自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置的制造方法
【專利摘要】一種自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，它包括殼體以及設(shè)置在殼體上方的目視瞄準(zhǔn)鏡，其特征是還有設(shè)置于殼體中的集激光紅光束與激光紅外探測(cè)光束收發(fā)于一體的探頭，還包括電動(dòng)伺服云臺(tái)以及控制箱，殼體設(shè)置于電動(dòng)伺服云臺(tái)上，探頭和電動(dòng)伺服云臺(tái)以及控制箱電連接；還包括角反射器，角反射器與探頭分別置于探測(cè)光程的兩端；角反射器與殼體上層腔室中第一離軸拋物面鏡出射光束的主光線共軸。
【專利說(shuō)明】
自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本方案涉及工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體在線、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]當(dāng)前，隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，其中化工、礦產(chǎn)以及油氣開(kāi)采行業(yè)等在生產(chǎn)過(guò)程中難免產(chǎn)生易燃易爆、有毒的危險(xiǎn)性氣體，例如甲烷、一氧化碳(C0)等。危險(xiǎn)氣體一旦泄漏，導(dǎo)致爆炸和中毒，會(huì)釀成重大安全事故，造成人員和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。
[0003]基于開(kāi)放光路的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜技術(shù)(TDLAS)是當(dāng)前廣泛應(yīng)用于工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)的有效手段(如油氣開(kāi)采與化工工業(yè)等)，該技術(shù)將紅外激光束通過(guò)待測(cè)區(qū)域并收集探測(cè)，利用待測(cè)氣體對(duì)特定波長(zhǎng)或波段的吸收效應(yīng)，通過(guò)得到的紅外特征光譜可以判斷目標(biāo)待測(cè)氣體的有無(wú)并計(jì)算其濃度大小。然而，由于監(jiān)測(cè)區(qū)域較大、光程較長(zhǎng) (可達(dá)100m)且要求現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，上述技術(shù)手段存在相關(guān)光路系統(tǒng)調(diào)試對(duì)中難度大、光路受環(huán)境影響大、裝置誤報(bào)警率高，穩(wěn)定性及可靠性差等缺陷。例如在油氣資源開(kāi)發(fā)行業(yè)中的海上油氣開(kāi)采平臺(tái)上，相關(guān)儀器設(shè)備難以克服平臺(tái)不規(guī)則振動(dòng)、海平面大風(fēng)等環(huán)境因素的影響，監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性、穩(wěn)定性差，誤報(bào)警率高?，F(xiàn)有的上述國(guó)內(nèi)外檢測(cè)裝置還難以在復(fù)雜環(huán)境下得到長(zhǎng)期、可靠的使用且安裝調(diào)試難度大。因此，當(dāng)前尚缺乏基于TDLAS技術(shù)且可以有效克服光路調(diào)試對(duì)中難度大、穩(wěn)定性差、誤報(bào)警率高等缺陷的工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本方案提供一種自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，為了克服在進(jìn)行氣體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)，裝置光路安裝調(diào)試對(duì)中難度大、測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定性與可靠性差、誤報(bào)警率高等缺陷，該裝置中引入自適應(yīng)瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)，并通過(guò)合理的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將自適應(yīng)瞄準(zhǔn)用激光紅光束收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)與氣體探測(cè)用激光紅外光束收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)整合為一體，實(shí)現(xiàn)了裝置探頭對(duì)目標(biāo)角反射器的自適應(yīng)瞄準(zhǔn)與跟蹤并同時(shí)獲取低損耗的紅外探測(cè)光束能量， 最終得到高質(zhì)量的待測(cè)氣體激光紅外吸收光譜。裝置有效克服了環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響(如不規(guī)則振動(dòng)、大風(fēng)等)，降低了誤報(bào)警率，且延長(zhǎng)了裝置的人工保養(yǎng)周期，有效提升了危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性與可靠性。
[0005]—種自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，它包括殼體以及設(shè)置在殼體上方的目視瞄準(zhǔn)鏡，設(shè)置于殼體中的集激光紅光束與激光紅外探測(cè)光束收發(fā)于一體的探頭，還包括電動(dòng)伺服云臺(tái)以及控制箱，殼體設(shè)置于電動(dòng)伺服云臺(tái)上，探頭和電動(dòng)伺服云臺(tái)以及控制箱電連接;還包括角反射器，角反射器與探頭分別置于探測(cè)光程的兩端；角反射器與殼體上層腔室中第一離軸拋物面鏡出射光束的主光線共軸。
[0006]本方案的具體特點(diǎn)還有，探頭與電動(dòng)伺服云臺(tái)控制線纜中的控制線與控制箱內(nèi)的相應(yīng)電路模塊組件連接。電動(dòng)伺服云臺(tái)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式，由二軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，擁有水平和豎直方向兩個(gè)自由度。通過(guò)對(duì)電動(dòng)伺服云臺(tái)內(nèi)伺服電機(jī)的控制可以實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)與俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固定其上的探頭的方位調(diào)節(jié)。
[0007]殼體包括殼體上層腔室與殼體下層腔室。在殼體下層腔室中設(shè)置波分復(fù)用器、紅光指示光源、光纖分束器、參考?xì)馐?、紅外光電探測(cè)器以及可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器。在殼體上層腔室中設(shè)置第一離軸拋物面反射鏡、第二離軸拋物面反射鏡、第三拋物面反射鏡、反射光柵、紅外光反射鏡、紅外光電探測(cè)器以及四象限光電探測(cè)器。紅外光電探測(cè)器、四象限光電探測(cè)器、激光器的控制線纜由探頭引出并與控制箱內(nèi)的相應(yīng)電路模塊組件連接。
[0008]殼體下層腔室中可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器出射的光束經(jīng)光纖分束器分為三路，其中一路光能與紅光指示光源的出射光經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器耦合進(jìn)入同一光纖，并通過(guò)FC/APC接頭以數(shù)值孔徑為0.14大小的光束入射進(jìn)入殼體上層腔室中，F(xiàn)C/APC接頭位于第一離軸拋物面反射鏡的焦點(diǎn)附近，光束經(jīng)由殼體上層腔室中的第一離軸拋物面反射鏡的反射折轉(zhuǎn)和準(zhǔn)直后出射，向著角反射器傳播。一路通過(guò)參考?xì)馐液笳丈涞郊t外光電探測(cè)器的光敏面上并引發(fā)光電流信號(hào)，該路光電信號(hào)作為氣體吸收特征譜線識(shí)別、氣體濃度定量的參考;另一路直接照射到紅外光電探測(cè)器的光敏面上并引發(fā)光電流信號(hào)，作為探測(cè)光電信號(hào)歸一化的參考。 由角反射器反射回來(lái)的光能入射到殼體上層腔室光路結(jié)構(gòu)中反射光柵的表面?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光器出射的紅外探測(cè)光與紅光指示光源出射的指示紅光經(jīng)反射光柵被分離;指示紅光經(jīng)過(guò)第二拋物面反射鏡的反射后聚焦到四象限光電探測(cè)器的探測(cè)面上并引發(fā)光電流信號(hào)； 紅外探測(cè)光經(jīng)紅外探測(cè)光反射鏡與第三拋物面反射鏡的兩次反射后聚焦到紅外光電探測(cè)器的探測(cè)面上并引發(fā)光電流信號(hào)。
[0009]角反射器通光口徑為100毫米。第一離軸拋物面反射鏡通光口徑為19.8毫米，其傾斜放置，其法線方向與探頭主光軸方向夾角為45°，其在垂直于探頭主光軸的平面上的投影為一直徑為14毫米的圓形區(qū)域，對(duì)反射光柵產(chǎn)生的遮擋小于2.5%。[〇〇1〇]如圖2所示，反射光柵中心位于第一離軸拋物面反射鏡中心右側(cè)53毫米處，反射光柵的通光孔徑為100毫米，其刻痕密度為0.2線/微米，反射光柵以與x軸方向所夾銳角52°的方位放置，反射光柵的光柵刻痕面朝向y軸正方向。
[0011]其中第二拋物面反射鏡的通光口徑為88.1毫米，其中心位于反射光柵中心x軸負(fù)方向10.2毫米、y軸正方向178.8毫米處，焦點(diǎn)位于反射光柵中心x軸正方向104.6毫米、y軸正方向54.4毫米處。
[0012]四象限光電探測(cè)器置于紅外光束會(huì)聚焦點(diǎn)之前，其中心位于第二離軸拋物面反射鏡x軸正方向103.2毫米、y軸負(fù)方向112.1毫米處，使得指示紅光的光斑大小與四象限光電探測(cè)器的光敏面大小一致。[〇〇13]紅外探測(cè)光反射鏡的通光口徑為41.4毫米，其中心位于反射光柵中心x軸正方向 75.5毫米、y軸正方向217.4毫米，法線方向與x軸正方向夾角101°。第三拋物面反射鏡的通光口徑為42.5毫米，其中心位于反射光柵中心x軸正方向62.5毫米，y軸負(fù)方向45.1毫米處， 焦點(diǎn)位于反射光柵中心x軸正方向92.1毫米、y軸負(fù)方向0.3毫米處。
[0014]控制箱內(nèi)設(shè)置有可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器溫度控制電路、溫度傳感芯片、壓力傳感芯片、微控制器、電動(dòng)伺服云臺(tái)控制電路、光電探測(cè)器數(shù)據(jù)采集電路以及顯示報(bào)警模塊。電源為整個(gè)裝置提供電力供應(yīng)。
[0015]四象限光電探測(cè)器將照射到其表面的光能分布情況轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)其內(nèi)部前置放大電路、濾波電路、二級(jí)放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換器后將最終所得數(shù)字信號(hào)發(fā)送給微控制器。微控制器對(duì)信息進(jìn)行處理后，首先控制電動(dòng)伺服云臺(tái)內(nèi)二軸伺服電機(jī)的動(dòng)作，以5度/步的精度對(duì)探頭方位進(jìn)行粗調(diào)節(jié)。然后，基于此調(diào)節(jié)結(jié)果，紅外光電探測(cè)器獲取紅外探測(cè)光并產(chǎn)生成紅外光電信號(hào)，光電探測(cè)器數(shù)據(jù)采集電路將其轉(zhuǎn)化為微控制器可接收、識(shí)別的數(shù)字信號(hào)并傳送給微控制器。微控制器結(jié)合爬山算法，以特征吸收峰信噪比、譜線線型等作為目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)，以〇.2度/步的精度對(duì)探頭進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，直到目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)達(dá)到最大值，即完成對(duì)探頭的調(diào)節(jié)，此時(shí)所得光譜信號(hào)將達(dá)到最佳。
[0016]可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路模塊在微控制器的控制下輸出驅(qū)動(dòng)掃描電流，驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器輸出激光束?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光器溫度控制電路在微控制器的控制下實(shí)時(shí)感知可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的工作溫度并輸出反饋電流，穩(wěn)定可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的工作溫度。溫度傳感芯片與壓力傳感芯片實(shí)時(shí)感知環(huán)境溫度與壓力，并將反饋信號(hào)傳送到微控制器，用于氣體濃度定量計(jì)算溫度、壓力補(bǔ)償。微控制器通過(guò)顯示、報(bào)警模塊將實(shí)時(shí)測(cè)量得到的環(huán)境壓力、溫度以及待測(cè)氣體濃度進(jìn)行顯示，并在氣體濃度超過(guò)預(yù)定報(bào)警值時(shí)報(bào)警。
[0017]自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置的有益效果是:(1)裝置中的自適應(yīng)反射式探測(cè)設(shè)備在光程的一端放置角反射器，作為發(fā)射光束的反射目標(biāo)，光程另一端為光束收、發(fā)一體的探測(cè)探頭。裝置不但無(wú)需無(wú)線通訊，易于安裝和維護(hù)，還使吸收光程擴(kuò)大1倍，提高了裝置的探測(cè)靈敏度，氣體濃度檢出限可達(dá)到50ppm;(2)裝置中引入自適應(yīng)控制系統(tǒng)，保證了探頭對(duì)角反射器的實(shí)時(shí)跟蹤瞄準(zhǔn)，可以有效克服現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中各種不利因素(如大風(fēng)、振動(dòng)等)對(duì)裝置監(jiān)測(cè)性能的影響，大大提高了裝置在惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的適用性，有利于監(jiān)測(cè)裝置在不同工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下的應(yīng)用推廣；(3)自適應(yīng)控制系統(tǒng)將傳統(tǒng)的光學(xué)跟蹤瞄準(zhǔn)控制方法與光譜分析方法相結(jié)合，將跟蹤瞄準(zhǔn)控制過(guò)程分為粗調(diào)節(jié)與精細(xì)調(diào)節(jié)兩個(gè)過(guò)程。粗調(diào)節(jié)通過(guò)傳統(tǒng)的四象限光電探測(cè)器的反饋信號(hào)對(duì)探頭的水平轉(zhuǎn)動(dòng)和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行粗調(diào)節(jié);精細(xì)調(diào)節(jié)基于獲取的光譜，提取待測(cè)氣體的特征吸收譜線，將譜線的信噪比、譜線線型等參數(shù)作為調(diào)節(jié)的評(píng)價(jià)函數(shù)。這種控制調(diào)節(jié)方式通過(guò)粗調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)探頭的快速校準(zhǔn)，響應(yīng)時(shí)間小于3s，同時(shí)充分考慮到探頭所獲取探測(cè)光譜的質(zhì)量，并通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)使其達(dá)到最佳，在對(duì)探頭進(jìn)行快速調(diào)節(jié)的同時(shí)，有效避免了所獲取光譜數(shù)據(jù)的失真，保證了氣體測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，測(cè)量值的波動(dòng)低于滿量程的5%;(4)探頭中集成有紅光指示光源，并通過(guò)波分復(fù)用器與紅外探測(cè)光束耦合進(jìn)入同一根光纖，經(jīng)由離軸拋物面反射鏡折轉(zhuǎn)、準(zhǔn)直出射。兩種波段的光束沿相同的光路傳播，且在出射過(guò)程中不產(chǎn)生色差，使得指示紅光光束的空間傳輸分布特性可以完全表征紅外探測(cè)光束的空間傳輸分布特性?；诖诵Ч?，可以采用指示紅光作為裝置瞄準(zhǔn)對(duì)中的參考光束，克服紅外光束無(wú)法被人肉眼識(shí)別的缺點(diǎn)。例如，探頭上設(shè)置有目視瞄準(zhǔn)鏡，指示紅光通過(guò)光路另一端的角反射器反射之后被目視瞄準(zhǔn)鏡接收，操作者通過(guò)觀察瞄準(zhǔn)鏡中紅光的亮度，可以粗略判斷探頭與角反射器的對(duì)中狀態(tài)。這種設(shè)計(jì)方式一方面方便裝置設(shè)備安裝人員在初次裝置裝調(diào)時(shí)，完成對(duì)探測(cè)光路的初步對(duì)中安裝;另一方面在裝置正常使用時(shí)，方便維護(hù)人員對(duì)裝置對(duì)中狀態(tài)的檢查，提高對(duì)裝置的維護(hù)效率；(5)裝置探頭光路結(jié)構(gòu)采用反射光柵將紅外探測(cè)光束與指示紅光進(jìn)行分離，由于反射光柵以一級(jí)衍射作為主要分光手段，分光的同時(shí)有效減小了信號(hào)光能量的損失，使得信號(hào)光能的損失低于12dB;(6)上層模塊中的離軸拋物面反射鏡對(duì)光束進(jìn)行折轉(zhuǎn)的同時(shí)還起到了會(huì)聚作用，該種設(shè)計(jì)有效減少了光路中的元器件數(shù)量，同時(shí)使得光路排布緊湊，充分利用空間，有效減小了結(jié)構(gòu)體積，使得裝置探頭長(zhǎng)小于300毫米，寬小于250毫米，高小于200毫米，探頭體積小、質(zhì)量輕，其在步進(jìn)電機(jī)的控制下可以靈活動(dòng)作；(7)探頭中集成有參考?xì)馐摇毫鞲行酒c溫度傳感芯片，參考?xì)馐抑谐溆幸欢ㄒ阎獫舛鹊臉?biāo)準(zhǔn)待測(cè)氣體，裝置將參考?xì)馐业墓庾V信號(hào)作為對(duì)待測(cè)氣體特征吸收譜線識(shí)別和氣體濃度計(jì)算的參考，同時(shí)，壓力傳感芯片與溫度傳感芯片實(shí)時(shí)獲取檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)大氣壓強(qiáng)與溫度，并將其反饋給微控制器，作為氣體濃度計(jì)算時(shí)壓力、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖家罁?jù)。此設(shè)置，有效提高了裝置對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)性，保證了氣體濃度計(jì)算的準(zhǔn)確度。有效保證了氣體濃度計(jì)算誤差低于滿量程的5%;(8)裝置通過(guò)自適應(yīng)跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)保證探測(cè)光路的對(duì)中瞄準(zhǔn)，通過(guò)參考?xì)馐液蜏囟?、壓力傳感芯片消除環(huán)境變化對(duì)氣體計(jì)算結(jié)果的干擾。裝置通過(guò)這些手段，將誤報(bào)警率降低了 30%，有力保證了其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效性，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了安裝即忘記的低成本維護(hù)方式?！靖綀D說(shuō)明】
[0018]圖1為裝置自適應(yīng)反射式光路示意圖。圖2為裝置探頭殼體上層腔室俯視示意圖。 圖中:1-目視瞄準(zhǔn)鏡;2-殼體;3-殼體上層腔室;4-殼體下層腔室;5-光纖FC/APC接頭;6-波分復(fù)用器;7-紅光指示光源;8-分束器;9-參考?xì)馐遥?0-紅外光電探測(cè)器；11-可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器；12-殼體下層腔室信號(hào)線纜；13-電動(dòng)伺服云臺(tái)控制線纜；14-殼體上層腔室信號(hào)線纜；15-電動(dòng)伺服云臺(tái)；16-角反射器。其中，光纖FC/APC接頭5、波分復(fù)用器6、紅光指示光源 7、分束器8、參考?xì)馐?、紅外光電探測(cè)器10以及可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器11位于殼體下層腔室4 中。殼體下層腔室4中的紅外探測(cè)光與指示紅光通過(guò)光纖FC/APC接頭5入射到殼體上層腔室 3。18-第一離軸拋物面反射鏡；19-第一離軸拋物面反射鏡固定支架;20-反射光柵;21-第二離軸拋物面鏡；22-紅外探測(cè)光反射鏡；23-第三離軸拋物面反射鏡；24-紅外光電探測(cè)器； 25-四象限光電探測(cè)器。
[0019]圖3為裝置控制箱示意圖。其中有顯示報(bào)警模塊、電源、光電探測(cè)器數(shù)據(jù)采集電路、 電動(dòng)伺服云臺(tái)控制電路、微控制器、激光器驅(qū)動(dòng)電路、激光器溫度控制電路、溫度傳感芯片以及壓力傳感芯片。
[0020]圖4為裝置自適應(yīng)反射式光路初始對(duì)中安裝粗調(diào)節(jié)示意圖。操作者首先將探頭安裝固定到電動(dòng)伺服云臺(tái)15上，然后在目視瞄準(zhǔn)鏡1中觀察由角反射器反射回來(lái)的指示紅光并改變殼體2方位，當(dāng)操作者觀察到的紅光達(dá)到最亮?xí)r，固定電動(dòng)伺服云臺(tái)15和殼體2方位， 以此作為對(duì)殼體2進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的起始方位，即完成光路的初始安裝調(diào)節(jié)。
[0021]圖5為裝置探頭自適應(yīng)控制示意圖。其中指示紅光信號(hào)與紅外探測(cè)信號(hào)經(jīng)收集、會(huì)聚后分別照射到四象限光電探測(cè)器與紅外光電探測(cè)器的光敏面上;兩光電探測(cè)器產(chǎn)生的光電流信號(hào)分別通過(guò)前置放大電路、濾波電路、二級(jí)放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路后被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳送給微控制器;微控制器通過(guò)對(duì)電動(dòng)伺服云臺(tái)內(nèi)伺服電機(jī)的控制可以實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的水平轉(zhuǎn)動(dòng)與俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固定其支架接口上的探頭的方位調(diào)節(jié)?！揪唧w實(shí)施方式】
[0022]如圖1?圖3所示，一種自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，它包括:目視瞄準(zhǔn)鏡1、殼體2、設(shè)置于殼體2中的集激光紅光束與激光紅外探測(cè)光束收發(fā)于一體的探頭、電動(dòng)伺服云臺(tái)15以及控制箱。探頭安裝固定于電動(dòng)伺服云臺(tái)15之上。探頭與電動(dòng)伺服云臺(tái)15控制線纜中的控制線與控制箱內(nèi)的相應(yīng)電路模塊組件連接。電動(dòng)伺服云臺(tái)15采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式，由二軸伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，擁有水平和豎直方向兩個(gè)自由度。通過(guò)對(duì)電動(dòng)伺服云臺(tái)15內(nèi)伺服電機(jī)的控制可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)伺服云臺(tái)15的水平轉(zhuǎn)動(dòng)與俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)固定其上的殼體2的方位調(diào)節(jié)。
[0023]如圖1所示，自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置還包括角反射器 16,角反射器16與探頭分別置于探測(cè)光程的兩端，兩者相距100米。殼體2包括殼體上層腔室 3與殼體下層腔室4。殼體下層腔室4中包括波分復(fù)用器6、紅光指示光源7、分束器8、參考?xì)馐?、紅外光電探測(cè)器10以及可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器11。殼體下層腔室4包括第一離軸拋物面反射鏡18、第二離軸拋物面反射鏡21、第三離軸拋物面反射鏡23、反射光柵20、紅外光反射鏡22、紅外光電探測(cè)器24以及四象限光電探測(cè)器25。
[0024]如圖1所示，為了便于探頭的初始安裝，裝置的殼體下層腔室4中集成了紅光指示光源7,并通過(guò)波分復(fù)用器6將其紅光光束耦合進(jìn)入殼體上層腔室3中的光路中。尾纖端面通過(guò)光纖FC/APC接頭5固定到殼體上層腔室3中。操作者開(kāi)啟控制箱內(nèi)的裝置電源，打開(kāi)紅光指示光源7,紅光光束經(jīng)尾纖端面以0.14的數(shù)值孔徑出射。如圖2所示，光纖FC/APC接頭5的尾纖端面置于第一離軸拋物面反射鏡18的焦點(diǎn)附近，出射的紅光光束經(jīng)過(guò)第一離軸拋物面反射鏡18折轉(zhuǎn)、準(zhǔn)直后繼續(xù)向著光程另一端的圖1中角反射器16傳播。由于光束出射端面與第一離軸拋物面反射鏡18的焦點(diǎn)并未完全重合，射向圖1中角反射器16的光束將保留有微小的發(fā)散角，當(dāng)指示紅光光束到達(dá)圖1中角反射器16時(shí)，其光斑大小與圖1中角反射器16口徑大小相等。入射光束經(jīng)圖1中角反射器16反射后，以相同的微小發(fā)散角出射，反射回來(lái)的光束到達(dá)探頭時(shí)，其光斑直徑大小大于收發(fā)單元口徑與圖1中目視瞄準(zhǔn)鏡1 口徑之和。此紅光光束經(jīng)圖1中角反射器16反射后大部分光能被探頭殼體上層腔室3收集，小部分光能進(jìn)入圖1中目視瞄準(zhǔn)鏡1。
[0025]如圖4所示，操作者首先將殼體2安裝固定到電動(dòng)伺服云臺(tái)15上，然后在目視瞄準(zhǔn)鏡1中觀察由角反射器16反射回來(lái)的指示紅光并改變探頭方位，當(dāng)操作者觀察到的紅光達(dá)到最亮?xí)r，固定電動(dòng)伺服云臺(tái)15和殼體2的方位，以此作為對(duì)殼體2進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的起始方位，即完成光路的初始安裝調(diào)節(jié)。
[0026]如圖1所示，操作者開(kāi)啟可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器11、電動(dòng)伺服云臺(tái)15以及控制箱內(nèi)各電路模塊組件。位于殼體下層腔室4中的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器11輸出的紅外探測(cè)光束經(jīng)過(guò)其尾纖到達(dá)分束器8,并被分成三路。一路直接照射到紅外光電探測(cè)器上10;—路進(jìn)入?yún)⒖細(xì)馐?; 一路經(jīng)波分復(fù)用器6與紅光指示光源7輸出的紅光光束耦合進(jìn)入同一根光纖，并經(jīng)固定在殼體上層腔室3上的FC/APC接頭5端面，以0.14的數(shù)值孔徑出射。如圖2所示，與指示紅光光束一樣，紅外探測(cè)光經(jīng)過(guò)第一離軸拋物面反射鏡18折轉(zhuǎn)、準(zhǔn)直后射向光程另一端圖1中的角反射器16,到達(dá)圖1中的角反射器16后反射回來(lái)并進(jìn)入圖1中探頭的殼體上層腔室3中。
[0027]如圖2所示，被圖1中的角反射器16反射回來(lái)的指示紅光光束與紅外探測(cè)光束照射到反射光柵20表面，由于反射光柵20的分光性質(zhì)，裝置所采用的這兩種不同波長(zhǎng)的光束被分離開(kāi)來(lái)。指示紅光光束射向第二離軸拋物面反射鏡21并被準(zhǔn)直、會(huì)聚后照射到四象限光電探測(cè)器25表面，產(chǎn)生光電流信號(hào)。紅外探測(cè)光束先射向紅外探測(cè)光反射鏡22,折轉(zhuǎn)后射向第三離軸拋物面反射鏡23,并被準(zhǔn)直、會(huì)聚后照射到紅外光電探測(cè)器24表面，產(chǎn)生光電流信號(hào)。[〇〇28]如圖2所示，反射光柵20中心位于第一離軸拋物面反射鏡18中心x軸正方向53毫米處，反射光柵20的通光孔徑為100毫米，其刻痕密度為0.2線/微米，反射光柵20以與x軸方向所夾銳角52°的方位放置，反射光柵20的光柵刻痕面朝向y軸正方向。第一離軸拋物面反射鏡通光口徑為19.8毫米，其傾斜放置，其反射面法線方向與x軸負(fù)方向夾角為45°，其在垂直于x軸的平面上的投影為一直徑為14毫米的圓形區(qū)域，對(duì)反射光柵20產(chǎn)生的遮擋小于2.5%。 圖1中可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器11出射的紅外探測(cè)光與紅光指示光源出射的指示紅光經(jīng)反射光柵20被分離，指示紅光經(jīng)過(guò)第二拋物面反射鏡21的反射后聚焦到四象限光電探測(cè)器25的探測(cè)面上并引發(fā)光電流信號(hào)，其中第二拋物面反射鏡21的通光口徑為88.1毫米，其中心位于反射光柵20中心x軸負(fù)方向10.2毫米、y軸正方向178.8毫米處，焦點(diǎn)位于反射光柵20中心x 軸正方向104.6毫米、y軸正方向54.4毫米處。四象限光電探測(cè)器25置于紅外光束會(huì)聚焦點(diǎn)之前，其中心位于第二離軸拋物面反射鏡21中心x軸正方向103.2毫米、y軸負(fù)方向112.1毫米處，使得指示紅光的光斑大小與四象限光電探測(cè)器25的光敏面大小一致。紅外探測(cè)光經(jīng)紅外探測(cè)光反射鏡22與第三離軸拋物面反射鏡23的兩次反射后聚焦到紅外光電探測(cè)器24 的探測(cè)面上并引發(fā)光電流信號(hào)，其中紅外探測(cè)光反射鏡22的通光口徑為41.4毫米，其中心位于反射光柵中心x軸正方向75.5毫米、y軸正方向217.4毫米，法線方向與x軸正方向夾角 101°。第三離軸拋物面反射鏡23的通光口徑為42.5毫米，其中心位于反射光柵20中心x軸正方向62.5毫米，y軸負(fù)方向45.1毫米處，焦點(diǎn)位于反射光柵20中心x軸正方向92.1毫米、y軸負(fù)方向0.3毫米處。[0〇29]以圖2中的坐標(biāo)軸所表不的方向作為參考方向，并將反射光柵20上主光線入射點(diǎn)作為原點(diǎn)，單位為毫米，第二離軸拋物面反射鏡21上主光線入射點(diǎn)的坐標(biāo)為(-10.2， 178.8)，其出射主光線的方向向量可表示為(0.68,-0.73);紅外探測(cè)光反射鏡22上主光線入射點(diǎn)的坐標(biāo)為(75.5,217.4)，其出射主光線的方向向量可表示為(0.05,0.999);第三離軸拋物面反射鏡23上主光線入射點(diǎn)的坐標(biāo)為(62.5,-45.1)，其出射主光線的方向向量可表示為(0.55，0.83);四象限光電探測(cè)器25中心與紅外光電探測(cè)器24中心的坐標(biāo)分別為(93， 66.7)與(92，-0.3)，兩探測(cè)器光敏面法線方向分別與第二離軸拋物面反射鏡21和第三離軸拋物面反射鏡23出射光束的主光線方向一致。
[0030]圖2中紅外光電探測(cè)器24、四象限光電探測(cè)器25、圖1中可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器11的控制線纜由探頭引出并與圖3中控制箱內(nèi)的相應(yīng)電路模塊組件連接。[0031 ]若在開(kāi)放光程中存在待測(cè)氣體，紅外探測(cè)光束的部分能量將在光程中被吸收，最終表現(xiàn)出相應(yīng)的特征吸收峰，并作為氣體濃度計(jì)算的原始光譜數(shù)據(jù)。如圖1所示，直接照射到紅外光電探測(cè)器10上的一路光束所產(chǎn)生的光電流信號(hào)作為待測(cè)氣體吸收光譜的歸一化參考，用于消除可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器11輸出光能的抖動(dòng)所帶來(lái)的影響。通過(guò)參考?xì)馐?的一路光源所產(chǎn)生的光電流信號(hào)作為待測(cè)氣體濃度計(jì)算的參考標(biāo)準(zhǔn)，用于對(duì)待測(cè)氣體的濃度進(jìn)行精確反演計(jì)算。
[0032]如圖3所示，控制箱內(nèi)的壓力傳感芯片與溫度傳感芯片實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的大氣壓強(qiáng)與環(huán)境溫度，并將測(cè)得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給微控制器，作為氣體濃度計(jì)算時(shí)壓力、溫度補(bǔ)償修正的參考依據(jù)。微控制器最終計(jì)算得出待測(cè)氣體濃度，并通過(guò)顯示、報(bào)警模塊進(jìn)行顯示。 當(dāng)待測(cè)氣體濃度超過(guò)預(yù)設(shè)預(yù)警值時(shí)，則顯示、報(bào)警模塊將對(duì)險(xiǎn)情進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。
[0033]如圖5所示，四象限光電探測(cè)器將照射到其表面的光能分布情況轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 經(jīng)過(guò)其內(nèi)部前置放大電路、濾波電路、二級(jí)放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換器后將最終所得數(shù)字信號(hào)發(fā)送給微控制器。微控制器對(duì)信息進(jìn)行處理后，首先控制電動(dòng)伺服云臺(tái)內(nèi)二軸伺服電機(jī)的動(dòng)作，以5度/步的精度對(duì)探頭方位進(jìn)行粗調(diào)節(jié)。然后，基于此調(diào)節(jié)結(jié)果，紅外光電探測(cè)器獲取紅外探測(cè)光并產(chǎn)生成紅外光電信號(hào)，光電探測(cè)器數(shù)據(jù)采集電路將其轉(zhuǎn)化為微控制器可接收、識(shí)別的數(shù)字信號(hào)并傳送給微控制器。微控制器結(jié)合爬山算法，以特征吸收峰信噪比、譜線線型等作為目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)，以〇.2度/步的精度對(duì)探頭進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，直到目標(biāo)評(píng)價(jià)函數(shù)達(dá)到最大值，即完成對(duì)探頭的調(diào)節(jié)，此時(shí)所得光譜信號(hào)將達(dá)到最佳。[〇〇34]該自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置的原理樣機(jī)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)半年的試驗(yàn)運(yùn)行表明，該種裝置有效克服了監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的各種環(huán)境因素干擾，實(shí)時(shí)保持探測(cè)光路的對(duì)中瞄準(zhǔn)，并獲取高質(zhì)量的光譜數(shù)據(jù)。裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)待測(cè)氣體(如甲烷、乙炔等)濃度計(jì)算偏差與波動(dòng)均低于滿量程的5%，誤報(bào)警率與同類開(kāi)路式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置相比，降低了 30%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，它包括殼體以及設(shè)置在殼 體上方的目視瞄準(zhǔn)鏡，其特征是還有設(shè)置于殼體中的集激光紅光束與激光紅外探測(cè)光束收 發(fā)于一體的探頭，還包括電動(dòng)伺服云臺(tái)以及控制箱，殼體設(shè)置于電動(dòng)伺服云臺(tái)上，探頭和電 動(dòng)伺服云臺(tái)以及控制箱電連接;還包括角反射器，角反射器與探頭分別置于探測(cè)光程的兩 端;角反射器與殼體上層腔室中第一離軸拋物面鏡出射光束的主光線共軸。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，其特征 是殼體包括殼體上層腔室與殼體下層腔室;在殼體下層腔室中設(shè)置波分復(fù)用器、紅光指示 光源、光纖分束器、參考?xì)馐?、紅外光電探測(cè)器以及可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器;在殼體上層腔室 中設(shè)置第一離軸拋物面反射鏡、第二離軸拋物面反射鏡、第三拋物面反射鏡、反射光柵、紅 外光反射鏡、紅外光電探測(cè)器以及四象限光電探測(cè)器;紅外光電探測(cè)器、四象限光電探測(cè) 器、激光器的控制線纜由探頭引出并與控制箱內(nèi)的相應(yīng)電路模塊組件連接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，其特征 是殼體下層腔室中可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器出射的光束經(jīng)光纖分束器分為三路，其中一路光能 與紅光指示光源的出射光經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器耦合進(jìn)入同一光纖，并通過(guò)FC/APC接頭以數(shù)值孔 徑為0.14大小的光束入射進(jìn)入殼體上層腔室中，F(xiàn)C/APC接頭位于第一離軸拋物面反射鏡的 焦點(diǎn)附近，光束經(jīng)由殼體上層腔室中的第一離軸拋物面反射鏡的反射折轉(zhuǎn)和準(zhǔn)直后出射， 向著角反射器傳播;另一路通過(guò)參考?xì)馐液笳丈涞郊t外光電探測(cè)器的光敏面上并引發(fā)光電 流信號(hào)，該路光電信號(hào)作為氣體吸收特征譜線識(shí)別、氣體濃度定量的參考;還有一路直接照 射到紅外光電探測(cè)器的光敏面上并引發(fā)光電流信號(hào)，作為探測(cè)光電信號(hào)歸一化的參考；由 角反射器反射回來(lái)的光能入射到殼體上層腔室光路結(jié)構(gòu)中反射光柵的表面;可調(diào)諧半導(dǎo)體 激光器出射的紅外探測(cè)光與紅光指示光源出射的指示紅光經(jīng)反射光柵被分離;指示紅光經(jīng) 過(guò)第二拋物面反射鏡的反射后聚焦到四象限光電探測(cè)器的探測(cè)面上并引發(fā)光電流信號(hào);紅 外探測(cè)光經(jīng)紅外探測(cè)光反射鏡與第三拋物面反射鏡的兩次反射后聚焦到紅外光電探測(cè)器 的探測(cè)面上并引發(fā)光電流信號(hào)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，其特征 是角反射器通光口徑為100毫米。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，其特征 是第一離軸拋物面反射鏡的通光口徑為19.8毫米;第一離軸拋物面鏡傾斜放置，其反射面 法線方向與探頭主光軸方向夾角為45°，其在垂直于探頭主光軸的平面上的投影為一直徑 為14毫米的圓形區(qū)域，對(duì)反射光柵產(chǎn)生的遮擋小于2.5%。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，其特征 是反射光柵中心位于第一離軸拋物面反射鏡中心右側(cè)53毫米處，反射光柵的通光孔徑為 100毫米，刻痕密度為0.2線/微米，反射光柵的光柵平面與x軸方向夾角52°放置。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，其特征 是其中第二拋物面反射鏡的通光口徑為88.1毫米，其中心位于反射光柵中心x軸負(fù)方向 10.2毫米、y軸正方向178.8毫米處，焦點(diǎn)位于反射光柵中心x軸正方向104.6毫米、y軸正方 向54.4毫米處;第三拋物面反射鏡的通光口徑為42.5毫米，其中心位于反射光柵中心x軸正 方向62.5毫米，y軸負(fù)方向45.1毫米處，焦點(diǎn)位于反射光柵中心x軸正方向92.1毫米、y軸負(fù) 方向0.3毫米處。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，其特征 是四象限光電探測(cè)器置于紅外光束會(huì)聚焦點(diǎn)之前，其中心位于第二離軸拋物面反射鏡x軸 正方向103.2毫米、y軸負(fù)方向112.1毫米處，使得指示紅光的光斑大小與四象限光電探測(cè)器 的光敏面大小一致。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自適應(yīng)反射式紅外激光工業(yè)危險(xiǎn)泄漏氣體監(jiān)測(cè)裝置，其特征 是紅外探測(cè)光反射鏡的通光口徑為41.4毫米，其中心位于反射光柵中心x軸正方向75.5毫 米、y軸正方向217.4毫米，法線方向與x軸正方向夾角101°。
【文檔編號(hào)】G01N21/39GK106018339SQ201610535412
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月8日
【發(fā)明人】王寅, 魏玉賓, 趙維崧, 張婷婷, 胡杰, 劉統(tǒng)玉
【申請(qǐng)人】山東微感光電子有限公司