一种气体传感器气室结构及一种气体传感器气室的Housing

摘要

本实用新型公开了一种气体传感器气室结构及一种气体传感器气室的Housing，包括凹面反射镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜；第一平面反射镜和第二平面反射镜均为其镜面法线与入射光束成45度设置在凹面反射镜的对面的平面反射镜；第一平面反射镜的镜面法线与第二平面反射镜的镜面法线正交，且第一平面反射镜设置在第二平面反射镜的上方；第三平面反射镜为其镜面与入射光束正交设置在凹面反射镜的对面的平面反射镜；第三平面反射镜位于第一平面反射镜和第二平面反射镜之间，且第三平面反射镜较第一平面反射镜/第二平面反射镜靠近凹面反射镜；本实用新型可大幅提高近红外可调谐半导体激光吸收光谱的光学式低浓度气体检测器的检测灵敏度。

说明书

技术领域

本实用新型属于气体传感技术领域，具体涉及一种紧凑高效多程气体吸收光路的气体传感器气室结构及一种气体传感器气室的Housing。

背景技术

甲烷是一种易燃易爆气体，在大气中爆炸下限为5.0％VOL，上限为15.0％VOL，它是煤矿瓦斯、沼气、天然气和多种液体燃料的主要成分，及时、准确地探测甲烷气体浓度并由此发现产生源、泄漏源对于工业、矿山安全运行具有十分重要的意义。目前可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS)谐波检测技术虽在气体检测领域，尤其是低浓度气体检测当中得到了广泛的应用，但该技术在实际使用中其灵敏度还有待于改善和提高。激光气体传感器的灵敏度和精度取决于信噪比，在电噪声一定的情况下，提高可调谐半导体激光吸收光谱谐波气体检测器灵敏度的最直接方法就是加长气室的长度从而增加光和气体的有效作用距离，以增强被测气体的有效吸收来提高检测灵敏度。此外有一所谓的折叠腔技术也常被用于可调谐半导体激光吸收光谱谐波气体检测器的气室设计中，该技术的要点是使激光束按一定路径反复经过气室，来增加光和气体的有效作用距离，增强被测气体的有效吸收，以此来提高检测灵敏度。采用该技术的传统折叠腔气室的基本光路如图1所示。

图1中，13和14是两个反射镜，11是可调谐半导体激光器发射出的光束，12是从折叠式气室出射到光检测器的光束。无论是长气室或传统的折叠式气室其所占有的空间都很大，在具体应用中对可调谐半导体激光吸收光谱谐波气体检测器的体积有限制时，上述两种提高灵敏度的方法就失效了。如城市窨井、城市综合管廊中使用的激光气体传感器在小型化方面要求非常高，其所允许的实际气室线度一般都限制在30mm x 20mm x 20mm左右的范围内。按传统方式能实现的光和气体的有效作用距离也就在 30mm-70mm，因此它无法将激光气体传感器精度提高到在高低温环境中能检测到小于 0.05％vol甲烷的精度。另外如附图1所示传统的折叠式气室其光束在气室内多次折叠传播过程中会使从激光器发射出的仅有有限准直距离的光束发散造成气室的出射光不能被光检测器充分接受而影响激光气体传感器的信噪比。

实用新型内容

实用新型目的：为解决在可调谐半导体激光吸收光谱谐波气体检测器的体积有限制时，检测灵敏度降低的问题，以及为解决从激光器发射出的仅有有限准直距离的光束发散造成气室的出射光不能被光检测器充分接受的问题，本实用新型提出了一种紧凑高效多程气体吸收光路的气体传感器气室结构及一种气体传感器气室的Housing。

技术方案：一种紧凑高效多程气体吸收光路的气体传感器气室结构，包括凹面反射镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜和第三平面反射镜；

所述第一平面反射镜为其镜面法线与入射光束成45度设置在凹面反射镜的对面的平面反射镜；

所述第二平面反射镜为其镜面法线与入射光束成45度设置在凹面反射镜的对面的平面反射镜；该第一平面反射镜的镜面法线与第二平面反射镜的镜面法线正交，且第一平面反射镜设置在第二平面反射镜的上方；

所述第三平面反射镜为其镜面与入射光束正交设置在凹面反射镜的对面的平面反射镜；

该第三平面反射镜位于第一平面反射镜和第二平面反射镜之间，且第三平面反射镜较第一平面反射镜/第二平面反射镜靠近凹面反射镜；

入射光束经由凹面反射镜反射的光束入射至第三平面反射镜上，经由第三平面反射镜反射后的光束再次入射至凹面反射镜上，经由凹面反射镜反射后的光束入射至第一平面反射镜上，经由第一平面反射镜反射后的光束入射至第二平面反射镜，经由第二平面反射镜反射后的光束入射至凹面反射镜上，经由凹面反射镜反射后的光束又入射到第三平面反射镜上，经由第三平面反射镜反射后的光束重新回射到凹面反射镜上，最后经由凹面反射镜的反射后的光束即为气室的出射光束。

进一步的，所述凹面反射镜为球面凹面镜。

进一步的，所述凹面反射镜为柱面凹面镜。

本实用新型还公开了一种气体传感器气室的Housing，包括光束发射器、气室和光检测器；

所述气室为上述公开的一种紧凑高效多程气体吸收光路的气体传感器气室结构；

所述光束发射器设置在对着凹面反射镜的一侧，用于向气室发射准直光束，作为气室的入射光束；

所述光检测器设置在对着凹面反射镜的一侧，用于接收气室的出射光束。

进一步的，所述光束发射器为可调谐半导体激光器。

进一步的，所述光检测器包括窗口和PD芯片，PD芯片的法线及窗口的法线均与气室的出射光束形成一定角度设置。

进一步的，所述的角度在3-15度范围。

进一步的，所述光束发射器的设置位置与气室的一个边缘对应，所述光检测器的设置位置与气室的另一个边缘对应。

有益效果：本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本实用新型提出的气室结构，在极其受限的小空间内通过光束的多次来回的反射实现气室中的光和气体的有效作用距离约达到气室其自身长度的数倍光路来提高可调谐半导体激光吸收光谱谐波气体检测器的检测灵敏度；在光束在多次来回的反射中增加光和气体的有效作用距离，使光检测器能充分有效地接收到从气室出射的光束；本实用新型提出的气室结构可应用于基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的光学式低浓度甲烷气体精准检测技术邻域；

(2)本实用新型采用的凹面反射镜，可补偿激光器输出的仅有有限准直距离的光束沿着光路长距离传播时产生的光束发散，故提高了光检测器集光效率从而改善了气体检测器的信噪比，大幅提高近红外可调谐半导体激光吸收光谱的光学式低浓度气体检测器的检测灵敏度的效果。

附图说明

图1为传统折叠腔气室的基本光路图；

图2为本实用新型提出的一种典型的气室光路图；

图3为光检测器的窗口和PD芯片法线都和气室出射光束的轴线构成α角度的组态图；

图4为本实用新型的气室连同半导体激光器和光检测器安装座的Housing总体结构的3D部分剖面图；

图5为气室连同半导体激光器和光检测器安装座的Housing总体结构的正视图；

图6为气室连同半导体激光器和光接收器安装座的Housing总体结构的3D外形图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步说明。

本实用新型公开了一种用于基于近红外可调谐半导体激光吸收光谱的光学式低浓度气体检测器的气室，可适用于各类气体,如甲烷、乙烷、丙烷、一氧化碳等等气体的可调谐半导体激光吸收光谱的光学式低浓度气体检测器气室。如图2所示，其基本结构是由一个凹面反射镜21、45度放置的第一平面反射镜23、45度放置的第二平面反射镜24 和一个其镜面与气室的入射光正交的第三平面反射镜22构成。其中，第一平面反射镜 23的镜面法线、第二平面反射镜24的镜面法线均和与从可调谐半导体激光器发射出的有有限准直距离的激光光束成45度。该第一平面反射镜23的镜面法线与第二平面反射镜24的镜面法线正交，且第一平面反射镜23设置在第二平面反射镜24的上方。为方便表述，现将可调谐半导体激光器简称为激光器。激光器和光检测器都放在气室的对着凹面反射镜21的一侧，以使其对面的凹面反射镜21可以在气室的有限空间中实现必需的最大孔径。激光器发射的光束由气室靠近边缘的部位入射，出射光束由气室的另一边靠近边缘的部位出射，以此来达到最大限度利用气室的有限空间。

第一平面反射镜23、第二平面反射镜24和第三平面反射镜22均设置在凹面反射镜21的对面，从纵向来看，第三平面反射镜22的设置位置在第一平面反射镜23和第二平面反射镜24之间，从横向来看，第三平面反射镜22的设置位置比起同侧的第一平面反射镜23和第二平面反射镜24稍向凹面反射镜21方向一侧偏移以避免安装这三面全反射镜时发生物理上的干涉。

如图2所示，由激光器发射出的仅有有限准直距离的光束25入射在凹面反射镜上21，依照凹面反射镜21、第一平面反射镜23、第二平面反射镜24和第三平面反射镜22 的实际几何组态，可确定凹面反射镜的曲率半径，从而使经由凹面反射镜21反射的光束27在被反射后入射到第三平面反射镜22上，经由第三平面反射镜22反射后光束28 再次入射到凹面反射镜21上，经由凹面反射镜21再次反射后其光束29入射在45°放置的第一平面反射镜23上，经第一平面反射镜23反射后光束30入射到另一45°放置的第二平面反射镜24上，在其反射后光束31再次入射到凹面反射镜21上，经由凹面反射镜21反射后光束32后又入射到第三平面反射镜22上，经由第三平面反射镜22反射后光束重新回射到凹面反射镜21上，最后经由凹面反射镜21的反射后作为气室的出射光束26射到光检测器上。其间光束总共经历了8次反射，其中4次是经由凹面反射镜 21反射的。因为经历了8次反射所以气室中能实现的光和气体的有效作用距离可达到气室自身长度的8倍以上。

气室一端的置有大孔径的凹面反射镜21担当这端的对光束的所有反射，并利用凹面反射镜21的汇聚作用对仅有有限准直距离的入射光束在长距离传播中产生的发散进行补偿。

本实用新型所用的凹面反射镜21可以是柱面凹面镜也可以是球面凹面镜。当凹面反射镜21为柱面凹面镜时，光束25至光束33是在一个平面上的。当凹面反射镜21为球面凹面镜时，光束25和光束26在同一平面上，光束29、光束30和光束31则在另一个与其平行的平面上。光束27和光束28，以及光束32和光束33则行进在这两个平面之间。从激光器出射的光束25尽管是经过准直的，但它只有一定准直距离，经历过长距离的传播距离后激光器出射的光束将会发散，这对光检测器充分和有效地接收从气室出射的光束是有不利的。为此，本实用新型的气室结构中采用了凹面反射镜21，由于凹面反射镜21有一定的光束汇聚效应，并且在光路中光束被凹面反射镜反射了4次，每次反射都会导入一定的光束汇聚以补偿光束的发散，所以能使最后的出射光束26仍能保持为准直的。但柱面凹面镜只能对垂直于柱线面的发散方向实现补偿，而球面凹面镜能对发散实现完整的补偿。所以在光束发散补偿上，用球面凹面镜效果更好一些。

在本实用新型中，光检测器的窗口和PD芯片法线相对于其入射光束即气室的出射光束形成α的角度以抑制etalon效应所引起的噪声，该角度值可由实际抑制窗口和PD 芯片反射的效果来定，一般在3°-15°之间。光检测器的窗口可以是一个平面光窗也可以是一汇聚透镜。图3所示组态下光检测器的窗口和PD芯片表面的反射光都不会反射回半导体激光器而造成etalon效应的噪声。

本实用新型的气室光路结构的受限空间可以是圆柱型的也可是长方柱型的。

实施例：

图4和图5所示了本实用新型的一个实施例。该实施例中气室连同激光器和光接收器所囿于的受限空间为外经为一个2.3cm，长为4.85cm的圆柱型空间。这是在城市窨井、管廊等应用领域中激光气体传感器中气室连同半导体激光器和光检测器所能获得的典型的允许空间。其中气室自身能实现的长度一般也就在3cm-4cm左右。即使采用传统的折叠光路，气室中光路最大长度也就在7cm左右。但本实施例中气室中的光路也即光和气体的有效作用距离可增大到了25cm。

图4为本实施例的气室连同激光器和光检测器安装座Housing的总体结构的3D部分剖面图。本实施例的结构中凹面反射镜采用的是球形凹面镜。整个结构像是一个带底座的并部分镂空的圆柱面41。底座部分在圆柱面内部分成两部分，其中一部分开有两个圆孔成为安放TO型半导体激光器安装孔42和光检测器的安装孔43。另一部分则切削出两个对称的45度斜面44，用来贴放两个45度的平面反射镜。

安装孔(42和43)开在同一平面上，该平面垂直于圆柱面的轴线。底座所对着的圆柱面的另一端安装有球形凹面镜。对着球形凹面镜在开有半导体激光器安装孔和光检测器的安装孔平面上贴有平面反射镜46，平面发射镜46只有一半贴在该平面上，其另一半则伸到底座的另一半。

为了和图2相对应，图5是气室连同激光器和光接收器安装座的总体结构正视图，该图所示的气室光路和附图2是一致的。

图6是气室连同半导体激光器和光检测器安装座的总体结构的3D外形图。图中显示的该结构总体外型略去了所有平面的和凹面的反射镜。由该图可看出气室连同半导体激光器和光检测器安装座的总体结构是一个非常紧凑，仅有大约半个手指大小的结构，但在其中实现了25cm长气体吸收光路。