本實用新型涉及粉塵濃度測量領(lǐng)域，尤其涉及一種雙光路粉塵濃度測量裝置。

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，難以對粉塵濃度進行實時監(jiān)測。例如現(xiàn)有的化學(xué)反應(yīng)式粉塵濃度傳感器，需要對空氣粉塵進行采集處理，具有測量時延差，無法進行實時測量。而電式粉塵濃度測量裝置安全性較差，當?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。

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、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。但是現(xiàn)有的手持粉塵濃度測量裝置必須要求操作人員在現(xiàn)場進行測量，而在類似于煤礦礦井等粉塵濃度偏高的環(huán)境中，操作人員在測量時必須做好防塵措施，不然會損傷呼吸道，影響健康。另外，由于測量儀器位于高粉塵區(qū)域，長時間使用后儀器表面或儀器內(nèi)必定粉塵沉積，會影響測量精度。

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雙光路粉塵濃度測量裝置，利用光纖實現(xiàn)了光信號的遠距離傳輸，通過雙光路測量和差分計算的方法將測量誤差消除，不僅實現(xiàn)了遠程測量，還提高了測量精度。

本實用新型提供的一種雙光路粉塵濃度測量裝置，包括光源部分、激光傳輸部分、測量部分、信號轉(zhuǎn)換部分，光源部分發(fā)射激光，并由激光傳輸部分將激光傳輸至測量部分，激光在測量部分完成測量后傳輸回激光傳輸部分，激光傳輸部分將測量后的激光傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分，信號轉(zhuǎn)換部分將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，其中測量部分包括第一測量區(qū)、第二測量區(qū)，第一測量區(qū)、第二測量區(qū)均與激光傳輸部分連接；光源部分產(chǎn)生兩束激光，分別對第一測量區(qū)與第二測量區(qū)進行測量；激光傳輸部分包括第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器；第一定向耦合器與第三定向耦合器通過光纖連接，第二定向耦合器與第四定向耦合器通過光纖連接，第三定向耦合器與第一測量區(qū)連接，第四定向耦合器與第二測量區(qū)連接；激光經(jīng)第一定向耦合器、第三定向耦合器依次傳輸?shù)降谝粶y量區(qū)進行測量；激光經(jīng)第二定向耦合器、第四定向耦合器依次傳輸?shù)降诙y量區(qū)進行測量；第三定向耦合器與第四定向耦合器位于測量現(xiàn)場，第一定向耦合器與第二定向耦合器遠離測量現(xiàn)場。

進一步的，第一測量區(qū)包括第一發(fā)射端、第一衰減區(qū)與第一接收端，第二測量區(qū)包括第二發(fā)射端、第二衰減區(qū)與第二接收端，其中第一衰減區(qū)位于第一發(fā)射端與第一接收端之間，第二衰減區(qū)位于第二發(fā)射端與第二接收端之間，第一衰減區(qū)與第二衰減區(qū)內(nèi)為含有粉塵的待測氣體；激光在第一衰減區(qū)內(nèi)的光程小于激光在第二衰減區(qū)內(nèi)的光程；測量部分位于測量現(xiàn)場，光源部分與信號轉(zhuǎn)換部分遠離測量部分。

進一步的，光源部分包括激光器與分束器，其中激光器發(fā)射激光并將激光輸送至分束器，分束器將激光分為第一光路與第二光路；第一光路輸送至第一定向耦合器，并經(jīng)第三定向耦合器輸送至第一測量區(qū)進行測量；第二光路輸送至第二定向耦合器，并經(jīng)第四定向耦合器輸送至第二測量區(qū)進行測量。

進一步的，第一發(fā)射端包括第一準直器，第一接收端包括第一反向準直器，第二發(fā)射端包括第二準直器，第二接收端包括第二反向準直器，其中第一準直器和第一反向準直器均與第三定向耦合器連接，第二準直器和第二反向準直器均與第四定向耦合器連接；第一光路經(jīng)第一準直器擴束后進入第一衰減區(qū)，第一光路通過第一衰減區(qū)的衰減后照射入第一反向準直器，第一光路由第一反向準直器縮束以后傳輸至第三定向耦合器；第二光路經(jīng)第二準直器擴束后進入第二衰減區(qū)，第二光路通過第二衰減區(qū)的衰減后照射入第二反向準直器，第二光路由第二反向準直器縮束以后傳輸至第四定向耦合器。

進一步的，信號轉(zhuǎn)換部分包括第一光電探測器與第二光電探測器，其中：第一定向耦合器與第一光電探測器連接，第二定向耦合器與第二光電探測器連接；完成測量后的第一光路從第三定向耦合器輸出，通過光纖傳輸至第一定向耦合器，再經(jīng)第一定向耦合器傳輸至第一光電探測器；完成測量后的第二光路從第四定向耦合器輸出，通過光纖傳輸至第二定向耦合器，再經(jīng)第二定向耦合器傳輸至第二光電探測器。

進一步的，信號轉(zhuǎn)換部分還包括第一擴束器與第二擴束器，其中第一擴束器安裝在第一定向耦合器與第一光電探測器之間，第二擴束器安裝在第二定向耦合器與第二光電探測器之間；完成測量后的第一光路從第一定向耦合器傳出后經(jīng)第一擴束器擴束，再傳輸至第一光電探測器；完成測量后的第二光路從第二定向耦合器傳出后經(jīng)第二擴束器擴束，再傳輸至第二光電探測器。

進一步的，光源部分還包括耦合器，耦合器位于激光器與分束器之間，耦合器將激光器發(fā)出的激光進行耦合后發(fā)送至分束器。

進一步的，雙光路粉塵濃度測量裝置還包括數(shù)據(jù)處理部分，其中數(shù)據(jù)處理部分與信號轉(zhuǎn)換部分連接，信號轉(zhuǎn)換部分將電信號發(fā)送至數(shù)據(jù)處理部分進行處理。

本實用新型的一種雙光路粉塵濃度測量裝置，具有以下有益效果：

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

2、利用光纖遠距離傳輸光信號，實現(xiàn)遠程測量粉塵濃度；

3、激光器發(fā)射的激光通過分束器分為兩束后經(jīng)激光傳輸部分傳輸至第一測量區(qū)與第二測量區(qū)，實現(xiàn)雙光路測量，利用差分運算消除激光在光學(xué)器件中傳播的損耗和粉塵積落對測量產(chǎn)生的誤差，提高測量精度；

4、設(shè)置準直器將激光進行擴束，增加激光在測量區(qū)域的截面積，使寬束激光在衰減區(qū)的衰減作用更加明顯；

5、設(shè)置第一定向耦合器、第二定向耦合器、第三定向耦合器、第四定向耦合器，實現(xiàn)激光的定向傳播，使激光能夠在光纖中雙向傳輸，節(jié)省了激光遠程傳輸?shù)某杀荆?/p>

6、測量過程以光速進行，不存在延時問題，可達到實時測量效果。

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為本實用新型的雙光路粉塵濃度測量裝置第一個實施例的組成圖；

圖2為本實用新型的雙光路粉塵濃度測量裝置第二個實施例中測量部分的組成圖；

圖3為本實用新型的雙光路粉塵濃度測量裝置第三個實施例的結(jié)構(gòu)圖；

圖中：1-光源部分、2-激光傳輸部分、3-測量部分、4-信號轉(zhuǎn)換部分、5-第一測量區(qū)、6-第二測量區(qū)、7-第一定向耦合器、8-第二定向耦合器、9-第三定向耦合器、10-第四定向耦合器、11-第一發(fā)射端、12-第一衰減區(qū)、13-第一接收端、14-第二發(fā)射端、15-第二衰減區(qū)、16-第二接收端、17-激光器、18-分束器、19-第一光路、20-第二光路、21-第一準直器、22-第一反向準直器、23-第二準直器、24-第二反向準直器、25-第一光電探測器、26-第二光電探測器、27-第一擴束器、28-第二擴束器、29-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├绢I(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范圍。

如圖1所示，本實施例的一種雙光路粉塵濃度測量裝置，包括光源部分1、激光傳輸部分2、測量部分3、信號轉(zhuǎn)換部分4，光源部分1發(fā)射激光，并通過激光傳輸部分2將激光傳輸至測量部分3，激光在測量部分3完成測量后傳輸回激光傳輸部分2，激光傳輸部分2將測量后的激光傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分4，信號轉(zhuǎn)換部分4將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，測量部分3位于測量現(xiàn)場，光源部分1與信號轉(zhuǎn)換部分4遠離測量現(xiàn)場。

測量部分3包括第一測量區(qū)5與第二測量區(qū)6，第一測量區(qū)5和第二測量區(qū)6均與激光傳輸部分2連接，光源部分1產(chǎn)生兩束激光，通過激光傳輸部分2傳輸至測量部分3后，分別對第一測量區(qū)5與第二測量區(qū)6進行測量，實現(xiàn)本方案中對粉塵濃度的雙光路測量。

激光傳輸部分2包括第一定向耦合器7、第二定向耦合器8、第三定向耦合器9、第四定向耦合器10。第一定向耦合器7與第三定向耦合器9通過光纖連接，第二定向耦合器8與第四定向耦合器10通過光纖連接，光纖在第一定向耦合器7與第三定向耦合器9之間、第二定向耦合器8與第四定向耦合器10之間的連接方式本實施例不做具體限定，優(yōu)選的，為保證激光傳輸?shù)耐暾?，采用法蘭固定連接。第三定向耦合器9與第一測量區(qū)5連接，第四定向耦合器10與第二測量區(qū)6連接。光源部分1發(fā)出的激光依次經(jīng)第一定向耦合器7、第三定向耦合器9傳輸?shù)降谝粶y量區(qū)5進行測量，依次經(jīng)第二定向耦合器8、第四定向耦合器10傳輸?shù)降诙y量區(qū)6進行測量。第三定向耦合器9與第四定向耦合器10位于測量現(xiàn)場，第一定向耦合器7與第二定向耦合器8遠離測量現(xiàn)場，其間連接的光纖實現(xiàn)遠距離的激光信號傳播。

具體的如圖2所示，為本實用新型的第二個實施例，在第一個實施例的基礎(chǔ)上，第一測量區(qū)5包括第一發(fā)射端11、第一衰減區(qū)12與第一接收端13，第二測量區(qū)6包括第二發(fā)射端14、第二衰減區(qū)15與第二接收端16。第一衰減區(qū)12位于第一發(fā)射端11與第一接收端13之間，第二衰減區(qū)15位于第二發(fā)射端14與第二接收端16之間，第一衰減區(qū)12與第二衰減區(qū)15內(nèi)為含有粉塵的待測氣體；激光在第一衰減區(qū)12內(nèi)的光程小于激光在第二衰減區(qū)15內(nèi)的光程。優(yōu)選的，第一測量區(qū)5還包括第一連接桿，第二測量區(qū)6還包括第二連接桿，第一連接桿將第一發(fā)射端11與第一接收端13固定連接，第二連接桿將第二發(fā)射端14與第二接收端16固定連接，使第一衰減區(qū)12與第二衰減區(qū)15的距離保持固定。

具體的如圖3所示，為本實用新型第三個實施例，在上一個實施例的基礎(chǔ)上，光源部分1包括激光器17與分束器18，激光器17發(fā)射激光并將激光輸送至分束器18，激光器17的規(guī)格本實施例不做具體限定，分束器18可將一束激光分為兩束或者多束，目前有1×N和2×N兩種類型，本實施例選用1×2的分束器18將激光分為第一光路19與第二光路20，第一光路19輸送至第一定向耦合器7后，通過光纖傳輸至第三定向耦合器9，再經(jīng)第三定向耦合器9輸送至第一測量區(qū)5進行測量，第二光路20輸送至第二定向耦合器8后，通過光纖傳輸至第四定向耦合器10，再經(jīng)第四定向耦合器10輸送至第二測量區(qū)6進行測量。為減小測量誤差，選用分光較均勻的分束器18，使第一光路19與第二光路20的光強度更加均等。第一光路19進入第一測量區(qū)5后，首先通過第一發(fā)射端11，由第一發(fā)射端11射出后進入第一衰減區(qū)12，第一光路19通過第一衰減區(qū)12中含有粉塵的待測氣體對其的衰減作用后進入第一接收端13；第二光路20進入第二測量區(qū)6后，首先通過第二發(fā)射端14，由第二發(fā)射端14射出后進入第二衰減區(qū)15，第二光路20通過第二衰減區(qū)15中含有粉塵的待測氣體對其的衰減作用后進入第二接收端16；由于激光在第一衰減區(qū)12的光程小于激光在第二衰減區(qū)15的光程，所以第一光路19在第一衰減區(qū)12的衰減量也小于第二光路20在第二衰減區(qū)15的衰減量。優(yōu)選的，為降低測量誤差，將第一發(fā)射端11與第二發(fā)射端14設(shè)置為相同結(jié)構(gòu)，第一接收端13與第二接收端16設(shè)置為相同的結(jié)構(gòu)。

具體的，第一發(fā)射端11包括第一準直器21，第一接收端13包括第一反向準直器22，第二發(fā)射端14包括第二準直器23，第二接收端16包括第二反向準直器24，第一準直器21、第二準直器23、第一反向準直器22和第二反向準直器24的參數(shù)規(guī)格本實用新型不做具體限定，可根據(jù)使用環(huán)境另行配置，優(yōu)選的，第一準直器21與第二準直器23完全相同，第一反向準直器22與第二反向準直器24完全相同。第一準直器21和第一反向準直器22均與第三定向耦合器9連接，第三定向耦合器9將從第一定向耦合器7傳輸過來的第一光路19傳輸至第一準直器21，由于激光在光纖中傳輸時光束較細，第一光路19通過第一準直器21擴束后傳輸至第一衰減區(qū)12進行衰減，衰減后的第一光路19進入第一反向準直器22，第一反向準直器22將衰減后的寬束激光進行縮束，縮束后的第一光路19傳輸回至第三定向耦合器9，并依次通過第三定向耦合器9、第一定向耦合器7后，傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分4，信號轉(zhuǎn)換部分4將光信號轉(zhuǎn)化為電信號；同理，第二準直器23和第二反向準直器24均與第四定向耦合器10連接，第四定向耦合器10將從第二定向耦合器8傳輸過來的第二光路20傳輸至第二準直器23，第二光路20通過第二準直器23擴束后傳輸至第二衰減區(qū)15進行衰減，衰減后的第二光路20進入第二反向準直器24，第二反向準直器24將衰減后的寬束激光進行縮束，縮束后的第二光路20傳輸回至第四定向耦合器10，并依次通過第四定向耦合器10、第二定向耦合器8后，傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分4，信號轉(zhuǎn)換部分4將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。通過設(shè)置的第一定向耦合器7、第二定向耦合器8、第三定向耦合器9和第四定向耦合器10，實現(xiàn)第一光路19與第二光路20的定向傳播，使光纖能夠雙向傳輸激光，有效地節(jié)省了遠距離傳輸激光的成本。

優(yōu)選的，第一準直器21與第一反向準直器22的幾何光軸所在的直線與第一光路19在第一準直器21與第一反向準直器22之間的傳播路徑相重合，第二準直器23與第二反向準直器24的幾何光軸所在的直線與第二光路20在第二準直器23與第二反向準直器24之間的傳播路徑相重合，可使第一光路19與第二光路20的激光能夠最大限度地傳播，盡可能的減少激光在傳輸元件中的損耗，以提高粉塵濃度測量的精度。更優(yōu)選的，在第一準直器21與第二準直器23外部分別設(shè)置密封性較強的保護殼，并在保護殼上安裝用于激光傳輸?shù)钠酵哥R，由于第一準直器21與第二準直器23直接暴露在粉塵環(huán)境中，其對激光的調(diào)整效果會因為表面積落的粉塵而深受影響，所以將第一準直器21與第二準直器23分別放置在保護殼中會有效避免粉塵積落對激光調(diào)整的影響，設(shè)置保護殼與平透鏡之后，第一光路19與第二光路20分別經(jīng)過第一準直器21與第二準直器23的擴束后，穿過平透鏡進入第一衰減區(qū)12、第二衰減區(qū)15；同樣，在第一反向準直器22與第二反向準直器24的外部也分別設(shè)置密封性較強的保護殼，并在保護殼上安裝激光傳輸?shù)钠酵哥R，衰減后的第一光路19先通過平透鏡再照射入第一反向準直器22進行縮束聚焦，衰減后的第二光路20先通過平透鏡再照射入第二反向準直器24進行縮束聚焦。整個測量部分3為純光學(xué)裝置，安裝在礦井或者易發(fā)生事故的測量環(huán)境中非常安全。

具體的，信號轉(zhuǎn)換部分4包括第一光電探測器25與第二光電探測器26，其中第一定向耦合器7與第一光電探測器25連接，第二定向耦合器8與第二光電探測器26連接；完成測量后的第一光路19從第三定向耦合器9輸出，通過光纖傳輸至第一定向耦合器7，再經(jīng)第一定向耦合器7傳輸至第一光電探測器25，第一光電探測器25將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號；完成測量后的第二光路20從第四定向耦合器10輸出，通過光纖傳輸至第二定向耦合器8，再經(jīng)第二定向耦合器8傳輸至第二光電探測器26，第二光電探測器26將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號。

具體的，信號轉(zhuǎn)換部分4還包括第一擴束器27與第二擴束器28，第一擴束器27安裝在第一定向耦合器7與第一光電探測器25之間，第二擴束器28安裝在第二定向耦合器8與第二光電探測器26之間；完成測量后的第一光路19從第一定向耦合器7傳出后經(jīng)第一擴束器27擴束，再傳輸至第一光電探測器25；完成測量后的第二光路20從第二定向耦合器8傳出后經(jīng)第二擴束器28擴束，再傳輸至第二光電探測器26。進入第一光電探測器25與第二光電探測器26的激光通過第一擴束器27與第二擴束器28的擴束作用，將較為聚集的細光變?yōu)閷捠叫泄?，使第一光電探測器25與第二光電探測器26能夠更有效地進行光電轉(zhuǎn)換輸出。

具體的，光源部分1還包括耦合器29，耦合器29安裝在激光器17與分束器18之間，激光器17發(fā)射的激光為平行光，經(jīng)過耦合器29耦合后，變成較為聚集的激光并傳輸至分束器18，分束器18將激光分束，分別傳輸至第一定向耦合器7與第二定向耦合器8后再通過其他部件的傳輸，最終完成粉塵濃度的測量。

具體的，本實施例還包括數(shù)據(jù)處理部分，其中數(shù)據(jù)處理部分與信號轉(zhuǎn)換部分4連接，信號轉(zhuǎn)換部分4將光信號轉(zhuǎn)化為電信號后發(fā)送至數(shù)據(jù)處理部分進行數(shù)據(jù)運算與處理。數(shù)據(jù)處理部分通過信號轉(zhuǎn)換部分4輸送的電信號進行計算，最終得出激光的衰減系數(shù)，進而得出待測氣體的粉塵濃度。

本實施例通過兩路光對待測氣體分別進行測量，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算激光的衰減系數(shù)，由于衰減系數(shù)與待測氣體的粉塵濃度有一定的比例關(guān)系，便可根據(jù)一定的比例關(guān)系計算出待測氣體的粉塵濃度。本實施例的雙光路粉塵濃度測量裝置其測量過程及激光衰減系數(shù)的具體算法如下：

激光器17輸出的激光經(jīng)過耦合器耦合后進入分束器18，再經(jīng)分束器18分成第一光路19與第二光路20進行傳遞，第一光路19通過第一定向耦合器7、光纖、第三定向耦合器9后進入第一測量區(qū)5，先通過第一準直器21擴束，設(shè)定從第一準直器21射出的激光光強為I,第二光路20通過第二定向耦合器8、光纖、第四定向耦合器10后進入第二測量區(qū)6，先通過第二準直器23擴束，設(shè)定從第二準直器23射出的激光光強為I′,第一光路19經(jīng)過第一衰減區(qū)12衰減后照射入第一反向準直器22的光強為I₁，第二光路20經(jīng)過第二衰減區(qū)15衰減后照射入第二反向準直器24的光強為I₂，第一準直器21與第一反向準直器22的距離為l₁,第二準直器23與第二反向準直器24的距離為l₂,設(shè)定衰減系數(shù)為α，則由于第一光路19與第二光路20通過分束器18平均分為兩束光，且第一準直器21與第二準直器23完全相同，所以I＝I′,故計算得α＝ln(I₂/I₁)/(l₁-l₂)。在距離l₁與l₂為固定值時，通過測量進入第一反向準直器22與第二反向準直器24的光強I₁與I₂，便可計算得出待測氣體對激光的衰減系數(shù)α。由于一定的粉塵濃度對應(yīng)著一定的激光衰減系數(shù)，而在實際應(yīng)用中，可通過標準試驗方法確定出粉塵濃度與激光衰減系數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，在測量中便可根據(jù)實驗值算出粉塵濃度。

整個雙光路粉塵濃度測量裝置，通過光纖實現(xiàn)遠距離光信號的傳輸，實現(xiàn)遠程測量，運用分束器將一束激光平均分為兩束，將兩束光分別射入路徑長度不等的同一待測環(huán)境中進行測量，兩束光經(jīng)衰減后，通過激光傳輸部分將激光返回并傳輸至信號轉(zhuǎn)換部分，信號轉(zhuǎn)換部分將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將電信號傳輸至數(shù)據(jù)處理部分進行計算，最終得出待測氣體的粉塵濃度。由于本方案中除第一衰減區(qū)與第二衰減區(qū)的光程不相等以外，其他測量環(huán)境完全相同，所以在后續(xù)的差分計算中，可將兩個光路上所有的誤差做差消除，實現(xiàn)僅對差分路徑上粉塵濃度的測量。

以上借助具體實施例對本實用新型做了進一步描述，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的范圍。