CN117825327A - 具有等光程高分辨率多气体激光传感器及多气体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有等光程高分辨率多气体激光传感器，包括红外激光光源、气室骨架和光电探测器，红外激光光源包括多个激光发射器，气室骨架包括正多边形的气室腔体，且正多边形的气室腔体的边数为4n+2；气室腔体的侧壁包括平面反射面和非反射面，平面反射面与非反射面间隔设置；多个所述激光发射器非同时工作，且激光发射器发射的光线进入气室腔体，经若干平面反射面依次反射，并发射至光电探测器。本发明通过内置多个不同波长的窄线宽红外激光光源，同时兼顾激光传感器的高选择性和多目标气体种类；气体传感器采用4n+2正多边形结构的气室骨架，在光线反射次数较少的前提下进一步提高光程长度，同时兼顾传感器的高分辨率和高探测效率。

Description

具有等光程高分辨率多气体激光传感器及多气体检测方法

技术领域

本发明涉及气体传感器技术领域，具体的说，是涉及一种具有等光程高分辨率多气体激光传感器及多气体检测方法。

背景技术

激光气体传感器具有响应速度快、可靠性高、选择性好、精度高、无中毒和损耗现象、无需频繁标定、无误报、抗干扰能力强、使用寿命长、对氧气不依赖等优点，其会适用于生产生活的各个领域，在气体传感器领域具有重要市场应用前景。激光气体传感器是基于TDLAS原理的气体传感技术，其原理为：每种待测气体都有一个固有的分子振动、转动频率，从而对特定频率/波长的红外激光信号具有吸收作用，被大家普遍称为气体的特征吸收光谱，当激光器发射的激光信号通过待测气体时，如果激光器发射的激光波长与待测气体的特征吸收光谱重合，则激光器发射出的激光信号会被待测气体吸收，且光吸收强度与气体分子浓度的关系满足朗伯-比尔定律。因此，通过探测红外激光与待测气体分子相互作用后特定波长光吸收强度的变化，即可实现对特定气体浓度的精确检测。

高选择性是激光气体传感器的一个重要指标。高选择性是指激光气体传感器只对待测目标气体有响应，对其它气体无响应，这是由于激光的单色性好，激光气体传感器内置激光器发射出的激光线宽窄，只会覆盖目标气体的特征吸收光谱。因此，现有的激光气体传感器满足了很高的选择性时，却只能测一种待测气体，无法兼顾高选择性和检测多种待测气体。

气体浓度分辨率是激光气体传感器的另一个重要指标。气体浓度分辨率指的是能够有效的分辨出两个相邻气体浓度的差值，差值越小，传感器探测精度越高。根据朗伯比尔定律，光吸收强度与气体分子的浓度和光吸收光程长度相关。在气体浓度相等的条件下，光程越长，光吸收越强，同等大小的光吸收强度对应的气体浓度的变化量越小，传感器探测精度越高。尽管目前市场上的激光传感器结构样式多种多样，在有限的反射次数下，激光气体传感器光程长度也大多只在25-40mm范围内。

以上问题，值得解决。

发明内容

为了克服现有气体激光传感器无法兼顾高选择性和检测多种待测气体，也无法满足高探测精度需求的问题，本发明提供一种具有等光程高分辨率多气体激光传感器及多气体检测方法，能够同时兼顾激光传感器的高选择性和多目标气体种类，还能同时兼顾传感器的高分辨率和高探测效率，提高了激光气体传感器的性能。

本发明技术方案如下所述：

具有等光程高分辨率多气体激光传感器，包括红外激光光源、气室骨架和光电探测器，其特征在于，所述红外激光光源包括多个激光发射器；

所述气室骨架包括正多边形的气室腔体，且正多边形的所述气室腔体的边数为4n+2，所述气室腔体的侧壁设有2n+1个平面反射面，且每间隔一个侧壁设置一个所述平面反射面，n为大于1的整数；

多个所述激光发射器非同时工作，且所述激光发射器发射的光线进入所述气室腔体，经若干平面反射面依次反射两轮，最后发射至所述光电探测器。

根据上述方案的本发明，所述气室骨架包括正六边形的气室腔体，该气室腔体的侧壁间隔设置有第一平面反射面、第二平面反射面和第三平面反射面；第一平面反射面与第二平面反射面的夹角、第二平面反射面与第三平面反射面的夹角、第三平面反射面与第一平面反射面的夹角均为60°。

进一步的，还包括上反射板，所述上反射板设有斜面反射面和抛物面反射面；所述斜面反射面的出射光依次经过第一平面反射面、第二平面反射面、第三平面反射面、第一平面反射面、第二平面反射面、第三平面反射面后，入射到所述抛物面反射面。

更进一步的，光线在所述第一平面反射面的第一个入射点位于第一平面反射面靠近红外激光光源一侧的半区域内，光线在所述第一平面反射面的第二个入射点位于第一平面反射面另一侧的半区域内。

进一步的，所述斜面反射面垂直于第一个平面反射面和最后一个平面反射面之间的夹面，以使得所述斜面反射面的出射光平行于该夹面。

进一步的，所述第一平面反射面的中点与所述第三平面反射面的中点的连线所在垂直面，在气室腔体内划分出用于布置红外激光光源的特定区域。

根据上述方案的本发明，平面反射面为表面镀金的硅片，且硅片与所述气室骨架可拆卸连接。

进一步的，所述气室骨架的侧壁对应平面反射面处设有打胶孔。

进一步的，所述斜面反射面和所述抛物面反射面的表面均镀有金、银、二氧化钛、五氧化二钒、二氧化硅、氧化镁或氮化硅。

根据上述方案的本发明，所述上反射板设有限位凸块，所述气室骨架设有限位凹槽，所述限位凹槽与所述限位凸块适配。

根据上述方案的本发明，还包括电路板，所述电路板与多个所述激光发射器连接，以控制多个激光发射器发出红外光线。

根据上述方案的本发明，还包括外防护罩，所述外防护罩的顶部设有上下贯穿的透气孔。

本发明还提供一种多气体检测方法，采用上述方案的具有等光程高分辨率多气体激光传感器进行气体检测，根据激光发射器的个数将一个检测周期等分为若干时间段，每个时间段控制其中一个激光发射器，且在一个检测周期内依次启动所有激光发射器完成多气体检测。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于：

本发明的气体传感器内置多个不同波长的窄线宽红外激光光源，保证了气体传感器具有高选择性的同时增加了测量的目标气体种类；气体传感器采用4n+2边的正多边形结构气室骨架，具有一半边数的平面反射面以使光线在气室腔体内反射4n+2次，提高了光程长度，相比于其他气室骨架结构，能在光线反射次数较少的前提下进一步提高光程长度，从而兼顾气体传感器的探测效率和高分辨率；

且本发明利用平面反射的光学特性保证了激光光源发出的任意光线光程的一致性；不仅如此，该4n+2边的正多边形气室骨架结构满足反射次数等于正多边形的边数，便于设计人员快速确定反射次数，提高设计效率；

进一步的，六边形气室骨架结构还具有一个较大的布局区域，以便排布多个激光发射器，并且反射光线不易受到抛物面反射面的干涉，光线在气室腔体内稳定传播，最低损耗地输出气室腔体，确保检测精度；且在该特定区域(布局区域)内，任意一个位置垂直向上发射出的激光，光程均相等。

附图说明

图1为本发明的结构分解图；

图2为本发明中气室骨架的结构示意图；

图3为本发明中上反射板的底部视角示意图；

图4为六边形气室骨架结构的光线仿真图。

在图中，

1、红外激光光源；11、激光发射器；

2、气室骨架；21、第一平面反射面；22、第二平面反射面；23、第三平面反射面；24、打胶孔；25、限位凹槽；

3、光电探测器；

4、上反射板；41、斜面反射面；42、抛物面反射面；43、限位凸块；

5、电路板；

6、外防护罩；61、透气孔。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图和实施例对本发明进行进一步的讲解说明。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时声明，以下所描述的实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”和“第三”仅用于便于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明技术特征的数量。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。

如图1至图3所示，本发明提供一种具有等光程高分辨率多气体激光传感器，包括：红外激光光源1、由上反射板4和气室骨架2组成的核心光路结构、光电探测器3、电路板5和外防护罩6。

其中，红外激光光源1，具有多个激光发射器11，每个激光发射器11发射一种特定波长的窄线宽的光源，由于不同的气体会对不同波段的光有吸收作用，故每种激光波段对应一种气体吸收光谱；而且由于光源为窄线宽，每种光源只会覆盖目标气体的特征吸收光谱，多种波段的光源实现检测多种气体。

上反射板4和气室骨架2，气室骨架2用于提供光线穿过待测气体的空间(即气室腔体)，采用正多边形结构的气室骨架2、其侧壁具有多个平面反射面。正多边形的气室腔体的边数为4n+2，气室腔体的侧壁设有2n+1个平面反射面，且每间隔一个侧壁设置一个所述平面反射面，n为大于1的整数。两个平面反射面之间的平面则为非反射面。4n+2边的正多边形结构气室腔体使光线在气室腔体内反射4n+2次，仅需一半边数的平面反射面，能在光线反射次数较少的前提下进一步提高光程长度，从而兼顾气体传感器的探测效率和高分辨率。

从光路追迹模拟图看，采用上述4n+2边的正多边形气室骨架结构，能够令光线在气室腔体内反射“两轮”，且第二圈的反射光线对应平行于第一圈的反射光线，可见4n+2边的正多边形气室腔体内，反射光线整齐、不杂乱，利于气室腔体内的部件布局和设计，避免部分光遮挡导致的光能损耗。

上反射板4设置在气室骨架2上，设有斜面反射面41和抛物面反射面42，上反射板4的斜面反射面41接收激光发射器11发出的光源，反射到气室骨架2上的第一平面反射面21，经气室骨架2内多次反射后到达抛物面反射面42，最后由上反射板4的抛物面反射面42反射至光电探测器3。需要说明的是，上反射板4应当设有通气孔或者设有网状区域，以便待测气体从上往下进入气室腔体。

光电探测器3，通过抛物面反射面42接收激光发射器11发射出的激光光源，将获得的光信号转换成电信号，发送给电路板5进行处理。需要注意的是光电探测器3的响应光谱宽，能够对绝大部分波段的光信号有响应。

电路板5，与红外激光光源1连接，控制多个激光发射器11发出红外光线；与光电探测器3连接，接收并处理光电探测器3得到的电信号。本发明处理不同波段的激光信号可以通过时分复用法或者不同的调制频率调制法来区分不同的激光器信号，从而区分不同的待测气体浓度信息。以时分复用法进行说明，在具有8个不同的激光光源实施例中，由电路板分时驱动不同的激光发射器工作，例如0-10ms电路板驱动第一个激光发射器工作，其他激光发射器不工作；10-20ms电路板驱动第二个激光发射器工作，其他激光发射器不工作；依次类推，70-80ms电路板驱动第八个激光发射器工作，其他激光器不工作，每80ms一个循环周期。最后由电路板上的MCU依次处理信号得到具体的浓度信息。

可见，本发明还还可提供一种多气体检测方法，采用上述方案的具有等光程高分辨率多气体激光传感器进行气体检测，根据激光发射器的个数将一个检测周期等分为若干时间段，每个时间段控制其中一个激光发射器，且在一个检测周期内依次启动所有激光发射器完成多气体检测。应用本发明的多气体激光传感器，还能实现通过主动控制选择某个激光发射器启动，并对需要检测的待测气体进行检测，例如使用者只要检测硫化氢，则启动可发射中心波长为1.574或2.605微米的激光发射器A。

本实施例的多气体激光传感器还具有外防护罩6，为气体传感器内部的红外激光光源1、气室骨架2、光电探测器3、上反射板4和电路板5等提供防护。外防护罩6的顶部设有上下贯穿的透气孔61，外界气体经由透气孔61进入气室腔体内，以实现气体传感器对进入的气体进行检测。

实施例一

如图1至图4所示，本实施例提供一种具有等光程高分辨率多气体激光传感器，红外激光光源1具有8个激光发射器11，即有8个激光光源；气室骨架2采用六边形结构。

在本实施例中，六边形结构的气室骨架2具有三个平面反射面--第一平面反射面21、第二平面反射面22和第三平面反射面23，三个平面反射面间隔设置在六边形气室骨架2的三个边上。由六边形结构的几何关系可知，任意两个平面反射面之间的夹角都为60度。

红外激光光源1发出的竖直向上的激光首先被上反射板4的斜面反射面41反射后到气室骨架2结构的第一平面反射面21上，斜面反射面41与气室骨架2底面(水平面)夹角为45度，确保了任何一条竖直向上的光线经斜面反射面41反射后均与气室骨架2底面平行；并且斜面反射面41与第一平面反射面21和第三平面反射面23的夹面(AF所在面)垂直，确保了任何一条竖直向上的光线经斜面反射面41反射后均平行于夹面(亦即边AF)，从而确保了竖直向上的光线经斜面反射面41反射后均与第一平面反射面21的夹角为60度，任何一条光线方向均相同。光线经第一平面反射面21反射后射向第二平面反射面22，并由第二平面反射面22反射后射向第三平面反射面23；随后又依次反射到第一平面反射面21、第二平面反射面22和第三平面反射面23；最后入射到抛物面反射面42，并由抛物面反射面42将光线反射聚焦到光电探测器3上。

为了更好地理解六边形结构气室骨架光路设计的优势，进行几何分析说明。参照图4，线段AB、CD、EF分别为第一平面反射面21、第二平面反射面22和第三平面反射面23的投影，O1、O2、O3分别AB、CD、EF的中点；图中选择其中两个激光发射器11画出光线传播路径，以实线和虚线表示。红外激光光源1发出的激光经斜面反射面41反射后入射到气室骨架2的第一平面反射面21上的P1点，并且激光依次经过P2,P3,P4,P5,P6点，最后由抛物面反射面42将激光聚焦到光电探测器3上。

由反射定律可知AP1、DP2、EP3、BP4、CP5、FP6均相等。由数学关系易知：光程长度L等于P1P2、P2P3、P3P4、P4P5、P5P6、P6P1及常量c的和。其中，常量c＝c1+c2-c3，c1指激光发射器到斜面发射面的距离，c2指抛物面反射面到光电探测器的距离，c3指光电探测器到激光发射器的距离。假设AP1＝t，AB＝d，用相似关系可以计算出：

P1P2+P2P3+P3P4+P4P5+P5P6+P6P1＝(2d-t)+(d+t)+(2d-t)+(d+t)+(2d-t)+(d+t)＝9d，即光程L＝9d+c，为一个常量，因此，光程与初始入射位置无关，仅与六边形的边长有关，表明对于六边形结构的气室骨架结构和上反射板，在特定区域(位于四边形AO₁O₃F内)对于任意一个位置垂直向上发射出的激光，光程均相等。而气室骨架的直径为AD，AD＝2AB＝2d，可知光程为气室骨架直径的4.5倍，接近气室骨架直径的5倍。

将本方案应用于一个标准四系传感器产品，其外防护罩直径为20mm，六边形边长为9mm，由上述分析可知(P6P1+P1P2)＝(P2P3+P3P4)＝(P4P5+P5P6)＝27mm，气室腔体光程长度L＝81+c＞81mm。

可见，六边形结构的气室骨架，实现光线在气室腔体内反射6次，“传播两轮”，仅采用了3个平面反射镜，在光线反射次数较少的前提下有效增加了光路的光程长度，兼顾气体传感器的探测效率并提高了气体传感器的分辨率。四边形AO1O3F区域内任意一点垂直向上发出的激光光线经45度斜面反射后都与AF平行，经过多个平面反射面反射后到光电探测器的总光程长度均相等，利用平面反射的光学特性保证了激光光源发出的任意光线光程的一致性--包括同一个激光发射器光源光程的一致性，以及多个激光发射器多种光源光程的一致性。

六边形结构气室骨架，相比于其他正多边形的气室骨架结构，还具有一个较大的布局区域(上述的AO1O3F区域)，以便排布多个激光发射器，并且反射光线不易受到抛物面反射面的干涉，光线在气室腔体内稳定传播，最低损耗地输出气室腔体，确保检测精度。

在一个优选实施例中，光线在气室腔体内的第一个反射点P1位于线段AO1之间，以确保第二轮反射光线回到第一平面反射面时，第二个反射点P2位于线段BO1之间，从而使得反射光线P3P4不进入AO1O3F区域，不会受到AO1O3F区域内反射件(斜面反射面和抛物面反射面)的影响；在AO1O3F区域内具有足够的空间，便于布局多个激光发射器、斜面反射面和抛物面反射面。

在一个优选实施例中，抛物面反射面42的准面(抛物线准线组成的面)与第一平面反射面21和第三平面反射面23所夹面(投影为AF)垂直，以确保光线经过第三平面反射面23后，完全进入光电探测器3中。

在一个优选实施例中，第一平面反射面21、第二平面反射面22和第三平面反射面23都是采用硅片镀金的方式嵌入到气室骨架2结构内，通过3个预留的打胶孔24把反射面稳定可靠地固定在气室骨架2的侧壁上。该方式相比于传统的结构镀金(即直接以气室骨架2的侧壁作为反射面并镀金)，本实施例采用硅片镀金的方式能够降低平面镜的粗糙度，提高镜面反射效率。

在一个可选实施例中，上反射板4的斜面反射面41和抛物面反射面42均镀金，以提高两个反射面的反射效率，使得更多光线进入气室腔体内，并反射到光电探测器3。除了镀金，还可以镀银、二氧化钛、五氧化二钒、二氧化硅、氧化镁或氮化硅中的一种。

在一个可选实施例中，上反射板4设有限位凸块43，气室骨架2设有限位凹槽25，反之亦可，相互配合的限位结构便于上反射板4和气室骨架2的匹配、组装，增加结构牢固度以及提升装配效率。

另外，通过光线追迹仿真，可发现在气室骨架的正多边形为2n+1，n为大于2的整数，此结构的气室腔体也能增加反射来提高光程长度，但是每条边都设置有平面反射镜，反射次数为边数两倍，反射次数过多反而不利于兼顾探测效率，且会带来能量耗损；虽然反射光线也能沿着腔室“跑两轮”，但是光线比较杂乱，腔室内可布局空间少。

综上所述，本发明的气体传感器内置多个不同波长的窄线宽红外激光光源，保证了气体传感器具有高选择性的同时增加了测量的目标气体种类；另一方面，采用4n+2正多边形结构的气室骨架，具有一半边数的平面反射面，并可反射4n+2次，能够保证光程的一致性且在反射次数较少的前提下进一步提高光程长度，从而兼顾气体传感器的探测效率和高分辨率；气室骨架采用六边形、三个平面反射面的光路结构，还具有一个较大的布局区域。故，本发明的气体传感器能够兼顾高选择性和多目标气体检测，还能够兼顾高分辨率和高探测效率，有效提高气体传感器的性能，具有很强的实用价值和市场竞争优势。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.具有等光程高分辨率多气体激光传感器，包括红外激光光源、气室骨架和光电探测器，其特征在于，所述红外激光光源包括多个激光发射器；

所述气室骨架包括正多边形的气室腔体，且正多边形的所述气室腔体的边数为4n+2，所述气室腔体的侧壁设有2n+1个平面反射面，且每间隔一个侧壁设置一个所述平面反射面，n为大于1的整数；

多个所述激光发射器非同时工作，且所述激光发射器发射的光线进入所述气室腔体，经若干平面反射面依次反射，并发射至所述光电探测器。

2.根据权利要求1所述的具有等光程高分辨率多气体激光传感器，其特征在于，所述气室骨架包括正六边形的气室腔体，该气室腔体的侧壁间隔设置有第一平面反射面、第二平面反射面和第三平面反射面；第一平面反射面与第二平面反射面的夹角、第二平面反射面与第三平面反射面的夹角、第三平面反射面与第一平面反射面的夹角均为60°。

3.根据权利要求2所述的具有等光程高分辨率多气体激光传感器，其特征在于，光线在所述第一平面反射面的第一个入射点位于第一平面反射面靠近红外激光光源一侧的半区域内，光线在所述第一平面反射面的第二个入射点位于第一平面反射面另一侧的半区域内。

4.根据权利要求1或3所述的具有等光程高分辨率多气体激光传感器，其特征在于，还包括上反射板，所述上反射板设有斜面反射面和抛物面反射面；

所述斜面反射面垂直于第一个平面反射面和最后一个平面反射面之间的夹面，以使得所述斜面反射面的出射光平行于该夹面。

5.根据权利要求4所述的具有等光程高分辨率多气体激光传感器，其特征在于，所述斜面反射面和所述抛物面反射面的表面均镀有金、银、二氧化钛、五氧化二钒、二氧化硅、氧化镁或氮化硅。

6.根据权利要求2所述的具有等光程高分辨率多气体激光传感器，其特征在于，所述第一平面反射面的中点与所述第三平面反射面的中点的连线所在垂直面，将气室腔体划分出用于布置红外激光光源的特定区域。

7.根据权利要求1所述的具有等光程高分辨率多气体激光传感器，其特征在于，平面反射面为表面镀金的硅片，且硅片与所述气室骨架可拆卸连接。

8.根据权利要求7所述的具有等光程高分辨率多气体激光传感器，其特征在于，所述气室骨架的侧壁对应平面反射面处设有打胶孔。

9.根据权利要求1所述的具有等光程高分辨率多气体激光传感器，其特征在于，还包括上反射板，所述上反射板设有限位凸块，所述气室骨架设有限位凹槽，所述限位凹槽与所述限位凸块适配。

10.一种多气体检测方法，采用如权利要求1至9任一项所述的具有等光程高分辨率多气体激光传感器进行气体检测，其特征在于，根据激光发射器的个数将一个检测周期等分为若干时间段，每个时间段控制其中一个激光发射器，且在一个检测周期内依次启动所有激光发射器完成多气体检测。