專利名稱：一種氣體測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體測量方法及其裝置，它主要用于檢測氣體參數(shù)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光吸收光譜分析技術(shù)可以用于分析氣體、液體中化學(xué)組分含量的 測量，還可以分析氣體溫度和速度等物理參數(shù)，應(yīng)用越來越廣泛。該技術(shù)是一 種高靈敏度氣體分析技術(shù)。該技術(shù)的原理為，特定頻率的半導(dǎo)體激光束穿過被
測氣體時，被測氣體對光束能量的吸收導(dǎo)致光強(qiáng)度衰減，可用Beer - Lambert關(guān)
系準(zhǔn)確表述
<formula>formula see original document page 3</formula>
其中/oW和/ )分別表示頻率為v的激光入射時和經(jīng)過壓力尸、濃度X和光程L 的氣體后的光強(qiáng)。線強(qiáng)s(r)是溫度r的函數(shù)。線形函數(shù)cD(v)表征吸收譜線的形狀， 與氣體的種類、壓力、溫度等有關(guān)。由Beer-Lambert關(guān)系(上述公式)可知， 光強(qiáng)度的衰減與被測氣體含量成正比，因此，該技術(shù)測量氣體濃度時通過測量 光強(qiáng)度衰減信息，從而獲得被測氣體的濃度。
實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的激光氣體測量裝置一般由光發(fā)射單元、光接收單元和信號 分析單元組成，光發(fā)射單元和接收單元安裝在被測氣體的兩側(cè)。激光氣體測量 裝置具有測量精度高、響應(yīng)速度快、不受背景氣體交叉干擾等優(yōu)點(diǎn)。但該測量 裝置的發(fā)射單元和接收單元分別在被測氣體的兩側(cè)，安裝、調(diào)試的難度大；而 且維護(hù)不方便；該裝置的測量光程有限，取決于具體的現(xiàn)場工況，限制了測量 精度；該裝置的體積通常也較大，不靈活。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，提供一種方法設(shè)計先進(jìn)，光路設(shè)計巧妙、 合理，測量精度高，光學(xué)噪聲較小，運(yùn)行穩(wěn)定，快速可靠的氣體測量方法。
本發(fā)明為了解決上述技術(shù)問題，還提供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，測量精度高， 信噪比高，部件少，加工裝配簡單，安裝方便，體積小的氣體測量裝置。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種氣體測量方法，其步驟
為
a、 一束測量光，入射到并穿過傾斜設(shè)置的會聚透鏡，然后穿過被測氣體， 射向光反射器件；
b、 光反射器件將測量光反射，測量光再次穿過被測氣體，第二次入射到會 聚透鏡上；
c、 測量光再次穿過會聚透鏡，接收測量光，得到測量信號；
d、 分析測量信號，得到氣體的參數(shù)。
本發(fā)明所述的測量光與在其路徑上的光學(xué)界面的法線之間的夾角不為零。
本發(fā)明所述的測量光在第一次入射到傾斜設(shè)置的會聚透鏡上時， 一部分光 被會聚透鏡反射，接收反射光，得到參比信號，將所述的測量信號和參比信號 進(jìn)行分析，得到氣體的參數(shù)。
本發(fā)明所述的測量光在第一次入射到傾斜設(shè)置的會聚透鏡上時，測量光的 中軸線與會聚透鏡的入射面的法線之間的夾角為5。 35° 。
本發(fā)明所述的會聚透鏡為平凸透鏡，所述的光反射器件為凹面鏡。平凸透 鏡和凹面反射鏡共同起會聚作用，使穿過被測氣體的激光束光斑較小，測量響 應(yīng)速度快。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的另一技術(shù)方案是一種氣體測量裝置，包 括激光器、傳感器、會聚透鏡、光反射器件、支撐裝置和分析單元，支撐裝置 由固定腔和測量通道組成，其特點(diǎn)是會聚透鏡的一側(cè)設(shè)置有激光器和傳感器， 會聚透鏡的另一側(cè)設(shè)置有光反射器件，激光器、傳感器、會聚透鏡設(shè)置在固定 腔中；會聚透鏡的主光軸與測量通道的縱軸之間互相傾斜。
本發(fā)明所述的激光器發(fā)出的測量光與在其路徑上的光學(xué)界面的法線之間的 夾角不為零。
本發(fā)明所述的光學(xué)界面包括會聚透鏡的前后表面、光反射器件的表面、傳 感器的光敏面。
本發(fā)明所述的的固定腔中設(shè)置有副傳感器，副傳感器設(shè)置在會聚透鏡反射 測量光的反射光路上。
本發(fā)明所述的會聚透鏡的主光軸相對測量通道的縱軸夾角為8。 35° 。在本發(fā)明中，基本原則是所有光學(xué)器件的光學(xué)界面的法線與光束行進(jìn)方向 均成一定的夾角，這樣可以避免由于激光在其表面反射造成的光學(xué)噪音。上述 光學(xué)界面包括透鏡的前后表面，光反射器件的表面，傳感器的光敏面等等。本 發(fā)明的一個關(guān)鍵之處在于恰當(dāng)設(shè)置各光學(xué)器件相對測量通道縱軸的傾斜角度， 以滿足上述基本原則。具體實(shí)施中，由于會聚透鏡的表面為曲面，并且激光有
一定的發(fā)散角(通常大于10° )等原因，所以反射光線的方向各異，以及還存
在多次反射的情況，因此要達(dá)到完全避免各個方向上的反射激光到達(dá)激光器和 傳感器，需要十分恰當(dāng)?shù)卦O(shè)置。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果
光路為回返式，測量光程增加一倍，測量精度和測量靈敏度高。
激光器和傳感器件置于會聚透鏡的同一側(cè)，便于激光器、傳感器件與分析 單元的連接，保持結(jié)構(gòu)緊湊；會聚透鏡能有效的隔離被測氣體和光學(xué)器件，避 免測量通道內(nèi)物質(zhì)污染激光器、傳感器；光學(xué)器件采用一體化安裝，結(jié)構(gòu)緊湊， 提高了裝置的可靠性、結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，便于裝置的安裝和維護(hù)。而且體積更小， 更加靈活。
光學(xué)器件采用傾斜設(shè)置，合理的設(shè)計光路，最大程度避免了反射造成的干 涉，降低了光學(xué)噪音，提高了探測下限和檢測靈敏度；最大程度避免反射激光 返回激光器，有效的減少光學(xué)噪音，大大提高了測量精度。
采用具有會聚功能的光學(xué)器件，如會聚透鏡和凹面鏡，縮小了光斑，測量 響應(yīng)速度快，而且可以更好的控制光束在光學(xué)器件入射點(diǎn)的角度，從而進(jìn)一步 降低光學(xué)噪音。光學(xué)元器件少，成本低。
采用了副傳感器，能夠用標(biāo)定降低漂移的影響，提高了測量的穩(wěn)定性。還 能夠?qū)崿F(xiàn)雙光路測量，提高測量的準(zhǔn)確性。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為實(shí)施例1的光學(xué)器件及光路示意圖； 圖3為實(shí)施例1的雙光路的光路示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為實(shí)施例2的光學(xué)器件及光路示意圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為實(shí)施例3的光學(xué)器件及光路示意圖； 圖8為實(shí)施例4的光學(xué)器件及光路示意圖； 圖9為實(shí)施例5的光學(xué)器件及光路示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、方法、功能和應(yīng)用等情況做了進(jìn)一步的說明， 是本發(fā)明幾種比較好的應(yīng)用形式，但是本發(fā)明的范圍并不局限在以下的實(shí)施例。 本發(fā)明引入了三維坐標(biāo)軸，其中X軸為垂直于紙面的軸，Y軸為沿紙面豎直的 軸，Z軸為沿紙面水平的軸。經(jīng)度面為X軸與Y軸所在的平面。
實(shí)施例1
本實(shí)施例的以下部分描述了一種氣體測量裝置和方法
如圖l、圖2所示，該氣體測量裝置包括激光器l、傳感器2、平凸透鏡3、 凹面鏡6、支撐裝置5和分析單元4。支撐裝置5由固定腔11和測量通道12組 成，測量通道12的一側(cè)與固定腔11相連，另一側(cè)設(shè)置有凹面鏡6，激光器l、 平凸透鏡3和傳感器2都安裝在固定腔11中，平凸透鏡3將激光器1、傳感器 2與測量通道中的氣體隔開。
激光器1和傳感器2設(shè)置在平凸透鏡3的同一側(cè)，平凸透鏡3的平面朝向 激光器1和傳感器2,傾斜安裝的激光器1在Y軸方向上的位置低于傳感器2。 傳感器2與分析單元4相連。測量通道12設(shè)置在平凸透鏡3的另一側(cè)。測量通 道12沿Z軸方向，其縱軸與Z軸平行。平凸透鏡3的主光軸位于Y-Z平面內(nèi)， 傾斜于經(jīng)度面。平凸透鏡3的主光軸與測量通道12的縱軸之間的夾角為35°。
平凸透鏡3與固定腔11的接觸面通過O形圈密封，將激光器1和傳感器2 都?xì)饷茉诠潭ㄇ籰l內(nèi)，這樣的設(shè)置可以使平凸透鏡3有效地隔離被測氣體與激 光器l、傳感器2，保護(hù)這些光學(xué)器件，尤其是在被測氣體為腐蝕性氣體的時候。 可以在測量通道12中通被測氣體。也可以在其側(cè)壁上開有大面積的通氣槽，使 被測氣體可以自由進(jìn)入測量通道12。測量通道12的通光孔徑為30mm，典型測 量光程為lm，因此測量通道12長度約為50cm。本發(fā)明的氣體測量方法為
激光器1發(fā)射的測量光斜入射到平凸透鏡3的光學(xué)平面7上。測量光的中
軸線與光學(xué)平面7的法線之間的夾角為5.5° ，測量光的發(fā)散角為13。，測量光 與其在平凸透鏡3入射點(diǎn)的光學(xué)界面的法線之間的夾角均為銳角，因此光學(xué)平 面7所反射回到激光器1的激光能量極低，可以忽略不計。
穿過光學(xué)平面7后，測量光斜入射于平凸透鏡3的光學(xué)曲面8上，測量光 的中軸線與其在光學(xué)曲面8入射點(diǎn)的光學(xué)界面的法線之間的夾角為27° 。
平凸透鏡3同時具有會聚發(fā)散測量光和偏轉(zhuǎn)光束傳播方向的作用。測量光 穿過平凸透鏡3折射后，穿過測量通道12中的被測氣體，斜入射到凹面鏡6的 反射面。
經(jīng)過凹面鏡6的反射，測量光再次穿過測量通道12中的被測氣體后斜入射 到平凸透鏡3的光學(xué)曲面8上，同時，凹面鏡6對測量光有一定的會聚作用， 使測量光能夠集中回返到平凸透鏡3上。經(jīng)過光學(xué)曲面8，測量光入射到光學(xué)平 面7，仍然是斜入射。本實(shí)施例中，測量光中軸線與光學(xué)平面7的法線之間的夾 角為25° 。
測量光穿過平凸透鏡3后入射到傳感器2，傳感器2也傾斜安裝，其光學(xué)表 面的法線與Z軸之間的夾角為25。，與測量光的中軸線之間的夾角為8。。
傳感器2將接收到的被氣體吸收后的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，即測量信號， 并將測量信號傳輸給分析單元4，經(jīng)分析后得到被測氣體的濃度等參數(shù)。
如圖3所示，激光器1發(fā)射的測量光，入射到平凸透鏡3的光學(xué)平面7上 會有部分反射，該處可以鍍光學(xué)反射膜，增加反射率，就可以增加一個副傳感 器14檢測反射光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)雙光路檢測。
當(dāng)實(shí)現(xiàn)如圖3所示的雙光路檢測的時候，固定腔11還可以作為參比氣體室， 在其中密封已知濃度的被測氣體作為參比氣體。特別例如，當(dāng)被測氣體為氧氣， 則直接可以讓固定腔ll內(nèi)充滿空氣，用副傳感器14接收反射光得到參比信號， 將其與傳感器2得到的測量信號共同在分析單元4中分析后得到被測氣體的氧 氣濃度。
這個增加的光路還可以為標(biāo)定光路，副傳感器14檢測到的信號為標(biāo)定信號， 可以用這個信號來修正裝置的漂移。實(shí)施例2
如圖4、 5所示，本實(shí)施例描述了一種氣體測量裝置和方法，本實(shí)施例與實(shí) 施例1的區(qū)別是
(1) 、平凸透鏡3的凸面朝向激光器1和傳感器2，平凸透鏡3的主光軸與 測量通道12的縱軸之間的夾角為13 °。
(2) 、激光器1發(fā)射的測量光的中軸線與Z軸之間的夾角為11.8° ,使測 量光斜入射到平凸透鏡3的光學(xué)曲面8上。測量光的中軸線與其在光學(xué)曲面8 入射點(diǎn)的法線之間的夾角為21。。本實(shí)施例中測量光的發(fā)散角為13° ，測量光 與其在平凸透鏡3入射點(diǎn)的光學(xué)界面的法線之間的夾角均為銳角，因此光學(xué)曲 面8所反射回到激光器1的激光能量極低，可以忽略不計。同樣，穿過光學(xué)曲 面8后，測量光斜入射于平凸透鏡3的光學(xué)平面7上，測量光的中軸線與光學(xué) 平面7法線之間的夾角為9.5。。
(3) 、當(dāng)測量光被凹面鏡6會聚反射后，測量光集中回返到平凸透鏡3上。 依次穿過光學(xué)平面7和光學(xué)曲面8，仍然是斜入射。本實(shí)施例中，測量光中軸線 與光學(xué)平面7法線之間的夾角為13°測量光中軸線與其在光學(xué)曲面8的入射點(diǎn) 法線之間的夾角為33。。穿過平凸透鏡3后，測量光入射到傳感器2，傳感器2 也傾斜安裝，其光學(xué)表面的法線與Z軸之間的夾角為25。，與光束的中軸線之 間的夾角為7。。
本實(shí)施例的其他部分與實(shí)施例1基本相同。 本實(shí)施例也可以設(shè)置成雙光路的形式。 實(shí)施例3
如圖6、 7所示，本實(shí)施例描述了一種氣體測量裝置和方法，本實(shí)施例與實(shí) 施例1的區(qū)別是
(1) 激光器1在Y軸方向上的位置高于傳感器2、平凸透鏡3的凸面朝向 激光器1和傳感器2，平凸透鏡3的主光軸與測量通道12的縱軸之間的夾角為 8。。
(2) 、激光器1發(fā)射的測量光的中軸線與Z軸之間的夾角為8.5。，使測量 光斜入射到平凸透鏡3的光學(xué)曲面8上。光束的中軸線與其在光學(xué)曲面8的入 射點(diǎn)法線之間的夾角為34。，本實(shí)施例中測量光的發(fā)散角為13° ，測量光與其在平凸透鏡3入射點(diǎn)的光學(xué)界面的法線之間的夾角均為銳角，因此光學(xué)曲面8 所反射回到激光器1的激光能量極低，可以忽略不計。同樣，穿過光學(xué)曲面8 后，測量光斜入射于平凸透鏡3的光學(xué)平面7上，測量光的中軸線與光學(xué)平面7 的法線之間的夾角為5。。
(3)、當(dāng)測量光被凹面鏡6會聚反射后，測量光集中回返到平凸透鏡3上。 依次穿過光學(xué)平面7和光學(xué)曲面8，仍然是斜入射。本實(shí)施例中，測量光中軸線 與光學(xué)平面7的法線之間的夾角為9.3°測量光中軸線與其在光學(xué)曲面8的入射 點(diǎn)的法線之間的夾角為8.5° 。穿過平凸透鏡3后測量光入射到傳感器2，傳感 器2也傾斜安裝，其光學(xué)表面的法線與Z軸之間的夾角為25。，與光束的中軸 線之間的夾角為18° 。
本實(shí)施例的其他部分與實(shí)施例1基本相同。.
本實(shí)施例也可以設(shè)置雙光路的形式。
實(shí)施例4
如圖8，本實(shí)施例描述了一種氣體測量裝置和方法，本實(shí)施例與實(shí)施例1的 區(qū)別是本實(shí)施例的會聚透鏡采用的是具有會聚功能的厚透鏡IO。厚透鏡10的 主光軸與測量通道12的縱軸之間的夾角為27°
本實(shí)施例的其他部分與實(shí)施例1基本相同。
本實(shí)施例也可以設(shè)置雙光路的形式。
實(shí)施例5
如圖9，本實(shí)施例描述了一種氣體測量裝置和方法，本實(shí)施例與實(shí)施例1的 區(qū)別是本實(shí)施例的光反射器件是采用平面鏡13，平面鏡13是由兩塊互成角度 的平面反射鏡組成。平凸透鏡3的凸面朝向激光器1和傳感器2，平凸透鏡3的 主光軸與測量通道12的縱軸之間的夾角為10°。
本實(shí)施例的其他部分與實(shí)施例1基本相同。
本實(shí)施例也可以設(shè)置雙光路的形式。
關(guān)于本發(fā)明的其它說明1、當(dāng)被測氣體為腐蝕性氣體時，由于腐蝕性氣體 會腐蝕增透膜，所以會聚透鏡與被測氣體接觸的面可以不鍍增透膜；2、本發(fā)明 的凹面鏡采用的是平凹透鏡的凹面內(nèi)表面鍍上高反膜，這樣更方便加工和固定。
3、在以上實(shí)施例中，除了描述的測量光路之外，也會產(chǎn)生少量的雜散光，但是 并不會對測量光路造成干擾。
上述實(shí)施方式不應(yīng)理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。本發(fā)明的關(guān)鍵是激 光器和傳感器設(shè)置在會聚透鏡的一側(cè)，光反射器件設(shè)置在會聚透鏡的另外一側(cè)， 會聚透鏡相對于測量通道的縱軸為傾斜設(shè)置，測量光先經(jīng)過會聚透鏡折射后穿 過被測氣體后到達(dá)光反射器件，再經(jīng)過光反射器件反射穿過被測氣體后再次到 達(dá)會聚透鏡，然后經(jīng)過會聚透鏡會聚至傳感器，通過傳感器接收到的光信號來 計算被測氣體的參數(shù)。所有光學(xué)器件的光學(xué)界面與測量光行進(jìn)方向均成傾斜設(shè) 置，上述光學(xué)界面包括透鏡的前后表面，光反射器件的表面，傳感器的光敏面 等等。這樣可以避免由于反射造成的光學(xué)噪音。在不脫離本發(fā)明精神的情況下， 對本發(fā)明作出的任何形式的改變均應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種氣體測量方法，其步驟為a、一束測量光，入射到并穿過傾斜設(shè)置的會聚透鏡，然后穿過被測氣體，射向光反射器件；b、光反射器件將測量光反射，測量光再次穿過被測氣體，第二次入射到會聚透鏡上；c、測量光再次穿過會聚透鏡，接收測量光，得到測量信號；d、分析測量信號，得到氣體的參數(shù)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體測量方法，其特征是所述的測量光與在其 路徑上的光學(xué)界面的法線之間的夾角不為零。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體測量方法，其特征是所述的測量光在第一 次入射到傾斜設(shè)置的會聚透鏡上時， 一部分光被會聚透鏡反射，接收反射光， 得到參比信號，將所述的測量信號和參比信號進(jìn)行分析，得到氣體的參數(shù)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的氣體測量方法，其特征是所述的測量光在第一 次入射到傾斜設(shè)置的會聚透鏡上時，測量光的中軸線與會聚透鏡的入射面的法 線之間的夾角為5。 35° 。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體測量方法，其特征是所述的會聚透鏡為平凸透鏡，所述的光反射器件為凹面鏡。
6、 一種氣體測量裝置，包括激光器、傳感器、會聚透鏡、光反射器件、支 撐裝置和分析單元，支撐裝置由固定腔和測量通道組成，其特征是會聚透鏡 的一側(cè)設(shè)置有激光器和傳感器，會聚透鏡的另一側(cè)設(shè)置有光反射器件，激光器、 傳感器、會聚透鏡設(shè)置在固定腔中；會聚透鏡的主光軸與測量通道的縱軸之間 互相傾斜。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣體測量裝置，其特征是所述的激光器發(fā)出的測量光與在其路徑上的光學(xué)界面的法線之間的夾角不為零。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣體測量裝置，其特征是所述的光學(xué)界面包括會聚透鏡的前后表面、光反射器件的表面、傳感器的光敏面。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的氣體測量裝置，其特征是所述的的固定腔中設(shè)置有副傳感器，副傳感器設(shè)置在會聚透鏡反射測量光的反射光路上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求6至9所述的氣體測量方法，其特征是所述的會聚透 鏡的主光軸相對測量通道的縱軸夾角為8。 35° 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體測量方法及其裝置，它主要用于檢測氣體參數(shù)。本裝置包括分析單元和設(shè)置在支撐裝置中的激光器、傳感器、會聚透鏡、光反射器件，傳感器與分析單元相連。測量的方法為由激光器向傾斜設(shè)置的會聚透鏡發(fā)出激光；激光經(jīng)會聚透鏡會聚后穿過被測氣體射向光反射器件；激光經(jīng)光反射器件反射后再次穿過被測氣體和會聚透鏡后被傳感器接收；傳感器將接收到的信號傳給分析單元，經(jīng)分析單元分析后得到被測氣體的參數(shù)。本發(fā)明具有方法先進(jìn)，光路設(shè)計合理、巧妙，光學(xué)噪聲較小，部件少，測量精度高，安裝方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01N21/39GK101285769SQ20081006205
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者健 王, 顧海濤, 偉 黃 申請人:聚光科技(杭州)有限公司