[發明專利]一種調頻激光吸收光譜氣體探測裝置

在審

• 申請號: 202111498874.0
• 申請日: 2021-12-09
• 公開（公告）號: CN114018870A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 蔡波;李向陽;高永濤;劉帥強
• 申請（專利權）人: 河南鑫宇光科技股份有限公司
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39;G01N21/01
• 代理公司: 焦作市科彤知識產權代理事務所(普通合伙) 41133
• 代理人: 楊曉彤

本發明涉及氣體探測技術領域的一種調頻激光吸收光譜氣體探測裝置，包括導熱殼體，導熱殼體內固定有互相配合的調頻激光器、反射鏡、光電探測器、發射光學透鏡、接收光學透鏡、信號處理電路及激光驅動電路；本發明利用發射光學透鏡與反射鏡、接收光學透鏡相互配合，將調頻激光器發射的波長特殊、光路較長的光變為直線距離較短的折返光路，同時進一步的將調頻激光器、反射鏡、光電探測器、發射光學透鏡、接收光學透鏡、信號處理電路及激光驅動電路等器件一體化集成設計，整體尺寸緊湊、成本低廉、適合大規模生產，散熱效果好，檢測可靠性及精度高，降低了批量生產的難度和成本，對工作環境要求低，有利于廣泛應用。

技術領域

本發明涉及氣體探測技術領域，具體地，涉及一種調頻激光吸收光譜氣體探測裝置。

背景技術

TDLAS通過測量調頻激光掃描經過被測氣體時吸收譜線時發生的變化來測量被測氣體濃度，具有氣體選擇性和抗干擾能力極強、靈敏度極高，且壽命長、無需校準等突出優點，由于該方法所需的調頻激光器波長特殊、光路較長等原因，一般TDLAS測量裝置成本較高，相對體積較大，主要應用于實驗室和大氣分析等科學研究和一些關鍵工藝過程中痕量小分子氣體的精確分析，而無法代替傳統探測器得到更為廣泛的應用。

發明內容

針對現有技術存在的上述缺陷，本發明旨在提供低成本折返復用短光路的一種調頻激光吸收光譜氣體探測裝置，并采用新的可大幅降低運算要求、提高數據采樣效率的等權重數字信號采樣方法，使裝置可以通過廉價的簡單采樣和處理器實現。該裝置采用反射鏡形成折返光路，不但大大縮小器件體積，還具有復雜度低、成本低和可集成的優點。

具體的，本發明提供了結構緊湊、成本低廉、易于批量生產的一種調頻激光吸收光譜氣體探測裝置，包括導熱殼體，所述導熱殼體內固定有調頻激光器、激光驅動電路、光電探測器、信號處理電路、發射光學透鏡、接收光學透鏡及反射鏡；

所述調頻激光器與激光驅動電路連接，所述光電探測器與信號處理電路連接；所述發射光學透鏡設置在調頻激光器的發射端，所述接收光學透鏡設置在光電探測器的光敏面處，所述發射光學透鏡與接收光學透鏡之間設置至少一面反射鏡，所述調頻激光器發射的激光經過發射光學透鏡準直后到達反射鏡，在被測氣體環境下被反射鏡反射形成折返光路最后到達接收光學透鏡，被接收光學透鏡匯聚在光電探測器的光敏面上；

所述激光驅動電路用于控制調頻激光器發射激光，所述發射光學透鏡用于對調頻激光器發射的光進行準直，所述反射鏡用于在被測氣體環境下對發射光學透鏡準直后的光進行反射形成多段折返光路后到達接收光學透鏡，所述接收光學透鏡用于將接收的光匯聚到光電探測器的光敏面處，所述光電探測器用于將匯聚到光電探測器的光敏面上的光信號轉化為光電流，所述信號處理電路用于對光電探測器的光電流進行采樣、放大和處理。

調頻激光器在激光驅動電路的驅動下發射發散激光信號，該激光信號通過發射光學透鏡準直，形成準直或近準直光束；光束經過反射鏡的反射，將光電探測器所需要的較長光束，折返成數段探測光路，使之占用較小的空間，配合散熱外殼形成緊湊小巧的裝置整體，且通過空間復用減小探測光路的體積，進而縮短被測氣體充滿該探測光路空間的時間；經過反射往復折返的探測光束通過接收光學透鏡，匯聚在光電探測器的光敏面上，并由該光電探測器轉換成光電流，光電流被信號處理電路放大和處理；當調頻激光器頻率跨越被測氣體吸收頻譜峰時，通過探測光電流的變化，信號處理電路探測光電流的變化進行采樣處理，得到被測氣體濃度。

優選的，所述導熱殼體內設有相互分隔的電子元件倉及光路倉，并實施高等級防水防塵保護，可確保在惡劣環境下的正常工作；所述信號處理電路及激光驅動電路均設置在電子元件倉內，所述調頻激光器、反射鏡、光電探測器、發射光學透鏡、接收光學透鏡均設置在光路倉內，所述光路倉上設有進氣端，所述進氣端設有氣體過濾器，氣體過濾器對進入光路倉的氣體進行過濾，過濾掉塵埃等有害物質，使裝置適應更加惡劣的使用環境。