專利名稱：一種智能紅外甲烷氣體檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體濃度的測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及的是一種可實(shí)現(xiàn)吸收光程連續(xù)可調(diào)的智能紅外甲烷氣體檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
甲烷濃度的精確和低成本測(cè)量在煤炭生產(chǎn)、煤層氣開采、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域具有重要意義。針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的要求，人們研發(fā)了不同機(jī)理的甲烷檢測(cè)裝置，主要可分為化學(xué)方法和光譜學(xué)方法，其中光譜學(xué)方法具有穩(wěn)定性好、精度高、響應(yīng)快、使用壽命長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、不受惡劣環(huán)境影響等優(yōu)點(diǎn)，可以在同一波段作多組分檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)非接觸測(cè)量，尤其適于對(duì)不易接近、難以取樣的危險(xiǎn)或敵對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)。光譜學(xué)方法成為當(dāng)前氣體檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向和技術(shù)主流，其原理均依據(jù)比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律，利用氣體在特定波長(zhǎng)由于光輻射吸收引起的光強(qiáng)變化進(jìn)行被測(cè)氣體濃度反演。由比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律可知,在光源光強(qiáng)一定的情況下，增加氣體的吸收光程有利于氣體檢測(cè)精度和靈敏度的提高，因此目前大多數(shù)傳感氣室采用在氣室內(nèi)附加精巧結(jié)構(gòu)來(lái)增加光程，使用較為普遍的主要包括White和Herriott多次反射池。White池孔徑角較大，反射次數(shù)較多，可通過(guò)改變反射次數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)光程長(zhǎng)度，缺點(diǎn)是所用反射鏡數(shù)目較多；Herriott池的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由兩個(gè)球面鏡組成，但其孔徑角較小，反射次數(shù)與鏡面距離及曲率半徑密切相關(guān)，光路調(diào)節(jié)確定后，反射次數(shù)也隨之確定，不具有光程調(diào)節(jié)的靈活性。因此，單純依靠在傳感氣室中增加光學(xué)器件以實(shí)現(xiàn)增加光程的方法，不僅增加了系統(tǒng)的體積與生產(chǎn)成本，而且增加了儀器的調(diào)試難度和維護(hù)成本，無(wú)法達(dá)到合理的光強(qiáng)利用效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可實(shí)現(xiàn)吸收光程連續(xù)可調(diào)的智能紅外甲烷氣體檢測(cè)裝置，它能有效地解決現(xiàn)有光譜學(xué)氣體檢測(cè)裝置中氣室長(zhǎng)度一般較短，從而限制檢測(cè)精度和靈敏度進(jìn)一步提聞的問題。為了解決背景技術(shù)中所存在的問題，它包含二極管激光器1、激光器驅(qū)動(dòng)控制電路、氣室4、激光角度調(diào)節(jié)裝置、光電探測(cè)器14、數(shù)據(jù)采集卡16和計(jì)算機(jī)17 ;所述激光器驅(qū)動(dòng)控制電路包含溫度控制器2和電流控制器3，該溫度控制器2和電流控制器3的輸出端分別與二極管激光器I的輸入端相連，所述的二極管激光器I安裝在氣室4的一側(cè)，所述的氣室4整體為中空結(jié)構(gòu),其內(nèi)部的上表面5和下表面6為平面結(jié)構(gòu),并在該上表面5和下表面6的平面上設(shè)有一層反射層，所述氣室4的一端與側(cè)壁一體成型出密閉的擋板，其另一端設(shè)有開口，該開口處封閉有透紅外的石英窗口片，所述的氣室4內(nèi)位于石英窗口片處的一端部安裝有激光角度調(diào)節(jié) 裝置，其上部開設(shè)有氣體入口 12，所述氣室4的另一端的上部安裝有光電探測(cè)器14，其下部開設(shè)有氣體出口 13，所述的光電探測(cè)器14的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡16的輸入端相連，所述的數(shù)據(jù)采集卡16與計(jì)算機(jī)17相連。
所述二極管激光器I的中心波長(zhǎng)為1.66um。所述的氣室4整體為中空的矩形管狀結(jié)構(gòu)。所述的反射層為水銀反射層。所述的激光角度調(diào)節(jié)裝置包含反射鏡7，該反射鏡7的一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸與氣室4的側(cè)壁活動(dòng)連接，其另一端的端部附近安裝有步進(jìn)電機(jī)9，該步進(jìn)電機(jī)9的輸出軸上安裝有盤形凸輪8，所述盤形凸輪8的邊沿與從動(dòng)桿10貼合接觸，所述從動(dòng)桿10的外面套有一圈與其同心并抽拉配合的導(dǎo)軌套11，該導(dǎo)軌套11固定在氣室4上，所述的步進(jìn)電機(jī)9經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路15與數(shù)據(jù)采集卡16相，連。由于采用了以上技術(shù)方案，本發(fā)明具有以下有益效果:能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下對(duì)甲烷氣體濃度的精確檢測(cè)，在具備一般光譜技術(shù)高選擇、快速響應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的氣室中增加反射鏡、盤形凸輪、步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了氣體吸收光程調(diào)節(jié)范圍較大程度的改變，大大增加了吸收光程，為檢測(cè)精度和靈敏度的提高提供了條件，降低了測(cè)量裝置的復(fù)雜度，具有信噪比高，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，可靠性高，維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。


為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明，下面將結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例作簡(jiǎn)單的介紹。圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中氣室的左視圖；圖3為本發(fā)明中氣體吸收光程的計(jì)算原理示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。參看附圖1-2，本具體實(shí)施方式
是采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，它包含二極管激光器1、激光器驅(qū)動(dòng)控制電路、氣室4、激光角度調(diào)節(jié)裝置、光電探測(cè)器14、數(shù)據(jù)采集卡16和計(jì)算機(jī)17 ;所述激光器驅(qū)動(dòng)控制電路包含溫度控制器2和電流控制器3，該溫度控制器2和電流控制器3的輸出端分別與二極管激光器I的輸入端相連，所述的二極管激光器I安裝在氣室4的一側(cè)，所述的氣室4整體為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的上表面5和下表面6為平面結(jié)構(gòu)，并在該上表面5和下表面6的平面上設(shè)有一層反射層，所述氣室4的一端與側(cè)壁一體成型出密閉的擋板，其另一端設(shè)有開口，該開口處封閉有透紅外的石英窗口片，所述的氣室4內(nèi)位于石英窗口片處的一端部安裝有激光角度調(diào)節(jié)裝置，其上部開設(shè)有氣體入口 12，所述氣室4的另一端的上部安裝有光電探測(cè)器14，其下部開設(shè)有氣體出口 13，所述的光電探測(cè)器14的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡16的輸入端相連,所述的數(shù)據(jù)采集卡16與計(jì)算機(jī)17相連。優(yōu)選的，所述二極管激光器I的中心波長(zhǎng)為1.66um。優(yōu)選的，所述的氣室4整體最好為中空的矩形管狀結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述的反射層最好為水銀反射層，該水銀反射層可保證對(duì)光的高效反射，降低材料對(duì)光吸收造成的光強(qiáng)損失。優(yōu)選的，所述的激光角度調(diào)節(jié)裝置包含反射鏡7，該反射鏡7的一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸與氣室4的側(cè)壁活動(dòng)連接，其另一端的端部附近安裝有步進(jìn)電機(jī)9，該步進(jìn)電機(jī)9的輸出軸上安裝有盤形凸輪8，所述盤形凸輪8的邊沿與從動(dòng)桿10貼合接觸，所述從動(dòng)桿10的外面套有一圈與其同心并抽拉配合的導(dǎo)軌套11，該導(dǎo)軌套11固定在氣室4上，所述的步進(jìn)電機(jī)9經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路15與數(shù)據(jù)采集卡16相連。下面將結(jié)合附圖1-2對(duì)本具體實(shí)施方式
中技術(shù)方案的使用方法及步驟作進(jìn)一步的闡述:二極管激光器I受激光器驅(qū)動(dòng)控制電路中溫度控制器2與電流控制器3的調(diào)制，使其工作在穩(wěn)定狀態(tài)，輸出光的中心波長(zhǎng)為1.66um ；經(jīng)二極管激光器I輸出的光經(jīng)透紅外的石英窗口片進(jìn)入氣室4，經(jīng)反射鏡7反射后，由氣室4的上表面5反射至下表面6,如此在氣室4內(nèi)部的上表面5和下表面6之間多次反射后由光電探測(cè)器14檢測(cè)輸出光強(qiáng)；反射鏡7 —端可繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端由盤形凸輪8通過(guò)從動(dòng)桿10支撐；氣體吸收光程的改變通過(guò)不同入射角對(duì)應(yīng)的氣室4中反射次數(shù)的不同實(shí)現(xiàn)，一定的入射角對(duì)應(yīng)了一定的光程:步進(jìn)電機(jī)9帶動(dòng)盤形凸輪8旋轉(zhuǎn)，盤形凸輪8通過(guò)從動(dòng)桿10支撐反射鏡7，從動(dòng)桿10可沿導(dǎo)軌套11上下移動(dòng)，通過(guò)盤形凸輪8曲率半徑的變化帶動(dòng)反射鏡7傾角的變化，進(jìn)而引起入射光在氣室4內(nèi)上下表面之間反射時(shí)入射角度的變化，從而引起入射光在氣室4內(nèi)反射次數(shù)的改變，實(shí)現(xiàn)吸收光程的改變；氣體特定吸收光程下光強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)方法:系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，待二極管激光器I輸出光強(qiáng)穩(wěn)定后，由計(jì)算機(jī)17通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路15控制步進(jìn)電機(jī)9旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)盤形凸輪8旋轉(zhuǎn)一周，計(jì)算機(jī)17將該過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)9的步進(jìn)角及對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行記錄，當(dāng)檢測(cè)到的光強(qiáng)變化清晰可辨時(shí)對(duì)光強(qiáng)信號(hào)的峰值與對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)9的步進(jìn)角位置進(jìn)行提取，此時(shí)光強(qiáng)信號(hào)最大，反射光正對(duì)著光電探測(cè)器14，然后根據(jù)步進(jìn)角與盤形凸輪8曲率半徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系得出光線入射角度，根據(jù)光路幾何關(guān)系計(jì)算光程，將相應(yīng)的入射角與吸收光程存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)17。此后，計(jì)算機(jī)17根據(jù)存儲(chǔ)的步進(jìn)角與相應(yīng)的入射角數(shù)據(jù)，對(duì)特定吸收光程下的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行記錄；`光電探測(cè)器14將不同吸收光程下的光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后以電壓形式輸出，其輸出端與數(shù)據(jù)采集卡16相連，數(shù)據(jù)采集卡16通過(guò)PCI插槽與計(jì)算機(jī)17連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送；計(jì)算機(jī)17根據(jù)比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律，由基于LabVIEW開發(fā)軟件編寫的程序?qū)崟r(shí)處理來(lái)自數(shù)據(jù)采集卡16的數(shù)據(jù)，通過(guò)不同吸收光程下光強(qiáng)信號(hào)的差異進(jìn)行被測(cè)甲烷氣體濃度的反演計(jì)算。下面將結(jié)合附圖3對(duì)本具體實(shí)施方式
中技術(shù)方案的工作原理作進(jìn)一步的闡述:氣體的紅外吸收遵循比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律:I = 10 exp (- α ( λ ) CL)其中，I為輸出光強(qiáng)，Itl為輸入光強(qiáng)，α (λ)為氣體在波長(zhǎng)λ處的吸收系數(shù)，C為被測(cè)氣體濃度，L為氣體吸收光程。光程為L(zhǎng)1處的光強(qiáng)表達(dá)式為I1 = 10exp (- α (λ ) CL1),光程為L(zhǎng)2處的光強(qiáng)表達(dá)式為I2 = 10exp (- α ( λ ) CL2),則兩式相比可得f = H=exp(a(A)C(L2 - A))
I2 txp{-a{A)CL2)兩邊取對(duì)數(shù)可得InI1-1nI2 = ct (A)C (L2-L1)
從而可得氣體濃度表達(dá)式，
權(quán)利要求
1.一種智能紅外甲烷氣體檢測(cè)裝置，其特征在于它包含二極管激光器(1)、激光器驅(qū)動(dòng)控制電路、氣室(4)、激光角度調(diào)節(jié)裝置、光電探測(cè)器(14)、數(shù)據(jù)采集卡(16)和計(jì)算機(jī)(17);所述激光器驅(qū)動(dòng)控制電路包含溫度控制器(2)和電流控制器(3)，該溫度控制器(2)和電流控制器⑶的輸出端分別與二極管激光器⑴的輸入端相連，所述的二極管激光器(1)安裝在氣室(4)的一側(cè)，所述的氣室(4)整體為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的上表面(5)和下表面(6)為平面結(jié)構(gòu)，并在該上表面(5)和下表面(6)的平面上設(shè)有一層反射層，所述氣室(4)的一端與側(cè)壁一體成型出密閉的擋板，其另一端設(shè)有開口，該開口處封閉有透紅外的石英窗口片，所述的氣室(4)內(nèi)位于石英窗口片處的一端部安裝有激光角度調(diào)節(jié)裝置，其上部開設(shè)有氣體入口(12)，所述氣室(4)的另一端的上部安裝有光電探測(cè)器(14)，其下部開設(shè)有氣體出口(13)，所述的光電探測(cè)器(14)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(16)的輸入端相連，所述的數(shù)據(jù)采集卡(16)與計(jì)算機(jī)(17)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能紅外甲烷氣體檢測(cè)裝置，其特征在于所述二極管激光器(I)的中心波長(zhǎng)為1.66um。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能紅外甲烷氣體檢測(cè)裝置，其特征在于所述的氣室(4)整體為中空的矩形管狀結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能紅外甲烷氣體檢測(cè)裝置，其特征在于所述的反射層為水銀反射層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種智能紅外甲烷氣體檢測(cè)裝置，其特征在于所述的激光角度調(diào)節(jié)裝置包含反射鏡(7)，該反射鏡(7)的一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸與氣室(4)的側(cè)壁活動(dòng)連接，其另一端的端部附近安裝有步進(jìn)電機(jī)(9)，該步進(jìn)電機(jī)(9)的輸出軸上安裝有盤形凸輪(8)，所述盤形凸輪(8)的邊沿與從動(dòng)桿(10)貼合接觸，所述從動(dòng)桿(10)的外面套有一圈與其同心并抽拉配合的導(dǎo)軌套(11)，該導(dǎo)軌套(11)固定在氣室⑷上，所述的步進(jìn)電機(jī)(9)經(jīng)過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(15)與數(shù)據(jù)采集卡(16)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種智能紅外甲烷氣體檢測(cè)裝置，它包含二極管激光器、激光器驅(qū)動(dòng)控制電路、氣室、激光角度調(diào)節(jié)裝置、光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)；所述激光器驅(qū)動(dòng)控制電路包含溫度控制器和電流控制器，該溫度控制器和電流控制器的輸出端分別與二極管激光器的輸入端相連，所述的二極管激光器安裝在氣室的一側(cè)，所述的氣室整體為中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的上表面和下表面為平面結(jié)構(gòu)，并在其表面上設(shè)有一層反射層。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下對(duì)甲烷氣體濃度的精確檢測(cè)，在具備一般光譜技術(shù)高選擇、快速響應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單的氣室中增加反射鏡、盤形凸輪、步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了氣體吸收光程調(diào)節(jié)范圍較大程度的改變。
文檔編號(hào)G01N21/01GK103245614SQ20131018720
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月14日
發(fā)明者喬記平, 陳燕, 秦建敏, 武媛, 楊建新, 張青蘭 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)