本實用新型涉及粉塵濃度測量領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖式粉塵濃度測量裝置。

背景技術(shù)：

粉塵濃度的測量方法主要包括光學(xué)分析法與非光學(xué)分析法，非光學(xué)分析法由于檢測設(shè)備響應(yīng)速度慢、處理復(fù)雜，難以對粉塵濃度進(jìn)行實時監(jiān)測。而基于光學(xué)分析的粉塵濃度測量技術(shù)具有探測靈敏度高、選擇性強(qiáng)、響應(yīng)速度快等特點，適合現(xiàn)場實時監(jiān)測，且成本較低，是以后粉塵濃度測量的理想方法。

現(xiàn)有的手持粉塵濃度測量裝置必須要求操作人員在現(xiàn)場進(jìn)行測量，而在類似于煤礦礦井粉塵濃度高的環(huán)境中，操作人員在測量時必須做好防塵措施，否則會損傷呼吸道，影響健康?，F(xiàn)有的化學(xué)反應(yīng)式粉塵濃度傳感器，需要對空氣粉塵進(jìn)行采集處理，具有測量時延差，無法進(jìn)行實時測量；電式粉塵濃度測量裝置安全性較差，當(dāng)?shù)V井粉塵濃度過高時，輕微的電火花會引發(fā)礦井爆炸的風(fēng)險，有很大的安全隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實用新型提供一種光纖式粉塵濃度測量裝置，通過光纖將光信號傳輸至測量區(qū)域，測量區(qū)域設(shè)置單透鏡整形器將用于測量的激光能量空間分布均勻化，測量后再將光信號經(jīng)光纖傳出，即實現(xiàn)了遠(yuǎn)程測量，又提高了測量精度。

本實用新型的一種光纖式粉塵濃度測量裝置，包括光源部分、測量部分、信號轉(zhuǎn)換部分，光源部分產(chǎn)生激光并通過光纖傳輸至測量部分，激光通過測量部分測量后通過光纖傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分，其中測量部分位于測量現(xiàn)場，光源部分與信號轉(zhuǎn)換部分遠(yuǎn)離測量部分；測量部分包括第一激光調(diào)整端、衰減區(qū)、第二激光調(diào)整端、第一連接桿、第二連接桿；第一激光調(diào)整端與第二激光調(diào)整端之間為衰減區(qū)，且第一激光調(diào)整端與第二激光調(diào)整端通過第一連接桿、第二連接桿并行固定連接，衰減區(qū)內(nèi)為含有粉塵的待測氣體。

進(jìn)一步的,光源部分包括激光器與第一耦合器，激光器發(fā)射激光并通過第一耦合器耦合后由光纖傳輸至測量部分。

進(jìn)一步的,信號轉(zhuǎn)換部分包括探測器，探測器將輸入信號轉(zhuǎn)換部分的激光信號轉(zhuǎn)化為電信號。

進(jìn)一步的,第一激光調(diào)整端還包括準(zhǔn)直器、第一平透鏡以及單透鏡整形器，其中準(zhǔn)直器與第一平透鏡分別位于單透鏡整形器的兩側(cè)，光源部分發(fā)出的激光從光纖中傳出后依次通過準(zhǔn)直器、單透鏡整形器、第一平透鏡后射入衰減區(qū)。

進(jìn)一步的,第二激光調(diào)整端包括第二平透鏡、倒置準(zhǔn)直器，倒置準(zhǔn)直器位于第二平透鏡的后方，其中通過衰減區(qū)的激光進(jìn)入第二激光調(diào)整端后依次射入第二平透鏡與倒置準(zhǔn)直器。

進(jìn)一步的,光纖式粉塵濃度測量裝置還包括定向耦合器，其中光源部分與信號轉(zhuǎn)換部分均通過定向耦合器與測量部分連接；光源部分發(fā)射激光并傳輸至定向耦合器，定向耦合器將發(fā)射激光通過光纖傳輸至測量部分。

進(jìn)一步的,第二激光調(diào)整端包括第二平透鏡與全反射鏡，其中全反射鏡位于第二平透鏡的后方，通過衰減區(qū)的激光進(jìn)入第二激光調(diào)整端后依次射入第二平透鏡、全反射鏡，全反射鏡將激光原路返回，從第一激光調(diào)整端輸出。

進(jìn)一步的,由全反射鏡反射的激光經(jīng)第一激光調(diào)整端輸出后通過光纖傳輸至定向耦合器，定向耦合器將反射后的激光傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分；由定向耦合器射出的激光傳輸至測量部分所用的光纖與反射回并通過第一激光調(diào)整端后傳輸至定向耦合器的激光所用的光纖為同一根。

進(jìn)一步的,信號轉(zhuǎn)換部分還包括第二耦合器，激光經(jīng)過第二耦合器耦合后輸入探測器。

進(jìn)一步的，還包括數(shù)據(jù)處理部分，其中數(shù)據(jù)處理部分與探測器連接，探測器將電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行處理。

本實用新型的一種光纖式粉塵濃度測量裝置，具有以下有益效果：

1、測量部分為純光學(xué)結(jié)構(gòu)，放置在測量現(xiàn)場非常安全；

2、采用準(zhǔn)直器對光纖輸出的激光進(jìn)行擴(kuò)束，可以提高測量區(qū)域截面積，其測量結(jié)果能反映較大空間中粉塵的濃度；

3、設(shè)置倒置準(zhǔn)直器將激光進(jìn)行縮束，便于光纖的傳輸；

4、設(shè)置定向耦合器以及反射式測量方法，使用一根光纖完成輸入測量部分的激光和輸出測量部分的激光的傳輸，節(jié)約成本；

5、利用單透鏡整形器對準(zhǔn)直器的輸出光進(jìn)行能量平均化處理，使得對于粉塵濃度的測量在均勻分布的光場下進(jìn)行，可改善測量空間范圍內(nèi)粉塵濃度的非均勻分布問題對測量結(jié)果的不利影響；

6、利用測量區(qū)粉塵濃度對于擴(kuò)束光光強(qiáng)損耗的影響進(jìn)行測量，測量過程以光速進(jìn)行，不存在延時問題，可達(dá)到實時測量效果。

附圖說明

為了更清楚的說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見的，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1為本實用新型的光纖式粉塵濃度測量裝置第一個實施例；

圖2為本實用新型的光纖式粉塵濃度測量裝置第二個實施例；

圖中：1-第一激光調(diào)整端、2-衰減區(qū)、3-第二激光調(diào)整端、4-第一連接桿、5-第二連接桿、6-激光器、7-第一耦合器、8-探測器、9-準(zhǔn)直器、10-第一平透鏡、11-單透鏡整形器、12-第二平透鏡、13-倒置準(zhǔn)直器、14-定向耦合器、15-全反射鏡、16-第二耦合器。

具體實施方式

下面將結(jié)合本實用新型中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通的技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本實用新型的保護(hù)范圍。

如圖1所示，一種光纖式粉塵濃度測量裝置，包括光源部分、測量部分、信號轉(zhuǎn)換部分，光源部分產(chǎn)生激光并通過光纖傳輸至測量部分，激光通過測量部分測量后通過光纖傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分，光纖的兩端與各部件之間的連接方式本實施例不做具體限定，優(yōu)選的，選用法蘭連接。測量部分位于測量現(xiàn)場，光源部分與信號轉(zhuǎn)換部分遠(yuǎn)離測量部分，由于測量部分與光源部分及信號轉(zhuǎn)換部分之間通過光纖連接，操作人員在遠(yuǎn)離測量現(xiàn)場的地方操作光源部分與信號轉(zhuǎn)換部分，光纖將測量激光進(jìn)行傳輸，從而實現(xiàn)粉塵濃度的遠(yuǎn)程測量。測量部分包括第一激光調(diào)整端1、衰減區(qū)2、第二激光調(diào)整端3、第一連接桿4、第二連接桿5；第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3通過第一連接桿4、第二連接桿5并行固定連接，在不影響激光傳輸?shù)臈l件下，可選用一個連接桿將第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3連接到一起，或者為固定第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3，也可選用多個連接桿進(jìn)行固定連接；第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3之間為衰減區(qū)2，衰減區(qū)2為內(nèi)為含有粉塵的待測氣體。

具體的,光源部分包括激光器6與第一耦合器7，由于激光器6發(fā)射的激光近似為平行光，先通過第一耦合器7將激光進(jìn)行耦合聚焦以后由光纖傳輸至測量部分。

具體的,信號轉(zhuǎn)換部分包括探測器8，探測器8將輸入信號轉(zhuǎn)換部分的激光信號轉(zhuǎn)化為電信號。探測器8將光信號轉(zhuǎn)化為電信號后，便于后期數(shù)據(jù)的計算與整理。

具體的,第一激光調(diào)整端1還包括準(zhǔn)直器9、第一平透鏡10以及單透鏡整形器11，其中準(zhǔn)直器9與第一平透鏡10分別位于單透鏡整形器11的兩側(cè)，光源部分發(fā)出的激光從光纖中傳出后依次通過準(zhǔn)直器9、單透鏡整形器11、第一平透鏡10后射入衰減區(qū)2。通過光纖輸入測量部分的激光是經(jīng)過第一耦合器7聚焦之后傳輸?shù)?，所以在激光進(jìn)入衰減區(qū)2進(jìn)行衰減之前，需要將激光通過準(zhǔn)直器9進(jìn)行擴(kuò)束變成寬束光，但由于擴(kuò)束后的寬束光仍為高斯光分布，其光截面能量空間分布不均勻，如果直接照射到衰減區(qū)2進(jìn)行激光的衰減，則在后期分析數(shù)據(jù)時誤差較大，所以將寬束光通過單透鏡整形器11將高斯光轉(zhuǎn)化為光截面能量分布更加均勻的平頂光之后，再通過第一平透鏡10照射入衰減區(qū)2。單透鏡整形器11選用非球面鏡片，鏡片的表面視使用環(huán)境自定選用，本實施例不做具體限定，只需實現(xiàn)將平行高斯光轉(zhuǎn)化為平行平頂光的目標(biāo)即可。優(yōu)選的，準(zhǔn)直器9、第一平透鏡10、單透鏡整形器11三者的鏡面幾何中心位置位于同一條直線上，且該直線與激光在第一激光調(diào)整端1內(nèi)傳輸?shù)墓饴返闹行木€相重合，使激光能夠最大限度的通過第一激光調(diào)整端1，盡可能的減少激光在傳輸過程中的損耗，以提高粉塵濃度測量的精度。

具體的,第二激光調(diào)整端3包括第二平透鏡12、倒置準(zhǔn)直器13，倒置準(zhǔn)直器13位于第二平透鏡12的后方，通過衰減區(qū)2的激光進(jìn)入第二激光調(diào)整端3后依次射入第二平透鏡12與倒置準(zhǔn)直器13，倒置準(zhǔn)直器13將寬束光進(jìn)行縮束后通過光纖傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分，優(yōu)選的，第二平透鏡12與倒置準(zhǔn)直器13二者的鏡面幾何中心位置與在激光在第二調(diào)整端內(nèi)傳輸?shù)墓饴返闹行木€重合，提高粉塵濃度測量的精度。測量部分為純光學(xué)裝置，安裝在礦井或者易發(fā)生事故的環(huán)境中能夠保證測量的安全性。第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3設(shè)置為獨立的密閉結(jié)構(gòu)，將準(zhǔn)直器9、單透鏡整形器11、倒置準(zhǔn)直器13均放置在密閉結(jié)構(gòu)中，防止灰塵積落影響對激光的處理。

具體的，信號轉(zhuǎn)換部分還包括第二耦合器16，激光經(jīng)過第二耦合器16耦合后輸入探測器8。設(shè)置第二耦合器16將光纖中傳播的聚集光轉(zhuǎn)化為平行光，便于探測器8的信號轉(zhuǎn)換。

具體的，本實施例還包括數(shù)據(jù)處理部分，數(shù)據(jù)處理部分與探測器8連接，探測器8將電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行處理。

本實施例通過激光在待測氣體中的衰減計算待測氣體的粉塵濃度，設(shè)定激光在輸入衰減區(qū)2之前的光強(qiáng)為I₁，激光在輸出衰減區(qū)2之后的光強(qiáng)為I₂，激光在衰減區(qū)2傳播的距離為l，衰減系數(shù)為α，則I₂＝I₁e^-αl,故計算出α＝ln(I₁/I₂)/l。在距離l為固定值時，通過測量光強(qiáng)I₁和I₂，便可計算出待測氣體對激光的衰減系數(shù)α。粉塵濃度和光衰減系數(shù)呈一定的對應(yīng)關(guān)系，所以可由光衰減系數(shù)得出對應(yīng)的粉塵濃度。

如圖2所示,本實用新型的第二個實施例，包括光源部分、測量部分、信號轉(zhuǎn)換部分，光源部分產(chǎn)生激光并通過光纖傳輸至所述測量部分，激光通過測量部分測量后通過光纖傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分，測量部分位于測量現(xiàn)場，光源部分與信號轉(zhuǎn)換部分遠(yuǎn)離測量部分；測量部分包括第一激光調(diào)整端1、衰減區(qū)2、第二激光調(diào)整端3、第一連接桿4、第二連接桿5；第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3之間為衰減區(qū)2，且第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3通過第一連接桿4、第二連接桿5并行固定連接，衰減區(qū)2為空腔結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)部為含有粉塵的待測氣體。光源部分包括激光器6與第一耦合器7，激光器6發(fā)射激光并通過第一耦合器7耦合后由光纖傳輸至測量部分。信號轉(zhuǎn)換部分包括探測器8，探測器8將輸入信號轉(zhuǎn)換部分的激光信號轉(zhuǎn)化為電信號。第一激光調(diào)整端1還包括準(zhǔn)直器9、第一平透鏡10以及單透鏡整形器11，其中準(zhǔn)直器9與第一平透鏡10分別位于單透鏡整形器11的兩側(cè)，光源部分發(fā)出的激光從光纖中傳出后依次通過準(zhǔn)直器9、單透鏡整形器11、第一平透鏡10后射入衰減區(qū)2。

具體的，本實施中光纖式粉塵濃度測量裝置還包括定向耦合器14，光源部分與信號轉(zhuǎn)換部分均通過定向耦合器14與測量部分連接；光源部分發(fā)射激光并傳輸至定向耦合器14，定向耦合器14將發(fā)射激光通過光纖傳輸至測量部分。定向耦合器14可實現(xiàn)光源部分至光纖的光傳輸與光纖至信號轉(zhuǎn)換部分的光傳輸。

具體的，第二激光調(diào)整端3包括全反射鏡15，通過衰減區(qū)2的激光垂直照射在全反射鏡15上，全反射鏡15將激光反射后激光按照原路返回，從第一激光調(diào)整端1射出。由于全反射鏡15直接暴露在待測氣體環(huán)境中，使用較長時間后灰塵會積落在全反射鏡15的鏡面上，影響全反射鏡15的反射率，所以優(yōu)選的，第二激光調(diào)整端3還包括第二平透鏡12，全反射鏡15位于第二平透鏡12的后方，通過衰減區(qū)2的激光進(jìn)入第二激光調(diào)整端3后依次射入第二平透鏡12、全反射鏡15，將全反射鏡15的位置調(diào)整使通過衰減區(qū)2的激光能夠垂直射入全反射鏡15，全反射鏡15將激光反射后激光按原路返回，從第一激光調(diào)整端1射出。第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3設(shè)置為獨立的密閉結(jié)構(gòu)，將準(zhǔn)直器9、單透鏡整形器11、全反射鏡15均放置在密閉結(jié)構(gòu)中，防止灰塵積落影響對激光的處理。

具體的,由全反射鏡15反射的激光經(jīng)第一激光調(diào)整端1輸出后通過光纖傳輸至定向耦合器14，定向耦合器14將反射后的激光傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分；

由定向耦合器14射出的激光傳輸至測量部分所用的光纖與反射回并通過第一激光調(diào)整端1傳輸至定向耦合器14的激光所用的光纖為同一根，本實施例通過設(shè)置定向耦合器14，讓輸入第一激光調(diào)整端1的激光和輸出第一激光調(diào)整端1的激光共用一根光纖，降低了使用成本。

本實施例通過激光在待測氣體中的衰減計算待測氣體的粉塵濃度，設(shè)定激光在輸入衰減區(qū)2之前的光強(qiáng)為I₁，激光在輸出衰減區(qū)2之后的光強(qiáng)為I₂，激光在衰減區(qū)2傳播的距離為l′，衰減系數(shù)為α，則I₂＝I₁e^-αl′,故計算出α＝ln(I₁/I₂)/l′。在距離l′為固定值時，通過測量光強(qiáng)I₁和I₂，便可計算出待測氣體對激光的衰減系數(shù)α。與第一個實施例不同的地方在于，本實施例中激光在衰減區(qū)2傳播的距離是第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3之間距離的2倍。粉塵濃度和光衰減系數(shù)呈一定的對應(yīng)關(guān)系，所以可由光衰減系數(shù)得出對應(yīng)的粉塵濃度。

整個光纖式粉塵濃度測量裝置，利用激光在待測氣體中傳播造成的衰減，計算出待測氣體的粉塵濃度，利用光纖將光信號進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，實現(xiàn)遠(yuǎn)程測量；通過設(shè)置單透鏡整形器將激光能量空間分布均勻化，使粉塵在光場分布均勻的情況下進(jìn)行衰減；設(shè)置全反射鏡和定向耦合器使輸入測量區(qū)的激光與輸出測量區(qū)的激光用同一根光纖傳輸達(dá)到測量目的，節(jié)約設(shè)備成本。

以上借助具體實施例對本實用新型做了進(jìn)一步描述，但是應(yīng)該理解的是，這里具體的描述，不應(yīng)理解為對本實用新型的實質(zhì)和范圍的限定，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員在閱讀本說明書后對上述實施例做出的各種修改，都屬于本實用新型所保護(hù)的范圍。