本發(fā)明涉及光學傳感檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種抗振動長光程氣池。

背景技術(shù)：

在痕量氣體檢測中，由比爾蘭伯特定律可知，對于某種待測氣體，由氣體吸收導致的衰減信號與氣體的濃度和激光在氣體中所經(jīng)歷的光程正相關(guān)。通過增加光程可以有效提升衰減信號的強度，所以長光程氣池是實現(xiàn)高靈敏度傳感的重要保障。

傳統(tǒng)的多次反射長光程氣池主要有赫里奧特氣池(herriottcell)與懷特氣池(whitecell)兩種類型。懷特池的特點是其孔徑角較大，適用于普通光源和激光光源；通過調(diào)節(jié)兩個較小球面鏡的偏轉(zhuǎn)角度可以調(diào)節(jié)光在氣池中的反射次數(shù)，從而實現(xiàn)對光程的調(diào)節(jié)，但在真空或高壓強的封閉系統(tǒng)中難以調(diào)節(jié)；同時其所用的反射鏡較多，結(jié)構(gòu)較為復雜。相對懷特池而言，赫里奧特池僅由兩個球面鏡組成，光學系統(tǒng)較為簡潔；同樣可以利用較短距離實現(xiàn)長光程氣池的設計并且其光路易于調(diào)節(jié)；雖然其孔徑角較懷特池小。對于激光光譜吸收的系統(tǒng)和裝置，在存在小擾動和振動的情形下，赫里奧特池性能更為穩(wěn)定，是優(yōu)選的抗振型氣池。

herriott氣池是一種長光程吸收氣池，可用于弱痕量氣體吸收光譜應用中，比如環(huán)境監(jiān)測、燃燒工序、醫(yī)療診斷，和基本的原子和分子物理學中。herriott池的主要優(yōu)點是它以緊湊的設計提供了相對較長的吸收光路，并且比高精細度的光學腔（這種光學腔通常需要空間模式匹配，精確的光學對準，或共振激發(fā)）簡單得多。例如，設計腔長度是363mm的?2英寸反射鏡和?2mm的光束，可實現(xiàn)12.5m的光路長度。由于設備的簡單性和穩(wěn)定性，herriott池提供了一種便利的工具來增加光束的光路長度，同時使設備保持緊湊且易于管理。

但是實際工業(yè)應用的過程中，不可避免存在因機械、電氣等引起的振動，如煙塵的燃燒道監(jiān)測。而長光程氣池依賴相對空間位置的固定，容易受到振動影響。從而大大限制了光譜技術(shù)的應用和檢測效果。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種抗振動長光程氣池，本發(fā)明提高了工業(yè)應用場合下長光程氣池的抗振動性能，操作簡便、通用性強和檢測誤差小等顯著優(yōu)勢。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明提出的一種抗振動長光程氣池，包括長光程氣池單元、光路調(diào)整單元、輔助單元和輸入輸出單元，所述長光程氣池單元包括密閉金屬圓柱體、用于保證密封金屬圓柱體密封性的近光端耦合窗片、設有通光孔的近光端反射鏡面、遠光端反射鏡面及微距調(diào)節(jié)器，所述光路調(diào)整單元包括反射鏡、光電探測器和準直器，所述輔助單元包括加熱層和測量傳感器，所述測量傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器和溫控模塊，所述輸入輸出單元包括輸入光纖、輸出光纖、第一光纖連接器和第二光纖連接器；所述加熱層包裹在密閉金屬圓柱體外壁，近光端耦合窗片、近光端反射鏡面均設置在密閉金屬圓柱體的同一端，遠光端反射鏡面設置在密閉金屬圓柱體的另一端；其中，

輸入光纖，用于將外部輸入的光傳輸至第一光纖連接器；

第一光纖連接器，用于將接收的光耦合為發(fā)散光輸出至準直器；

準直器，用于將發(fā)散光變?yōu)槠叫泄廨斎胫练瓷溏R；

反射鏡，用于根據(jù)接收的平行光產(chǎn)生反射光，反射光經(jīng)近光端耦合窗片入射至近光端反射鏡面；

近光端反射鏡面、遠光端反射鏡面，用于使反射光在密閉金屬圓柱體中來回多次反射，從而增加反射光在密閉金屬圓柱體內(nèi)的光程，最終經(jīng)多次反射后的光從近光端反射鏡面的通光孔中出射至反射鏡，反射鏡再將其反射至光電探測器；

光電探測器，用于探測光的強度，并將探測后的光由第二光纖連接器、輸出光纖輸出；

微距調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)遠光端反射鏡面，使得經(jīng)多次反射后的光能夠由近光端反射鏡面的通光孔中出射至反射鏡上；

壓力傳感器，用于測量密封金屬圓柱體內(nèi)部的壓強；

溫度傳感器，設置在密封金屬圓柱體的表面，用于將測量出的溫度輸出至溫控模塊；

溫控模塊，用于根據(jù)溫度傳感器測量出的溫度，控制密封金屬圓柱體的表面溫度始終在預設的溫度范圍內(nèi)。

作為本發(fā)明所述的一種抗振動長光程氣池進一步優(yōu)化方案，所述長光程氣池單元與輔助單元、光路調(diào)整單元、第一光纖連接器、第二光纖連接器分別為不可移動式機械連接。

作為本發(fā)明所述的一種抗振動長光程氣池進一步優(yōu)化方案，所述近光端耦合窗片與反射鏡空間間距不超過5厘米。

作為本發(fā)明所述的一種抗振動長光程氣池進一步優(yōu)化方案，近光端反射鏡面和遠光端反射鏡面的鍍層為金以及二氧化鉿保護層。

作為本發(fā)明所述的一種抗振動長光程氣池進一步優(yōu)化方案，所述輸入輸出單元與光路調(diào)整單元通過光纖連接。

作為本發(fā)明所述的一種抗振動長光程氣池進一步優(yōu)化方案，所述密閉金屬圓柱體的材質(zhì)為鍍鎳鋁，并安裝有進氣閥和出氣閥。

作為本發(fā)明所述的一種抗振動長光程氣池進一步優(yōu)化方案，所述光電探測器和準直器固定安裝在同一整體面板中。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

（1）抗振性能佳：本發(fā)明中克服了原有實驗室利用空間光構(gòu)建長氣池的不足，將光纖準直器和光電探測器的安裝位置相對固定，利用光纖輸入和輸出，大大提升了長光程氣池的抗振動性能，可拓展光譜吸收技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應用；

（2）適應環(huán)境能力強；本發(fā)明中的長光程氣池設置了高氣密性腔體和輔助單元，增設加熱層和溫度、內(nèi)部壓強測量傳感器，一方面可以控制恒定溫度或壓強，避免溫度或壓強變化對測量結(jié)果的影響；另一方面，可以通過測量到的實時參量信息進行檢測結(jié)果校正以便減低檢測誤差；

（3）操作簡便、通用性強：所發(fā)明的長光程氣池無需調(diào)節(jié)和準直，直接在光纖連接器上接入光纖即可，操作簡便，并對不同波長的激光或光源具有良好的通用性；

（4）檢測誤差小：通過上述分析可以知道，該裝置能夠應對不同溫度、壓強和振動環(huán)境下的使用，削弱了受環(huán)境參數(shù)的影響，還可通過環(huán)境參數(shù)控制或補償校正等方式減小測量誤差；因此，本發(fā)明具有抗振性能佳、適應環(huán)境能力強、操作簡便、通用性強和檢測誤差小等顯著優(yōu)勢；可服務于不同檢測需求的工業(yè)場合，具有良好的應用前景。

附圖說明

圖1是抗振動長光程氣池的設計框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細說明：

需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細說明本發(fā)明。

影響系統(tǒng)靈敏主要包括電路和光路兩方面：電子元器件的噪聲、漂移；光路耦合狀態(tài)的變化、光源輸出的不穩(wěn)定；環(huán)境因素（振動、溫度）對電路和光路的影響等。雜散的布置容易引入不確定的因素和干擾，為了能夠進一步提高氣池的抗干擾和抗振動性能，在上述赫里奧特氣池的基礎(chǔ)上，提高集成度，設計了一種一體化的檢測氣池，將光纖準直器以及光電探測器均安裝于氣池入光側(cè)，圖1是抗振動長光程氣池的設計框圖，一種抗振動長光程氣池，包括長光程氣池單元、光路調(diào)整單元、輔助單元和輸入輸出單元，所述長光程氣池單元包括用于保證密封金屬圓柱體密封性的近光端耦合窗片、設有通光孔的近光端反射鏡面、密閉金屬圓柱體、遠光端反射鏡面及微距調(diào)節(jié)器，所述光路調(diào)整單元包括反射鏡、光電探測器和準直器，所述輔助單元包括加熱層和測量傳感器，所述測量傳感器包括壓力傳感器、溫度傳感器和溫控模塊，所述輸入輸出單元包括輸入光纖、輸出光纖、第一光纖連接器、和第二光纖連接器；所述加熱層包裹在密閉金屬圓柱體外壁，近光端耦合窗片、近光端反射鏡面均設置在密閉金屬圓柱體的同一端，遠光端反射鏡面設置在密閉金屬圓柱體的另一端；其中，

輸入光纖，用于將外部輸入的光傳輸至第一光纖連接器；

第一光纖連接器，用于將接收的光耦合為發(fā)散光輸出至準直器；

準直器，用于將發(fā)散光變?yōu)槠叫泄廨斎胫练瓷溏R；

反射鏡，用于根據(jù)接收的平行光產(chǎn)生反射光，反射光經(jīng)近光端耦合窗片入射至近光端反射鏡面；

近光端反射鏡面、遠光端反射鏡面，用于使反射光在密閉金屬圓柱體中來回多次反射，從而增加反射光在密閉金屬圓柱體內(nèi)的光程，最終經(jīng)多次反射后的光從近光端反射鏡面的通光孔中出射至反射鏡，反射鏡再將其反射至光電探測器；

光電探測器，用于探測光的強度，并將探測后的光由第二光纖連接器、輸出光纖輸出；

微距調(diào)節(jié)器，用于調(diào)節(jié)遠光端反射鏡面，使得經(jīng)多次反射后的光能夠由近光端反射鏡面的通光孔中出射至反射鏡上；

壓力傳感器，用于測量密封金屬圓柱體內(nèi)部的壓強；

溫度傳感器，設置在密封金屬圓柱體的表面，用于將測量出的溫度輸出至溫控模塊；

溫控模塊，用于根據(jù)溫度傳感器測量出的溫度，控制密封金屬圓柱體的表面溫度始終在預設的溫度范圍內(nèi)。

一體化赫里奧特氣池通過光纖接入激光光路，克服了空間光傳感易受環(huán)境影響的不足。另外，在該氣池中集成了honeywell壓力傳感器、溫度傳感器和輔助的溫控模塊。赫里奧特池的長設計為340.0mm，側(cè)邊外徑63.5mm，氣池體積為0.24l，氣池材質(zhì)為鍍鎳鋁，可承受氣體壓力范圍為0.01~12kpa。其中，耦合孔直徑為3.3mm，耦合孔外的耦合窗為直徑25.0mm，厚3mm的石英窗片。該氣池的球面境均選用thorlabs公司的herriott池反射鏡，其中具有離軸孔的近端鏡面型號為cm508-200eh4-m02，無通孔鏡面型號為cm508-200-m02，直徑均為50.8mm。兩鏡面鍍層為金以及二氧化鉿（hfo2）保護層，采用鍍金鏡面因而鏡面具有大于98.5%的反射率，盡可能避免由于反射造成的光強衰減。同時，二氧化鉿具有紫外到紅外較寬的透明區(qū)域，其具有良好的熱穩(wěn)定性、較好的光學及機械特性，因而作為鍍金鏡面的保護層。該鏡面表面粗糙度為20~10，面型精度為1/10波長（光波長為633nm時）。

入射光在氣池中共反射34次，總光程長度約為10.13m。光譜吸收導致的衰減信號與氣體的濃度和激光在氣體中所經(jīng)歷的光程正相關(guān)，但是當光程增大時，激光在透鏡處的反射損耗越大，穿過氣體后，所到達探測器處的光強減小，因而對激光器的性能及探測器的靈敏度要求提高。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。