專利名稱：基于紅外激光光譜的氧氣原位檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于紅外激光光譜的氧氣原位檢測(cè)裝置，屬于氣體檢 測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前普遍使用的氧監(jiān)測(cè)儀器主要基于電化學(xué)和氧化物及半導(dǎo)體技術(shù)的氧氣 傳感器，這些儀器雖然有足夠的檢測(cè)靈敏度，但普遍具有響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、易中毒 以及易受其它氣體干擾等缺點(diǎn)，儀器維護(hù)量大。如常用的二氧化鋯極限型氧傳
感器需要較高的工作溫度(6ocrc)，在易燃易爆環(huán)境中應(yīng)用會(huì)引入極大的安全
隱患；迦伐尼式氧傳感器易受二氧化碳?xì)怏w的干擾，且壽命較短。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提出一種實(shí)時(shí)在線基于紅外激光光譜的氧 氣原位檢測(cè)裝置。
一種基于紅外激光光譜的氧氣濃度原位檢測(cè)裝置，該裝置包括主機(jī)箱、現(xiàn)場(chǎng) 檢測(cè)模塊和屏蔽傳輸電纜；主機(jī)箱上安裝有電源開關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸接口、液晶顯 示屏、電源插座、風(fēng)扇、第一電纜接口，主機(jī)箱內(nèi)有數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊、 直流穩(wěn)壓模塊、信號(hào)濾波與放大電路、溫度控制模塊、電流控制模塊、鎖相放 大器、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，其中電源開關(guān)與直流穩(wěn)壓模塊的一個(gè)輸入端連接，數(shù) 據(jù)傳輸接口與數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊連接，直流穩(wěn)壓模塊的另一個(gè)輸入端與 總電源插座連接，直流穩(wěn)壓模塊的輸出端分別與液晶顯示屏、數(shù)據(jù)采集處理和 控制模塊、風(fēng)扇、信號(hào)濾波與放大電路、溫度控制模塊、電流控制模塊、鎖相 放大器、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊的兩個(gè)輸出 端分別與液晶顯示屏、溫度控制模塊的輸入端連接，溫度控制模塊的輸出端接 第一電纜接口，數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊與調(diào)制信號(hào)發(fā)生器的連接，調(diào)制信號(hào) 發(fā)生電路的輸出端與電流控制模塊的輸入端連接，電流控制模塊的輸出端與第 一電纜接口連接，第一電纜接口與屏蔽傳輸電纜的一端連接，第一電纜接口與 信號(hào)濾波與放大電路的輸入端連接，信號(hào)濾波與放大電路的輸出端與鎖相放大 器的輸入端連接，鎖相放大器的輸出端與數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊的輸入端連 接；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊包括第二電纜接口、校準(zhǔn)池槽、出氣孔快插接口、進(jìn)氣孔快 插接口、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡、半導(dǎo)體激光器、石英窗片、鎢鋼 支桿、副鏡底座、副鏡、主鏡、主鏡底座、密封罩、光電探測(cè)器，其中第二電 纜接口與屏蔽傳輸電纜的另一端連接，第二電纜接口與半導(dǎo)體激光器和光電探
4測(cè)器連接，半導(dǎo)體激光器、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡、光電探測(cè)器、 校準(zhǔn)池槽安裝在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊上部的光學(xué)調(diào)整架上，并由密封罩密封在主鏡底 座的上表面，密封罩的上部設(shè)置出氣孔快插接口和進(jìn)氣孔快插接口，主鏡底座 與副鏡底座之間為反射吸收池，反射吸收池由兩片相同的同軸球面鏡即主鏡和 副鏡構(gòu)成，主鏡安裝在主鏡底座的內(nèi)表面上，副鏡安裝在副鏡底座的內(nèi)表面上， 主鏡底座和副鏡底座由四根鎢鋼桿連接和支撐，主鏡和主鏡底座對(duì)應(yīng)邊緣開有 通光小孔，主鏡底座小孔內(nèi)裝有石英玻璃窗片，主鏡底座四角開有固定孔。
本實(shí)用新型為一種基于紅外激光光譜的氧氣原位檢測(cè)方法與裝置，利用近 紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)、波長(zhǎng)調(diào)制光譜和二次諧波檢測(cè)技術(shù)、開 放式長(zhǎng)光程多次反射池技術(shù)實(shí)現(xiàn)氧濃度的原位測(cè)量，利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸 收光譜技術(shù)高分辨特點(diǎn)消除了環(huán)境中其它氣體成分的干擾，從技術(shù)上克服了傳 統(tǒng)儀器響應(yīng)速度慢、易受干擾、易中毒、工作溫度高等缺點(diǎn)。系統(tǒng)適合于開放 空間及密閉裝置內(nèi)氧濃度的快速、靈敏測(cè)量。


圖1:本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)具體實(shí)施方式
如圖1所示， 一種基于紅外激光光譜的氧氣濃度原位檢測(cè)裝置，該裝置包
括主機(jī)箱1、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊2和屏蔽傳輸電纜3;主機(jī)箱1上安裝有電源開關(guān)101、 數(shù)據(jù)傳輸接口 102、液晶顯示屏103、電源插座106、風(fēng)扇107、第一電纜接口 109，主機(jī)箱1內(nèi)有數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊104、直流穩(wěn)壓模塊105、信號(hào)濾 波與放大電路108、溫度控制模塊IIO、電流控制模塊lll、鎖相放大器112、調(diào) 制信號(hào)發(fā)生器113，其中電源開關(guān)101與直流穩(wěn)壓模塊105的一個(gè)輸入端連接， 數(shù)據(jù)傳輸接口 102與數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊104連接，直流穩(wěn)壓模塊(105) 的另一個(gè)輸入端與總電源插座106連接，直流穩(wěn)壓模塊105的輸出端分別與液 晶顯示屏103、數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊104、風(fēng)扇107、信號(hào)濾波與放大電路 108、溫度控制模塊IIO、電流控制模塊lll、鎖相放大器112、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器 (113)的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊104的兩個(gè)輸出端分別與液晶 顯示屏103、溫度控制模塊110的輸入端連接，溫度控制模塊110的輸出端連接 第一電纜接口 109，數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊104與調(diào)制信號(hào)發(fā)生器113的連接， 調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路113的輸出端與電流控制模塊111的輸入端連接，電流控制模 塊lll的輸出端與第一電纜接口 109連接，第一電纜接口 109與屏蔽傳輸電纜3 的一端連接，第一電纜接口 109與信號(hào)濾波與放大電路108的輸入端連接，信 號(hào)濾波與放大電路108的輸出端與鎖相放大器112的輸入端連接，鎖相放大器 112的輸出端與數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊104的輸入端連接；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊2包 括第二電纜接口 201、校準(zhǔn)池槽202、出氣孔快插接口 203、進(jìn)氣孔快插接口 204、 第一球面反射鏡205、第二球面反射鏡206、半導(dǎo)體激光器207、石英窗片208、 鎢鋼支桿209、副鏡底座210、副鏡211、主鏡212、主鏡底座213、密封罩215、光電探測(cè)器216，其中第二電纜接口 201與屏蔽傳輸電纜3的另一端連接，第二 電纜接口 201與半導(dǎo)體激光器207和光電探測(cè)器216連接，半導(dǎo)體激光器207、 第一球面反射鏡205、第二球面反射鏡206、光電探測(cè)器216、校準(zhǔn)池槽202安 裝在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊2上部的光學(xué)調(diào)整架上，并由密封罩215密封在主鏡底座213 的上表面，密封罩215的上部設(shè)置出氣孔快插接口 203和進(jìn)氣孔快插接口 204， 主鏡底座213與副鏡底座210之間為反射吸收池，反射吸收池采用Herriott型結(jié) 構(gòu)，由兩片相同的同軸球面鏡即主鏡212和副鏡211構(gòu)成，主鏡212安裝在主 鏡底座213的內(nèi)表面上，副鏡安裝在副鏡底座210的上表面上，主鏡底座213 和副鏡底座210由四根鎢鋼桿209連接和支撐，主鏡和主鏡底座對(duì)應(yīng)邊緣開有 通光小孔，主鏡底座小孔內(nèi)裝有石英玻璃窗片208，主鏡底座四角開有固定孔 214。所述現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊密封罩215內(nèi)充入惰性氣體。
本實(shí)用新型采用中心波長(zhǎng)為762nm的近紅外VCSEL半導(dǎo)體激光器207作 為02的檢測(cè)激光光源，激光器溫度控制模塊110和電流控制模塊111通過激光 溫度、電流控制將激光器輸出中心波長(zhǎng)調(diào)諧到762nm附近02的一條吸收線中 心，調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路113產(chǎn)生的100Hz鋸齒波信號(hào)疊加在激光器的驅(qū)動(dòng)電流 上使激光波長(zhǎng)緩慢掃描過02氣體的吸收線，調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路113同時(shí)產(chǎn)生 10KHz正弦波信號(hào)疊加在激光器的驅(qū)動(dòng)電流上對(duì)激光輸出波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制。激光 器電流和溫度控制模塊通過屏蔽傳輸電纜3與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元2聯(lián)接，并作用于 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元內(nèi)的VCSEL半導(dǎo)體激光器207上，激光器輸出光束由第二球面鏡 206耦合進(jìn)光學(xué)多次反射吸收池內(nèi)；多次反射池采用Herriott型結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)相 同的球面鏡組成，分別稱為主鏡212和副鏡211，主鏡212和副鏡211都安裝在 不銹鋼底座上，多次反射池腔鏡由四根鎢鋼支桿209連接和支撐。主鏡212和 主鏡底座213的對(duì)應(yīng)邊緣上開有圓形通光小孔，底座通光小孔內(nèi)裝有石英窗片 208，主鏡底座213將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元2的上部與多次反射池分隔開；激光束通經(jīng) 過小孔進(jìn)入多次反射池，光束在池內(nèi)經(jīng)過多次往返反射后由同一通光小孔出射； 入射和出射光束有不同的傳輸方向，出射光束經(jīng)第一球面鏡205和校準(zhǔn)池槽202 聚焦在光電探測(cè)器216的光敏面上；光電信號(hào)同樣經(jīng)過屏蔽電纜3傳輸?shù)较到y(tǒng) 主機(jī)。激光器和反射鏡均安裝在三維調(diào)整架上以調(diào)整光束的傳輸方向和光束在 池內(nèi)的反射。在主機(jī)內(nèi)，首先由濾波放大電路108對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行處理，然后 送到鎖相放大器112進(jìn)行二次諧波檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集、處理和控制模塊104對(duì)二 次諧波信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字采集，諧波信號(hào)進(jìn)行多次累加平均后得到一條 測(cè)量譜用于氣體濃度的反演，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在主機(jī)箱上的液晶顯示屏103上， 主機(jī)單元通過數(shù)據(jù)接口 102與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸與系統(tǒng)參數(shù)設(shè) 置。
主鏡底座上有四個(gè)固定孔214，可以將現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元2固定在管道或腔體上 壁，光學(xué)反射池插入內(nèi)部以實(shí)現(xiàn)對(duì)密閉環(huán)境檢測(cè)的需要?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊的上部 由密封罩215封閉，構(gòu)成獨(dú)立于多次反射吸收池的密封腔，在對(duì)密閉空間的氧 濃度測(cè)量時(shí)，可以充入惰性氣體(如N2氣)，以防止外部環(huán)境氧氣對(duì)檢測(cè)的影 響。
權(quán)利要求1. 一種基于紅外激光光譜的氧氣濃度原位檢測(cè)方法的裝置，其特征在于該裝置包括主機(jī)箱(1)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊(2)和屏蔽傳輸電纜(3)；其中主機(jī)箱(1)上安裝有電源開關(guān)(101)、數(shù)據(jù)傳輸接口(102)、液晶顯示屏(103)、電源插座(106)、風(fēng)扇(107)、第一電纜接口(109)，主機(jī)箱(1)內(nèi)有數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊(104)、直流穩(wěn)壓模塊(105)、信號(hào)濾波與放大電路(108)、溫度控制模塊(110)、電流控制模塊(111)、鎖相放大器(112)、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(113)，其中電源開關(guān)(101)與直流穩(wěn)壓模塊(105)的一個(gè)輸入端連接，數(shù)據(jù)傳輸接口(102)與數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊(104)連接，直流穩(wěn)壓模塊(105)的另一個(gè)輸入端與總電源插座(106)連接，直流穩(wěn)壓模塊(105)的輸出端分別與液晶顯示屏(103)、數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊(104)、風(fēng)扇(107)、信號(hào)濾波與放大電路(108)、溫度控制模塊(110)、電流控制模塊(111)、鎖相放大器(112)、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(113)的輸入端連接，數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊(104)的兩個(gè)輸出端分別與液晶顯示屏(103)、溫度控制模塊(110)的輸入端連接，溫度控制模塊(110)的輸出端連接第一電纜接口(109)，數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊(104)與調(diào)制信號(hào)發(fā)生器(113)的連接，調(diào)制信號(hào)發(fā)生電路(113)的輸出端與電流控制模塊(111)的輸入端連接，電流控制模塊(111)的輸出端與第一電纜接口(109)連接，第一電纜接口(109)與屏蔽傳輸電纜(3)的一端連接，第一電纜接口(109)與信號(hào)濾波與放大電路(108)的輸入端連接，信號(hào)濾波與放大電路(108)的輸出端與鎖相放大器(112)的輸入端連接，鎖相放大器(112)的輸出端與數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊(104)的輸入端連接；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊(2)包括第二電纜接口(201)、校準(zhǔn)池槽(202)、出氣孔快插接口(203)、進(jìn)氣孔快插接口(204)、第一球面反射鏡(205)、第二球面反射鏡(206)、半導(dǎo)體激光器(207)、石英窗片(208)、鎢鋼支桿(209)、副鏡底座(210)、副鏡(211)、主鏡(212)、主鏡底座(213)、密封罩(215)、光電探測(cè)器(216)，其中第二電纜接口(201)與屏蔽傳輸電纜(3)的另一端連接，第二電纜接口(201)與半導(dǎo)體激光器(207)和光電探測(cè)器(216)連接，半導(dǎo)體激光器(207)、第一球面反射鏡(205)、第二球面反射鏡(206)、光電探測(cè)器(216)、校準(zhǔn)池槽(202)安裝在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊(2)上部的光學(xué)調(diào)整架上，并由密封罩(215)密封在主鏡底座(213)的上表面，密封罩(215)的上部設(shè)置出氣孔快插接口(203)和進(jìn)氣孔快插接口(204)，主鏡底座(213)與副鏡底座(210)之間為反射吸收池，反射吸收池由兩片相同的同軸球面鏡即主鏡(212)和副鏡(211)構(gòu)成，主鏡(212)安裝在主鏡底座(213)的下表面上，副鏡安裝在副鏡底座(210)的內(nèi)表面上，主鏡底座(213)和副鏡底座(210)由四根鎢鋼桿(209)連接和支撐，主鏡和主鏡底座對(duì)應(yīng)邊緣開有通光小孔，主鏡底座小孔內(nèi)裝有石英玻璃窗片(208)，主鏡底座四角開有固定孔(214)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于紅外激光光譜的氧氣濃度原位檢測(cè)裝置，其特征在于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊(2)的密封罩(215)內(nèi)充入惰性氣體。
專利摘要本實(shí)用新型公布了一種基于紅外激光光譜的氧氣原位檢測(cè)裝置，屬氣體檢測(cè)。本實(shí)用新型包括主機(jī)箱、場(chǎng)檢測(cè)模塊和屏蔽傳輸電纜，其中主機(jī)箱上安裝有電源開關(guān)、數(shù)據(jù)傳輸接口、液晶顯示屏、電源插座、風(fēng)扇、第一電纜接口，主機(jī)箱內(nèi)有數(shù)據(jù)采集處理和控制模塊、直流穩(wěn)壓模塊、信號(hào)濾波與放大電路、溫度控制模塊、電流控制模塊、鎖相放大器、調(diào)制信號(hào)發(fā)生器；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)模塊包括第二電纜接口、校準(zhǔn)池槽、出氣孔快插接口、進(jìn)氣孔快插接口、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡、半導(dǎo)體激光器、石英窗片、鎢鋼支桿、副鏡底座、副鏡、主鏡、主鏡底座、密封罩、光電探測(cè)器。本實(shí)用新型檢測(cè)靈敏。
文檔編號(hào)G01N21/39GK201281689SQ200820160628
公開日2009年7月29日 申請(qǐng)日期2008年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月8日
發(fā)明者張玉鈞, 張立強(qiáng) 申請(qǐng)人:南京順泰科技有限公司