的气体后的光强。线强s(r)是温度r的函数。线形函数o(v)表征吸收谱线的形状， 与气体的种类、压力、温度等有关。由Beer-Lambert关系(上述公式)可知， 光强度的衰减与被测气体含量成正比，因此，该技术测量气体浓度时通过测量 光强度衰减信息，从而获得被测气体的浓度。实现这种技术的激光气体测量装置一般由光发射单元、光接收单元和信号 分析单元组成，光发射单元和接收单元安装在被测气体的两侧。激光气体测量 装置具有测量精度高、响应速度快、不受背景气体交叉干扰等优点。但该测量 装置的发射单元和接收单元分别在被测气体的两侧，安装、调试的难度大；而 且维护不方便；该装置的测量光程有限，取决于具体的现场工况，限制了测量 精度；该装置的体积通常也较大，不灵活。
技术实现思路
本技术为了解决上述技术问题，还提供一种结构设计合理，光路设计 巧妙，测量精度高，信噪比高，部件少，加工装配简单，安装方便，体积小的 气体测量装置。本技术解决上述技术问题所采用的技术方案是一种气体测量装置，包 括激光器、传感器、会聚透镜、光反射器件、支撑装置和分析单元，支撑装置由固定腔和测量通道组成，其特点是会聚透镜的一侧设置有激光器和传感器， 会聚透镜的另一侧设置有光反射器件，激光器、传感器、会聚透镜设置在固定 腔中；会聚透镜的主光轴与测量通道的纵轴之间互相倾斜。本技术所述的激光器发出的测量光与在其路径上的光学界面的法线之 间的夹角不为零。本技术所述的光学界面包括会聚透镜的前后表面、光反射器件的表面、 传感器的光敏面。本技术所述的固定腔中设置有副传感器，副传感器设置在会聚透镜反 射测量光的反射光路上。作为优选，会聚透镜的主光轴相对测量通道的纵轴夹角为8。 35° 。在本技术中，基本原则是所有光学器件的光学界面的法线与光束行进 方向均成一定的夹角，这样可以避免由于激光在其表面反射造成的光学噪音。 上述光学界面包括透镜的前后表面，光反射器件的表面，传感器的光敏面等等。 本技术的一个关键之处在于恰当设置各光学器件相对测量通道纵轴的倾斜 角度，以满足上述基本原则。具体实施中，由于会聚透镜的表面为曲面，并且 激光有一定的发散角(通常大于10° )等原因，所以反射光线的方向各异，以 及还存在多次反射的情况，因此要达到完全避免各个方向上的反射激光到达激 光器和传感器，需要十分恰当地设置。本技术具有以下优点和有益效果光路为回返式，测量光程增加一倍，测量精度和测量灵敏度高。激光器和传感器件置于会聚透镜的同一侧，便于激光器、传感器件与分析 单元的连接，保持结构紧凑；会聚透镜能有效的隔离被测气体和光学器件，避 免测量通道内物质污染激光器、传感器；光学器件采用一体化安装，结构紧凑， 提高了装置的可靠性、结构更加稳定，便于装置的安装和维护。而且体积更小， 更加灵活。光学器件采用倾斜设置，合理的设计光路，最大程度避免了反射造成的干 涉，降低了光学噪音，提高了探测下限和检测灵敏度；最大程度避免反射激光 返回激光器，有效的减少光学噪音，大大提高了测量精度。采用具有会聚功能的光学器件，如会聚透镜和凹面镜，縮小了光斑，测量响应速度快，而且可以更好的控制光束在光学器件入射点的角度，从而进一步 降低光学噪音。光学元器件少，成本低。采用了副传感器，能够用标定降低漂移的影响，提高了测量的稳定性。还 能够实现双光路测量，提高测量的准确性。附图说明图1为本技术实施例1的结构示意图； 图2为实施例1的光学器件及光路示意图； 图3为实施例1的双光路的光路示意图； 图4为本技术实施例2的结构示意图； 图5为实施例2的光学器件及光路示意图； 图6为本技术实施例3的结构示意图； 图7为实施例3的光学器件及光路示意图； 图8为实施例4的光学器件及光路示意图； 图9为实施例5的光学器件及光路示意图。具体实施方式以下实施例对本技术的结构、方法、功能和应用等情况做了进一步的 说明，是本技术几种比较好的应用形式，但是本技术的范围并不局限 在以下的实施例。本技术引入了三维坐标轴，其中X轴为垂直于纸面的轴， Y轴为沿纸面竖直的轴，Z轴为沿纸面水平的轴。经度面为X轴与Y轴所在的 平面。实施例1如图l、图2所示，该气体测量装置包括激光器l、传感器2、平凸透镜3、 凹面镜6、支撑装置5和分析单元4。支撑装置5由固定腔11和测量通道12组 成，测量通道12的一侧与固定腔11相连，另一侧设置有凹面镜6，激光器l、 平凸透镜3和传感器2都安装在固定腔11中，平凸透镜3将激光器1、传感器 2与测量通道中的气体隔开。激光器1和传感器2设置在平凸透镜3的同一侧，平凸透镜3的平面朝向 激光器1和传感器2，倾斜安装的激光器1在Y轴方向上的位置低于传感器2。传感器2与分析单元4相连。测量通道12设置在平凸透镜3的另一侧。测量通 道12沿Z轴方向，其纵轴与Z轴平行。平凸透镜3的主光轴位于Y-Z平面内， 倾斜于经度面。平凸透镜3的主光轴与测量通道12的纵轴之间的夹角为35°。平凸透镜3与固定腔11的接触面通过O形圈密封，将激光器1和传感器2 都气密在固定腔ll内，这样的设置可以使平凸透镜3有效地隔离被测气体与激 光器l、传感器2，保护这些光学器件，尤其是在被测气体为腐蚀性气体的时候。 可以在测量通道12中通被测气体。也可以在其侧壁上开有大面积的通气槽，使 被测气体可以自由进入测量通道12。测量通道12的通光孔径为30mm，典型测 量光程为lm，因此测量通道12长度约为50cm。本技术的气体测量方法为激光器1发射的测量光斜入射到平凸透镜3的光学平面7上。测量光的中 轴线与光学平面7的法线之间的夹角为5.5。，测量光的发散角为13。，测量光 与其在平凸透镜3入射点的光学界面的法线之间的夹角均为锐角，因此光学平 面7所反射回到激光器1的激光能量极低，可以忽略不计。穿过光学平面7后，测量光斜入射于平凸透镜3的光学曲面8上，测量光 的中轴线与其在光学曲面8入射点的光学界面的法线之间的夹角为27° 。平凸透镜3同时具有会聚发散测量光和偏转光束传播方向的作用。测量光 穿过平凸透镜3折射后，穿过测量通道12中的被测气体，斜入射到凹面镜6的 反射面。经过凹面镜6的反射，测量光再次穿过测量通道12中的被测气体后斜入射 到平凸透镜3的光学曲面8上，同时，凹面镜6对测量光有一定的会聚作用， 使测量光能够集中回返到平凸透镜3上。经过光学曲面8，测量光入射到光学平 面7，仍然是斜入射。本实施例中，测量光中轴线与光学平面7的法线之间的夹 角为25° 。测量光穿过平凸透镜3后入射到传感器2，传感器2也倾斜安装，其光学表 面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体测量装置，包括激光器、传感器、会聚透镜、光反射器件、支撑装置和分析单元，支撑装置由固定腔和测量通道组成，其特征是：会聚透镜的一侧设置有激光器和传感器，会聚透镜的另一侧设置有光反射器件，激光器、传感器、会聚透镜设置在固定腔中；会聚透镜的主光轴与测量通道的纵轴之间互相倾斜。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：顾海涛，黄伟，王健，
申请(专利权)人：聚光科技杭州有限公司，
类型：实用新型
国别省市：86[中国|杭州]