專利名稱：一種微型開放式光纖氣體樣品池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光光譜氣體測(cè)量?jī)x的傳感器模塊，具體是一種適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多點(diǎn) 氣體濃度測(cè)量的微型開放式光纖氣體樣品池。
背景技術(shù)：
工業(yè)企業(yè)在其制造工藝流程中會(huì)產(chǎn)生一些如液化石油氣、瓦斯、一氧化碳等危險(xiǎn) 氣體，這些氣體通常是無色、無味、無嗅，濃度過高時(shí)可使人窒息，甚至燃燒爆炸。這些危險(xiǎn) 氣體阻礙呼吸和易燃易爆的特性對(duì)工業(yè)企業(yè)的的安全造成了巨大的威脅。根據(jù)多起工業(yè)重 大爆炸事故的調(diào)查，發(fā)生爆炸事故主要由自然因素、工業(yè)企業(yè)的安全意識(shí)、管理水平、安全 技術(shù)手段和裝備水平等因素有關(guān)，這也反映出目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)氣體監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)還不 完善。為了減少或避免爆炸事故，關(guān)鍵需要改善現(xiàn)有的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)易燃易爆等危險(xiǎn)氣體監(jiān) 測(cè)技術(shù)，建立完善的快速預(yù)警系統(tǒng)，進(jìn)行長(zhǎng)期可靠地危險(xiǎn)氣體濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)氣體爆炸事故預(yù)警的關(guān)鍵是對(duì)氣體濃度進(jìn)行快速檢測(cè)，氣體濃度傳 感器的響應(yīng)速度直接關(guān)系到工業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，對(duì)事故預(yù)警起著決定作用。催化 式傳感器長(zhǎng)期以來是我國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣體檢測(cè)主要傳感器，但是其催化元件一直存在抗高濃 度沖擊性能差、抗中毒性差、壽命短、工作穩(wěn)定性差和調(diào)校頻繁等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響著氣體的 長(zhǎng)期正常檢測(cè)。基于光纖氣體吸收光譜檢測(cè)技術(shù)的光纖氣體傳感器是將可調(diào)諧半導(dǎo)體激光 吸收光譜檢測(cè)技術(shù)與光纖傳感技術(shù)結(jié)合的一種新型的光纖傳感器，具有體積小、易安裝調(diào) 試、靈敏度高、快速響應(yīng)、穩(wěn)定性好、可遠(yuǎn)程控制、多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，使得其成為應(yīng)用在工業(yè) 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)危險(xiǎn)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的理想選擇。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種微型開放式光纖氣體樣品池，具有防水、防塵、體積小、 易于維護(hù)的特點(diǎn)，并且開放式的氣道提高了氣體濃度在線監(jiān)測(cè)的響應(yīng)速度。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為一種微型開放式光纖氣體樣品池，包括有盒狀的池身，其特征在于所述池身中開 有貫通池身且截面為矩形的氣道，氣道的通氣口位于所述池身兩個(gè)對(duì)稱側(cè)壁上，所述池身 另外兩個(gè)對(duì)稱側(cè)壁的中心位置分別開有通孔，所述通孔在同一水平線上相對(duì)，有光路可調(diào) 的自聚焦透鏡分別安裝在所述通孔中，所述自聚焦透鏡分別各自與位于池身外的兩個(gè)單模
光纖一一光學(xué)連接。所述的一種微型開放式光纖氣體樣品池，其特征在于所述池身開有通孔的兩個(gè) 側(cè)壁外部分別螺合有圓形的傾角調(diào)節(jié)塊，所述傾角調(diào)節(jié)塊中心位置開有與池身側(cè)壁通孔相 對(duì)應(yīng) 的安裝孔，安裝孔中膠合有穿過安裝孔的自聚焦透鏡，所述自聚焦透鏡安裝在所述池 身側(cè)壁的通孔中；所述傾角調(diào)節(jié)塊上每隔90度設(shè)置有貫穿傾角調(diào)節(jié)塊的傾角調(diào)節(jié)螺釘，所 述外部的單模光纖插入安裝孔中與所述自聚焦透鏡光學(xué)連接。所述的一種微型開放式光纖氣體樣品池，其特征在于所述氣道的通氣口所在的池身側(cè)壁上分別貼合設(shè)置有圈在通氣口外的矩形密封圈。所述的一種微型開放式光纖氣體樣品池，其特征在于所述池身通孔所在的側(cè)壁 外部還貼合設(shè)置有圈在通孔外的0形密封圈，所述傾角調(diào)節(jié)塊螺合在池身側(cè)壁外部，并壓 緊所述0形密封圈。一種微型開放式光纖氣體樣品池的保護(hù)盒體，包括有矩形盒身和蓋在盒口的盒 蓋，其特征在于所述盒身側(cè)壁上安裝有兩個(gè)光纖法蘭，所述微型開放式光纖氣體樣品池安 裝在盒身內(nèi)，其一個(gè)通氣口所在的側(cè)壁與盒蓋貼合，另一個(gè)通氣口所在的側(cè)壁與盒蓋相對(duì) 的盒身側(cè)壁貼合，所述盒蓋、盒身側(cè)壁分別將樣品池通氣口外的矩形密封圈壓緊，所述單模 光纖分別在光纖法蘭中與盒身外部的光纖光學(xué)連接；所述盒蓋、盒蓋相對(duì)的盒身側(cè)壁上與 所述樣品池通氣口相對(duì)應(yīng)的位置開有與所述通氣孔相通的通氣窗口，有帶有濾膜的濾波壓 塊安裝在所述通氣窗口外，其濾膜罩在所述通氣窗口外。所述的一種微型開放式光纖氣體樣品池，其特征在于所述樣品池與盒身、盒蓋貼 合的側(cè)壁和盒身、盒蓋之間分別設(shè)置有密封圈，盒身與盒蓋之間也設(shè)置有密封圈。
本發(fā)明是利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測(cè)技術(shù)與光纖傳感技術(shù)，采用開放式 的微型光學(xué)樣品池進(jìn)行氣體濃度測(cè)量的一種新型光纖氣體傳感器。這種微型光學(xué)樣品池集 成在適用于工業(yè)環(huán)境的保護(hù)盒中，主要由開放式無遮擋的氣道和一對(duì)自聚焦透鏡構(gòu)成。在 工業(yè)環(huán)境下多點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)，激光通過光纖分路器分路后，由單模光纖導(dǎo)入到各個(gè)待測(cè)點(diǎn)的微 型氣體樣品池，經(jīng)過氣體吸收的激光再由另一個(gè)單模光纖導(dǎo)出，并由各路探測(cè)器接收轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)氣體濃度的快速準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。


圖1樣品池結(jié)構(gòu)正視圖。圖2樣品池結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖3樣品池分離結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖4樣品池和保護(hù)盒體裝配后透視圖。圖5樣品池保護(hù)盒體外視圖。圖6樣品池保護(hù)盒體安裝方式示意圖，其中圖6a為側(cè)壁安裝，圖6b為頂棚安裝，圖6c為柱子安裝。
具體實(shí)施例方式如圖1 3所示。微型開放式光纖氣體樣品池主要是由一個(gè)中間有開放式無遮擋 的氣道1的池身和兩個(gè)相距5cm的1/4周期的自聚焦透鏡2組成。氣道與外界貫通，內(nèi)無 遮擋，兩端為長(zhǎng)方形通氣口 3，池身兩側(cè)壁相距5cm且中部開有通孔4，兩自聚焦透鏡2在通 孔4處相對(duì)并也相距5cm，其構(gòu)成了微型開放式光纖氣體樣品池的氣體檢測(cè)光路。當(dāng)外界氣 流向樣品池一側(cè)流通時(shí)，由于無遮擋對(duì)稱的通氣口 3的貫通作用，氣流可由任意一端經(jīng)過 PTFE濾膜25快速進(jìn)入微型開放式光纖氣體樣品池監(jiān)測(cè)光路從另一端經(jīng)過PTFE濾膜流出， 始終保持與周邊環(huán)境氣體的流通，提高了對(duì)周邊環(huán)境氣體濃度監(jiān)測(cè)的響應(yīng)速度。兩自聚焦 透鏡11、12精確對(duì)準(zhǔn)是由氣道1兩側(cè)壁外部的傾角調(diào)節(jié)塊5來完成的，每個(gè)傾角調(diào)節(jié)塊含 有4個(gè)傾角調(diào)節(jié)螺釘6和4個(gè)緊定螺釘7，并在池身側(cè)壁外部壓有0形圈8，此處的0形圈8在密封氣道1的同時(shí)，也具有光路傾角調(diào)節(jié)的功用，自聚焦透鏡11、12則穿過傾角調(diào)節(jié)塊 5中心安裝孔9并被凝固膠水固定在一起，調(diào)節(jié)時(shí)利用可見紅光輸入用單模光纖10，經(jīng)輸入 用自聚焦透鏡11準(zhǔn)直輸出時(shí)，通過調(diào)節(jié)傾角調(diào)節(jié)螺釘6的松緊，在不同方向上擠壓O形圈 8來改變準(zhǔn)直光方向，當(dāng)準(zhǔn)直光能由輸出用自聚焦透鏡12完全耦合入輸出單模光纖13時(shí)， 兩自聚焦透鏡11、12被精確對(duì)準(zhǔn)，最后再調(diào)節(jié)緊定螺釘7來鎖緊兩端傾角調(diào)節(jié)塊5，來完成 微型開放式光纖氣體樣品池的氣體檢測(cè)光路的光路調(diào)節(jié)。這種微型光纖氣體樣品池結(jié)構(gòu)極 大提高了光強(qiáng)的耦合性和穩(wěn)定性，通常光強(qiáng)損耗僅為0. 3dB左右，解決了長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生 的光路漂移問題，減少了光路中的不穩(wěn)定因素，同時(shí)這種開放式結(jié)構(gòu)避免了氣體采樣，便于 氣體探測(cè)。如圖4所示。調(diào)節(jié)好的樣品池14被集成于保護(hù)盒身15的內(nèi)部，通過自聚焦透鏡 尾纖16、盒身光纖法蘭17與盒身15外部光纖18連接。在工業(yè)環(huán)境下多點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)，是通過 光纖分路器分路，讓激光分別由外部單模光纖經(jīng)過盒身光纖法蘭17、自聚焦透鏡尾纖16導(dǎo) 入到設(shè)置于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的各個(gè)待測(cè)點(diǎn)的微型氣體樣品池，經(jīng)過氣體吸收的激光再由另一 自聚焦透鏡尾纖輸出，經(jīng)過盒身光纖法蘭1 7、外部單模光纖導(dǎo)出后，再由各路探測(cè)器接收轉(zhuǎn) 換為電信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)氣體濃度的穩(wěn)定快速監(jiān)測(cè)。模塊一側(cè)通過螺釘19固定于保護(hù)盒的盒身 15的內(nèi)壁中，另一側(cè)通過螺釘20與保護(hù)盒的盒蓋21相固定，且樣品池14與盒身15、樣品 池14與盒蓋21之間都通過密封圈22密封(如圖3所示)，防止外界水汽隨氣流由氣道進(jìn) 入盒體內(nèi)。此外，盒身15、盒蓋21之間也通過密封圈23與外界密封，來防止外界水汽直接 進(jìn)入盒體內(nèi)，更好的長(zhǎng)時(shí)間適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下氣體監(jiān)測(cè)。如圖5所示。微型開放式光纖氣體樣品池氣路通道對(duì)應(yīng)的兩通氣窗口 24位于保護(hù) 盒體與盒蓋中部，為了透氣并防止灰塵和水汽由氣路通道進(jìn)入樣品池，在盒體的兩通氣口 外側(cè)設(shè)置疏水PTFE濾膜25，其孔徑為0. 22 μ m，氣體通過的標(biāo)準(zhǔn)流速為5ml/cm2. min, PTFE 濾膜被防水濾膜壓塊26壓于盒體上，在后期維護(hù)中也只需擰下固定螺釘，取下防水濾膜壓 塊即可方便地清潔和更換濾膜。如圖6所示。樣品池保護(hù)盒體常用的安裝方式有三種，分別為側(cè)壁安裝，頂棚安 裝，柱子上安裝。這三種安裝方式不僅保證了氣體的流通，而且適合于絕大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)。
權(quán)利要求
一種微型開放式光纖氣體樣品池，包括有盒狀的池身，其特征在于所述池身中開有貫通池身且截面為矩形的氣道，氣道的通氣口位于所述池身兩個(gè)對(duì)稱側(cè)壁上，所述池身另外兩個(gè)對(duì)稱側(cè)壁的中心位置分別開有通孔，所述通孔在同一水平線上相對(duì)，有光路可調(diào)的自聚焦透鏡分別安裝在所述通孔中，所述自聚焦透鏡分別各自與位于池身外的兩個(gè)單模光纖一一光學(xué)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型開放式光纖氣體樣品池，其特征在于所述池身開 有通孔的兩個(gè)側(cè)壁外部分別螺合有圓形的傾角調(diào)節(jié)塊，所述傾角調(diào)節(jié)塊中心位置開有與池 身側(cè)壁通孔相對(duì)應(yīng)的安裝孔，安裝孔中膠合有穿過安裝孔的自聚焦透鏡，所述自聚焦透鏡 安裝在所述池身側(cè)壁的通孔中；所述傾角調(diào)節(jié)塊上每隔90度設(shè)置有貫穿傾角調(diào)節(jié)塊的傾 角調(diào)節(jié)螺釘，所述外部的單模光纖插入安裝孔中與所述自聚焦透鏡光學(xué)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型開放式光纖氣體樣品池，其特征在于所述氣道的 通氣口所在的池身側(cè)壁上分別貼合設(shè)置有圈在通氣口外的矩形密封圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型開放式光纖氣體樣品池，其特征在于所述池身通 孔所在的側(cè)壁外部還貼合設(shè)置有圈在通孔外的0形密封圈，所述傾角調(diào)節(jié)塊螺合在池身側(cè) 壁外部，并壓緊所述0形密封圈。
5.一種微型開放式光纖氣體樣品池的保護(hù)盒體，包括有矩形盒身和蓋在盒口的盒蓋， 其特征在于所述盒身側(cè)壁上安裝有兩個(gè)光纖法蘭，所述微型開放式光纖氣體樣品池安裝 在盒身內(nèi)，其一個(gè)通氣口所在的側(cè)壁與盒蓋貼合，另一個(gè)通氣口所在的側(cè)壁與盒蓋相對(duì)的 盒身側(cè)壁貼合，所述盒蓋、盒身側(cè)壁分別將樣品池通氣口外的矩形密封圈壓緊，所述單模光 纖分別在光纖法蘭中與盒身外部的光纖光學(xué)連接；所述盒蓋、盒蓋相對(duì)的盒身側(cè)壁上與所 述樣品池通氣口相對(duì)應(yīng)的位置開有與所述通氣孔相通的通氣窗口，有帶有濾膜的濾波壓塊 安裝在所述通氣窗口外，其濾膜罩在所述通氣窗口外。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種微型開放式光纖氣體樣品池，其特征在于所述樣品池 與盒身、盒蓋貼合的側(cè)壁和盒身、盒蓋之間分別設(shè)置有密封圈，盒身與盒蓋之間也設(shè)置有密 封圈。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微型開放式光纖氣體樣品池，由固定在防水、防塵保護(hù)盒內(nèi)部的一個(gè)開放式無遮擋氣道和兩個(gè)相距5cm的1/4周期的自聚焦透鏡構(gòu)成，其中兩自聚焦透鏡是由氣道側(cè)壁外部相對(duì)稱的兩傾角調(diào)節(jié)塊來實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)并構(gòu)成了樣品池的開放式氣體檢測(cè)光路。氣道則與外界貫通，內(nèi)無遮擋，兩端為長(zhǎng)方形通氣口，位于保護(hù)盒體主面板中部，為了透氣并防止灰塵和水汽由氣路通道進(jìn)入樣品池，在盒體的兩通氣口外側(cè)設(shè)置可更換式PTFE濾膜，當(dāng)外界氣流向樣品池一側(cè)流通時(shí)，由于無遮擋對(duì)稱通氣口的貫通作用，氣流可由任意一端經(jīng)過PTFE濾膜快速進(jìn)入微型開放式光纖氣體樣品池監(jiān)測(cè)光路從另一端經(jīng)過PTFE濾膜流出，提高了對(duì)周邊環(huán)境氣體濃度監(jiān)測(cè)的響應(yīng)速度。
文檔編號(hào)G01N21/25GK101865825SQ20101020324
公開日2010年10月20日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者何瑩, 劉建國(guó), 劉文清, 張玉鈞, 阮俊 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所