一种TDLAS气体检测用反射式气室的制作方法

一种tdlas气体检测用反射式气室
技术领域
1.本发明涉及气体组份检测领域，具体涉及一种tdlas气体检测用反射式气室，应用于多气体实时在线检测仪。


背景技术：

2.tdlas技术是基于可调谐二极管激光器，利用被测气体分子的“选频”特性，实现对被测气体特征的测量。该优势成功规避了其他气体组分的干扰，成为当前精准实时在线气体检测系统方案的优选。同时其相应速度快，测量下限低、可同时分析多种气体成分，主要包括甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氧气、氨气等气体。因此特别是九十年代后期以来，基与tdlas技术的气体检测方案及设备如春笋般涌现，在工业应用领域已经出现固定式测试系统、分布式测试系统、遥测式测试系统等多种测量方式。
3.由于tdlas的工作原理，气室在扩散式气体在线测量仪中是必不可少的光学部件，气室光路的稳定性、紧凑性，以及可制造性，都直接决定了整体扩散式气体在线测量仪的性能、体积、以及成本。目前基于扩散式气体检测仪中使用的反射式气室存在以下几种问题：1、气室内，光路反射次数决定了光路稳定性，反射次数越多，光路稳定性越敏感。反射次数越少，光路稳定性越高，但气室体积越大。2、气室中反射镜片的耦合方式复杂，多为6维耦合方式耦合，制造工艺复杂，可制造性差，成本高。3、气室中耦合反射镜多为胶合固定，胶合固定气室长期工作在油气环境中时，容易出现固定胶软化分解，导致耦合反射镜脱落，气室无法正常工作。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种tdlas气体检测用反射式气室，以解决现有气室中存在的反射次数与光路稳定性平衡的问题、高效率耦合可制造性问题、油气环境应用可靠性问题等一系列技术缺陷。
5.本发明提供的一种tdlas气体检测用反射式气室，包括气室管壳，所述气室管壳内壁上分布设置有多个固定式反射镜和耦合反射镜，所述气室管壳上分布设置有用于供光线射入的光入射孔和用于供光线射出的光出射孔，从所述光入射孔射入的光线依次经过所述耦合反射镜、多个所述固定式反射镜的反射后从所述光出射孔射出；其中，所述耦合反射镜通过耦合插芯和耦合宝塔套安装在所述气室管壳内壁，所述耦合插芯具有斜角端面，所述耦合反射镜固定在所述耦合插芯的斜角端面上，所述耦合插芯与所述耦合宝塔套相配合使得耦合反射镜能够在相对于固定所述气室管壳内之前能够相对于所述光入射孔的光轴进行相对位置和相对角度的调整。
6.在上述技术方案中，所述固定式反射镜的个数大于等于2个。
7.在上述技术方案中，所述气室管壳内壁上还设置有温度压力传感器，且所述温度压力传感器靠近所述光出射孔。
8.在上述技术方案中，所述耦合反射镜、所述耦合插芯、所述耦合宝塔套、所述气室
管壳的耦合焊接面均具有圆形结构金属零件，所述耦合插芯穿设在耦合宝塔套的内孔中，并穿过所述气室管壳上的开孔，所述耦合宝塔套的底座部的下圆形焊接面与所述气室管壳的开孔处外的圆形耦合焊接面压平；从而使得所述耦合插芯在装配时具有沿xyz轴方向移动以及同轴旋转的调整功能。
9.在上述技术方案中，所述气室管壳外套设有扩散式密封盖，所述扩散式密封盖内设有分子过滤结构。
10.在上述技术方案中，在所述气室管壳内壁且位于所述光入射孔处覆盖设置有入射孔密封光窗，所述入射孔密封光窗相对从所述光入射孔射入的光线非垂直设置，且从所述光入射孔射入的光线与所述入射孔密封光窗的法线之间的夹角范围为大于零度且小于或等于六十度；在所述气室管壳内壁且位于所述光出射孔处覆盖设置有出射孔密封光窗，所述出射孔密封光窗相对从所述出入射孔射出的光线非垂直设置，且从所述光出射孔射出的光线与所述出射孔密封光窗的法线之间的夹角范围为大于零度且小于或等于六十度。
11.在上述技术方案中，所述入射孔密封光窗和所述出射孔密封光窗上均镀有ar介质膜；或/和，所述固定式反射镜一、所述固定式反射镜二和所述耦合反射镜上均镀有hr介质膜。
12.在上述技术方案中，所述入射孔密封光窗和所述出射孔密封光窗均通过对焊料进行焊接或烧结的形式固定在所述气室管壳内壁上。
13.在上述技术方案中，所述固定式反射镜一和所述固定式反射镜二均通过对焊料进行焊接或烧结的形式固定在所述气室管壳内壁上；所述耦合反射镜通过对焊料进行焊接或烧结的形式固定在所述耦合插芯的斜角端面上。
14.在上述技术方案中，所述耦合反射镜相对从所述光入射孔射入的光线非垂直设置，且从所述光入射孔射入的光线与所述耦合反射镜的法线之间的夹角范围为大于零度且小于或等于六十度。
15.本发明还提供一种tdlas气体检测用反射式气室的制作方法，包括步骤：
16.将固定反射镜一固定在气室管壳内壁且位于m型光路的m中心底点，将固定反射镜二固定在气室管壳内壁且位于m型光路的m右边一侧顶点；
17.将耦合反射镜固定在耦合插芯的斜角端面上，耦合插芯穿过耦合宝塔套内孔后，放置在m型光路的m左边一侧顶点；
18.将入射光线通过位于气室管壳中m型光路左边一侧底点的光入射孔，且照射到对向的已经安装在耦合插芯斜角端面上的耦合反射镜表面；
19.通过耦合插芯的xyz轴移动，以及耦合插芯的同轴旋转，实现反射式气室的光路耦合，将入射光线依次经过耦合反射镜、固定反射镜一和固定反射镜二，最终耦合到光出射孔中心，作为出射光线；
20.待光路耦合好后，用激光焊接方式在耦合宝塔套的管壁上穿透焊接，将耦合宝塔套和耦合插芯进行穿透焊固定；
21.将内固定好耦合插芯的耦合宝塔套，用激光焊接的方式固定在气室管壳上；
22.用补缝胶将耦合宝塔套和气室管壳之间的缝隙以及耦合插芯和耦合宝塔套之间的缝隙填充，将其密封；
23.将温度压力传感器固定在气室管壳内，位置于光出射孔旁。且对温度压力传感器
尾部进行灌胶密封，使得温度压力传感器和气室管壳间不会出现气体渗漏现象；
24.将扩散式密封盖用密封圈压接并固定到气室管壳上，实现气室的封盖，对内部光学部件起到保护隔离作用。
25.本发明的有益效果是：在本发明一种tdlas气体检测用反射式气室中，光线在气室中传播的路径为m型，m型光路在较小的尺寸下，实现了光路反射四次，也就是增大了4倍左右的光程，根据朗伯比尔定律，增加光程可以增大气体吸收信号的幅度，从而有效提高检测灵敏度；同时m型光路结构由于其反射次数密度不高，因此光路稳定性相对与高密度反射气室而言，其光路稳定性在高低温环境中更加稳定可靠。
26.耦合反射镜固定在耦合插芯上，就能通过耦合插芯的xyz轴移动以及耦合插芯同轴旋转，可以实现反射式气室的光路精准耦合，将入射光线经过多次反射后，耦合到光出射孔中心；避免了当前市场上多反气室中常用的镜片xyz轴以及θ
x
θyθz的六维耦合方式；大大提高了耦合效率，同时耦合插芯以及耦合宝塔套都是不锈钢材质，该结构能使用激光焊接进行耦合后固定，在保证固定的可靠性同时，有效提高了产品的可生产性以及生产效率，大大降低了成本。
27.扩散式密封盖内具体有大分子过滤结构，能将粉尘以及水汽阻挡在密封盖外，而气体则能正常穿过密封盖进入到气室内。
28.在光入射孔和光出射孔处增加了密封光窗，使得整体气室结构成为完整的气密性密封结构，能有效保证被测气体不会通过气室渗漏到光源以及控制模块部分，提高了产品的使用安全性及可靠性；另外由于两密封光窗都相对其透射光线非垂直放置，透射光线与密封光窗法线夹角在零度和六十度之间，在避免了垂直入射带来的光反射引起的零点噪声问题的同时，又不会因角度太大而带来过大的光路位移。
29.通过对焊料进行焊接或烧结的形式固定，避免了常规多反气室中反射镜多为胶合固定的工艺方式，胶合固定密封光窗的气室产品长期工作在油气环境中时，容易出现固定胶软化分解，导致密封光窗位移或脱落的问题，导致气室无法正常工作；焊接或者低温烧结能满足更恶劣的使用环境，提高了产品的使用范围以及可靠性。
30.通过对焊料进行焊接或烧结的形式固定，避免了常规多反气室中反射镜多为胶合固定的工艺方式，胶合固定反射镜的气室产品长期工作在油气环境中时，容易出现固定胶软化分解，导致反射镜位移或脱落的问题，导致气室无法正常工作。焊接或者低温烧结能满足更恶劣的使用环境，提高了产品的使用范围以及可靠性。
31.由于耦合反射镜和入射光线非垂直设置，因此才能形成似m型的反射光路，但若入射光线与耦合反射镜片法线夹角过大，会造成反射气室光路稳定性对该角度过于敏感，由于产品生产过程中的耦合、固定以及产品在高低温工作的环境中都会使得零部件之间出现微小位移，因此控制光入射孔射入的光线与所述耦合反射镜的法线之间的夹角范围既控制住了光路敏感度。
附图说明
32.图1为本发明实施例一中气体传感用反射式气室的结构示意图；
33.图2为本发明实施例二中气体传感用反射式气室的结构示意图；
34.图3为本发明实施例三中气体传感用反射式气室的结构示意图；
35.图4为本发明耦合宝塔套及耦合插针的结构立体图；
36.图5为本发明中耦合结构及过程示意图。
37.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
38.1、气室管壳，2、固定反射镜一，3、固定反射镜二，4、耦合反射镜，5、光入射孔，6、光出射孔，7、温度压力传感器，8、耦合插芯，9、耦合宝塔套，10、扩散式密封盖，11、入射孔密封光窗，12，出射孔密封光窗，13、焊料。
具体实施方式
39.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
40.实施例一：
41.如图1所示，一种气体传感用反射式气室，包括气室管壳1，所述气室管壳1内壁上分布设置有固定式反射镜一2、固定式反射镜二3和耦合反射镜4，所述气室管壳1上分布设置有用于供光线射入的光入射孔5和用于供光线射出的光出射孔6，从所述光入射孔5射入的光线依次经过所述耦合反射镜4、所述固定式反射镜一2以及所述固定式反射镜二3的反射后从所述光出射孔6射出，且光线依次经过所述光入射孔5、所述耦合反射镜4、所述固定式反射镜一2、所述固定式反射镜二3以及所述光出射孔6传递形成的光路为m型光路。
42.具体的，固定反射镜一2固定在m型光路的m中心底点，固定反射镜二3固定在m型光路的m左右任意一侧顶点，耦合反射镜4经过耦合调整后固定在m型光路的m另一侧顶点。
43.在本具体实施例中，所述气室管壳1内壁上还设置有温度压力传感器7，且所述温度压力传感器7靠近所述光出射孔6。
44.在本具体实施例中，所述耦合反射镜4通过耦合插芯8和耦合宝塔套9安装在所述气室管壳1内壁上，所述耦合插芯8具有斜角端面，所述耦合反射镜4固定在所述耦合插芯8的斜角端面上，所述耦合插芯8通过耦合调整后焊接在所述耦合宝塔套9内，所述耦合宝塔套9焊接固定在所述气室管壳1上。所述耦合插芯8具有xyz轴移动以及同轴旋转功能，所述m型光路的耦合方式为，通过耦合插芯8的xyz轴移动以及耦合插芯8的同轴旋转，使从所述光入射孔5射入的光线经过多次反射后能够耦合到所述光出射孔6中心处沿光出射孔6的光轴输出。
45.在本具体实施例中，所述气室管壳1外套设有扩散式密封盖10，所述扩散式密封盖10内设有分子过滤结构。
46.在本具体实施例中，所述耦合反射镜4的镜面与所述光入射孔5的光轴以非垂直方式进行设置，即所述耦合反射镜4的镜面相对从所述光入射孔5射入的光线以非垂直方式进行设置，使得从所述光入射孔5射入的光线与所述耦合反射镜4的法线之间的夹角范围为大于零度且小于或等于六十度。
47.本具体实施例的工艺重点为通过耦合插芯8的xyz轴移动，以及耦合插芯8的同轴旋转，实现反射式气室的光路耦合，将入射光线经过多次反射后，耦合到光出射孔5中心。
48.本发明耦合结构及过程如图4-5所示，耦合反射镜4、耦合插芯8、耦合宝塔套9、气室管壳1的耦合焊接面均为圆形结构金属零件，耦合反射镜4固定在耦合插芯8的斜角端面上，耦合插芯8滑动穿过耦合宝塔套9的内孔，并穿过气室管壳1上的开孔将耦合反射镜4放
置于气室管壳1内部，再将内含有耦合插芯8的耦合宝塔套9的底座部的下圆形焊接面与气室管壳1的开孔处外的圆形耦合焊接面压平。其中，耦合插芯8的外径与耦合宝塔套9的内径相配合，使两者可以紧密配合并使耦合插芯8沿z轴移动一定距离，气室管壳1上供耦合插芯8穿设的开孔内径稍大于耦合插芯8的外径，使得耦合插芯8在气室管壳1开孔内可沿xy平面的任意方向移动一定距离并可自由绕z轴旋转，且气室管壳1上供耦合插芯8穿设的开孔内径远小于耦合宝塔套9的底座部分，使得耦合插芯8在气室管壳1开孔内移动至任意极限位置时，耦合宝塔套9的底座部分均能够严密封堵气室管壳1上的开孔。
49.装配完成后准备开始耦合。具体耦合调整方式如图5中a-b-c-d所示，耦合前起始位置如图5中a所示；通过调整耦合宝塔套9与气室管壳1的xy相对位置，从而实现耦合宝塔套带9带动内部耦合插芯8带动耦合反射镜4的xy移动，如图5中b所示；通过耦合插芯8在耦合宝塔套9的上下相对滑动实现耦合插芯8相对气室管壳1的z方向移动，从而带动耦合反射镜4的z方向移动，如图5中c所示；由于耦合宝塔套9及耦合插芯8都是同轴回转体结构，因此通过耦合宝塔套9的同轴旋转，可带动耦合插芯8的同轴旋转，即可带动耦合反射镜4的同轴旋转。由于耦合反射镜4固定在耦合插芯8的斜角端面上，因此同轴旋转耦合插芯8会改变该斜角端面相对入射光的角度。从而实现耦合反射镜4相对气室管壳1实现xyz任意方向上的位置移动，以及角度改变，从而完成耦合。其最终耦合状态可能如图5中d所示。
50.具体的，本实施例中的一种气体传感用反射式气室制备方法如下：
51.步骤s1010：将固定反射镜一2固定在气室管壳1内壁且位于m型光路的m中心底点，将固定反射镜二3固定在气室管壳1内壁且位于m型光路的m右边一侧顶点。
52.步骤s1020：将耦合反射镜4固定在耦合插芯8的斜角端面上，耦合插芯8穿过耦合宝塔套9内孔后，放置在m型光路的m左边一侧顶点，准备光路耦合。
53.步骤s1030：将入射光线通过位于气室管壳1中m型光路左边一侧底点的光入射孔5，且照射到对向的已经安装在耦合插芯8斜角端面上的耦合反射镜4表面。
54.步骤s1040：通过耦合插芯8的xyz轴移动，以及耦合插芯8的同轴旋转，实现反射式气室的光路耦合，将入射光线依次经过耦合反射镜4、固定反射镜一2和固定反射镜二3，最终耦合到光出射孔5中心，作为出射光线。
55.步骤s1050：待光路耦合好后，用激光焊接方式在耦合宝塔套9的管壁上穿透焊接，将耦合宝塔套9和耦合插芯8进行穿透焊固定。
56.步骤s1060：将内固定好耦合插芯8的耦合宝塔套9，用激光焊接的方式固定在气室管壳1上。
57.步骤s1070：用补缝胶将耦合宝塔套9和气室管壳1之间的缝隙以及耦合插芯8和耦合宝塔套9之间的缝隙填充，密封。
58.步骤s1080：将温度压力传感器7固定在气室管壳1内，位置于光出射孔6旁。且对温度压力传感器7尾部进行灌胶密封，使得温度压力传感器7和气室管壳1间不会出现气体渗漏现象。
59.步骤s1090：将扩散式密封盖10用密封圈压接并固定到气室管壳1上，实现气室的封盖，对内部光学部件起到保护隔离作用。
60.在本实施例一的一种气体传感用反射式气室中：外部入射光线通过光入射孔5，入射进入该反射式气室内，光线依次经过反射气室内的耦合反射镜4、固定反射镜一2和固定
反射镜二3的全反射，最终从光出射孔6输出。而由于耦合反射镜4固定在耦合插芯8带斜角端面，因此便实现了耦合反射镜4和入射光线非垂直设置。耦合时，通过耦合插芯8的xyz轴移动以及耦合插芯8的同轴旋转，便可以实现耦合反射镜4的xzy三维移动以及和对向入射光的立体空间相对角度。从而能精准的进行光路耦合，将光线按照设计要求的依次通过耦合反射镜4、固定反射镜一2和固定反射镜二3全反射，最终从光出射孔6输出。耦合完成后，通过激光焊接的工艺，将耦合插芯8、耦合宝塔套9、气室管壳1三者固定，由此相当于固定好了耦合反射镜4在光路中的相对位置。
61.实施例二：
62.如图2所示，实施例二与实施例一的区别在于，进一步在所述气室管壳1内壁且位于所述光入射孔5处覆盖设置有入射孔密封光窗11，所述入射孔密封光窗11相对从所述光入射孔5射入的光线非垂直设置，且从所述光入射孔5射入的光线与所述入射孔密封光窗11的法线之间的夹角范围为大于零度且小于或等于六十度；在所述气室管壳1内壁且位于所述光出射孔6处覆盖设置有出射孔密封光窗12，所述出射孔密封光窗12相对从所述出入射孔6射出的光线非垂直设置，且从所述光出射孔6射出的光线与所述出射孔密封光窗12的法线之间的夹角范围为大于零度且小于或等于六十度。
63.与实施例一相比，本实施例二中全密封性的气体传感用反射式气室制备方法的区别在于：
64.在步骤s1010之前进一步包括：
65.步骤s1004：将入射孔密封光窗11固定在气室管壳1的光入射孔5内壁，与入射光线非垂直放置，避免反射光进入链路系统中，引起光噪声。
66.步骤s1005：将出射孔密封光窗12固定在气室管壳1的光出射孔6内壁，与出射光线非垂直放置，避免反射光进入链路系统中，引起光噪声。
67.本实施例二通过上述步骤实现，在实施例一的基础上，增加入射孔密封光窗11和出射孔密封光窗12，在保证了入射光线能顺利穿透入射孔密封光窗11进入气室，以及出射光线能顺利穿透出射孔密封光窗12离开气室的同时，实现了气室的密封性结构，使得气体不会从光入射孔5和光出射孔6溢出。因此该结构能在加压的气体管道中进行气体含量测量。同时由于入射光线、出射光线和对应的密封光窗均非垂直设置，因此其反射光不会返回到原光学链路中，对光系统产生光噪声影响。
68.实施例三：
69.如图3所示，实施例三与实施例二的区别在于，所述入射孔密封光窗11和所述出射孔密封光窗12均通过对焊料13进行焊接或烧结的形式固定在所述气室管壳1内壁上。所述固定式反射镜一2和所述固定式反射镜二3均通过对焊料13进行焊接或烧结的形式固定在所述气室管壳1内壁上；所述耦合反射镜4通过对焊料13进行焊接或烧结的形式固定在所述耦合插芯8的斜角端面上。
70.进一步可选地，在所述入射孔密封光窗11和所述出射孔密封光窗12上均镀有ar介质膜；所述固定式反射镜一2、所述固定式反射镜二3和所述耦合反射镜4上均镀有hr介质膜。
71.具体的，与实施例一相比，本实施例三中高可靠性的一种气体传感用反射式气室制备方法的区别如下：
72.在步骤s1010之前进一步包括：
73.步骤s1001：固定反射镜一2、固定反射镜二3和耦合反射镜4均镀hr介质膜，增大光反射率。
74.步骤s1002：入射孔密封光窗11和出射孔密封光窗12均镀ar介质膜，增大光透射率。
75.步骤s1003:固定反射镜一2、固定反射镜二3、耦合反射镜4、入射孔密封光窗11和出射孔密封光窗12用于固定的表面进行预处理，以满足低温钎焊或玻璃烧结工艺。
76.步骤s1004：入射孔密封光窗11通过焊料13(焊料13为钎焊料或者玻璃焊料)，低温钎焊(当焊料13为钎焊料时低温钎焊)或者玻璃烧结(当焊料13为玻璃焊料时玻璃烧结)在气室管壳1的光入射孔5内侧，与入射光线非垂直放置，避免反射光进入链路系统中，引起光噪声。
77.步骤s1005：出射孔密封光窗12通过焊料13(焊料13为钎焊料或者玻璃焊料)，低温钎焊(当焊料13为钎焊料时低温钎焊)或者玻璃烧结(当焊料13为玻璃焊料时玻璃烧结)在气室管壳1的光出射孔6内侧，与出射光线非垂直放置，避免反射光线进入链路系统中，引起光噪声。
78.进一步地，步骤s1010、步骤s1020中固定反射镜一2、固定反射镜二3、耦合反射镜4的固定方式可以分别具体选择为低温钎焊或者玻璃烧结
79.在本实施例三在实施例二的基础上，可以进一步提高反射镜的反射率以及密封光窗的透射率，降低该反射式气室内的非规则反射光，降低了光学系统的光噪声。低温钎焊或者玻璃烧结的镜片固定工艺能满足更恶劣的使用环境，提高了产品的使用范围以及可靠性。避免了传统胶合固定反射镜的反射式气室产品长期工作在油气环境中时，出现固定胶软化分解，导致反射镜位移或脱落的问题。
80.实施例四：
81.在上述实施例一、实施例二、实施例三中，入射光线在气室内反射三次，光路呈m形；在此基础上，可以进一步增加固定反射镜的个数，即在气室管壳1内设置n个固定反射镜，使得入射光线在气室内进行更多次折射后到达出射孔，使得入射光线在气室内的传播路径得到更大的延展，这里的n大于等于3，例如，3、4、5、6、7、8、9、10。由于光路反射相对于固定反射镜的光轴具有对称性，因此通过周期性对称交错设置多个固定反射镜同样可以通过调整耦合反射镜4的位置和角度来实现这种多次反射的光路对准和调整。
82.在上述实施例一、实施例二、实施例三中，入射孔和反射孔设置于气室管壳1的同侧，本领域技术人员可以知晓，在本实施例中入射孔和反射孔还可以设置于气室管壳1的不同侧。
83.本领域技术人员应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
84.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
85.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。