一种多组分气体近红外激光遥测装置的制作方法

1.本实用新型属于气体检测装置技术领域，具体涉及一种多组分气体近红外激光遥测装置。


背景技术：

2.对于石油工业中的管道泄漏检测等应用，传统的检测仪器包括火焰电离检测、半导体型检测器，和电化学传感器等，但是这些方法都是接触式测量，无法进行远距离外的遥测。另外，无论是半导体型还是电化学式传感器，其检测灵敏度和特异性都不高，并且使用寿命有限。另一方面，对石油开采、油气传输、存储或石化工业过程中的气体泄漏对多组分同时检测提出了需求，代表性气体包括甲烷、硫化氢等可燃有毒成分。
3.光学方法尤其是激光检测方法是近年来兴起的一种先进的非接触式检测方法。其中，可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diodelaser absorption spectroscopy,tdlas)，具有灵敏度高、响应速度快、选择性好、抗干扰性强等特点，已被广泛用于石化等气体检测中。但现有的tdlas遥测产品大都基于甲烷一种气体，不能满足油库等场所对可燃、有毒多组分气体检测的需求。


技术实现要素：

4.为了克服石油工业中的管道多组分危险气体实时泄漏检测的现有技术中存在的缺陷，本实用新型提供一种多组分气体近红外激光遥测装置，利用波长调制光谱(wms)技术与高速时分复用结合的方式实现多组分气体同时检测，即多个(两个及两个以上)近红外分布反馈半导体激光器(distributed feedback-laser diode,dfb-ld)耦合输出，利用菲涅尔透镜接收回波信号，进行非合作目标下的气体泄漏检测。这种高灵敏的遥测和多组分同时检测是该技术未来的发展趋势。
5.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种多组分气体近红外激光遥测装置，包括信号发生器、多路激光发生器、光纤耦合器、激光准直器、菲涅尔透镜、光电探测器、锁相放大器、计算机，所述激光发生器包括电连接的激光温度和电流控制器和激光器；所述信号发生器与每路激光发生器的激光温度和电流控制器电连接，每路的激光发生器的激光器通过光纤与光纤耦合器连接；所述光纤耦合器通过光纤与激光准直器连接；所述菲涅尔透镜将反射的激光汇聚到光电探测器上，所述光电探测器、锁相放大器和计算机依次电连接。
7.进一步的，所述激光准直器、菲涅尔透镜和光电探测器共同构成桶状近红外光学模组。
8.进一步的，所述近红外光学模组的结构为：光电探测器安装在桶形外壳的内部底面中心处，菲涅尔透镜安装在桶形外壳内的中前部，其聚焦点处于光电探测器上，所述激光准直器安置在桶形外壳的口部中心处；所述激光准直器和光纤耦合器的连接光纤设置在桶形外壳的内壁，并由底部出线与光纤耦合器连接；所述光电探测器和锁相放大器的连接线
由桶形外壳底部出线与锁相放大器连接。
9.进一步的，所述菲涅尔透镜为螺纹结构。
10.进一步的，所述近红外光学模组的部设有光纤快速连接器和导线快接插头。
11.传统的气体检测技术如半导体式气体探测器、电化学式、接触式气敏传感器等，它们固有的缺点诸如检测灵敏度低、精度低、响应慢、稳定性不佳和需要定期校准等，在石油工业中的管道泄漏检测应用中，难以满足对泄漏的痕量气体进行快速、高精度监测的要求。相较传统的气体检测技术，本实用新型的有益效果如下：
12.(1)本实用新型装置通过高速时分复用技术控制激光器在同一时刻只有一个激光器输出激光，多个激光器共用菲涅尔透镜、光电探测器，可以对多种气体进行测量，降低了根据光电探测器输出电信号反演待测气体浓度的难度。此外，激光器在同一时刻只有一路信号输出，不存在其他信号的干扰，同时结合波长调制光谱技术，采用高频调制测量可以有效抑制光学条纹和降低噪声，降低气体的检测限。
13.(2)本实用新型装置拓展性较强，可轻易用于多个激光器的复用，不仅限于2个。将激光发射端和接收端集成在同一端，采用非合作式的测量方法，极大的简化了光路结构，降低了成本，可以实现远距离测量，适用于更加复杂危险的应用环境。
14.(3)本实用新型装置摒弃传统的抛物面镜，采用具有螺纹结构的菲涅尔透镜聚焦，可以实现近20米的遥测距离，非合作目标条件下以遥测距离为半径进行扫描测量可覆盖区域更加广阔。
15.(4)本实用新型装置针对不同气体采用不同调制幅度，即变调制幅度(vwa)-wms技术，使每种气体的检测灵敏度最佳。
附图说明
16.图1：本实用新型结构示意图。
17.图中：1、信号发生器；2、激光温度和电流控制器；3、激光器； 4、光纤耦合器；5、激光准直器；6、菲涅尔透镜；7、光电探测器；8、锁相放大器；9、计算机；10、待测气体；11障碍物；12、近红外光学模组；12-1、外壳；12-2、光纤快速连接器；12-3、导线快接插头。
具体实施方式
18.为使本领域技术人员更加清楚的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和实施例对本实用新型进一步详细描述。但是此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限制本实用新型的范围。
19.如图1所示，一种多组分气体近红外激光遥测装置(本实施例以两种气体同时检测为例)，包括信号发生器1、两路激光发生器、光纤耦合器4、激光准直器5、菲涅尔透镜6、光电探测器7、锁相放大器8、计算机9。每路激光发生器包括电连接的激光温度和电流控制器2和激光器3。
20.信号发生器1与每路激光发生器的激光温度和电流控制器2电连接，每路的激光发生器的激光器3通过光纤连接到光纤耦合器4进行合束。光纤耦合器4将合束后的激光通过光纤传输到激光准直器5，并由激光准直器5向外发射激光。发射出的激光经过待测气体10，经待测气体10吸收能量后的光束照射到障碍物11的粗糙表面发生漫反射。
21.本实用新型通过高速时分复用技术控制多路的激光器3轮流检测，0.05s轮换一次，在同一时刻只有一个激光器输出激光，多个激光器共用菲涅尔透镜、光电探测器，可以对多种气体进行测量，降低了根据光电探测器输出电信号反演待测气体浓度的难度。此外，激光器在同一时刻只有一路信号输出，不存在其他信号的干扰，同时结合波长调制光谱技术，采用高频调制测量可以有效抑制光学条纹和降低噪声，降低气体的检测限。
22.漫反射的激光通过菲涅尔透镜6汇聚到光电探测器7上，由光信号转换成电信号。光电探测器7、锁相放大器8和计算机9依次电连接。电信号由锁相放大器8进行处理，解调信号，最终计算机9接收锁相放大器8解调得到的数据进行处理，分析计算数据得到待测气体组份浓度等信息。
23.信号发生器1用于产生锯齿信号和正弦信号并叠加，接入激光温度和电流控制器2对激光器3进行调谐和调制。
24.激光温度和电流控制器2从信号发生器接入控制信号，用于直接控制激光器3的输出电流与温度。
25.激光器3接受激光温度和电流控制器2的控制发出激光，经光纤导入光纤耦合器4。
26.光纤耦合器4将多路激光器3发出的激光进行合束，并经光纤导入激光准直器5。
27.激光准直器5接收光纤耦合器4合束后的激光，并对激光光束进行准直。经准直后的光束向外发射，照射待测气体10，用于获得目标气体10的吸收谱线。
28.发射信号光经待测气体10吸收后，由障碍物11漫反射部分激光。
29.菲涅尔透镜6接收漫反射的信号光，并对漫反射的信号光进行汇聚。
30.光电探测器7对菲涅尔透镜6汇聚后的信号光进行检测，并转换为电信号。
31.锁相放大器8对光电探测器7转换后的电信号进行处理，解调得到一次谐波与二次谐波信号。
32.计算机9对锁相放大器8解调得到的数据进行处理，根据 wms-2f/1f测量模型反演、分析待测气体10的吸收谱线并计算数据得到待测气体组份浓度等信息。
33.激光准直器5、菲涅尔透镜6和光电探测器7共同构成桶状的近红外光学模组12，光电探测器7安装在桶形外壳12-1的内部底面中心处，螺纹结构的菲涅尔透镜6安装在桶形外壳12-1内的中前部，其聚焦点处于光电探测器7上，激光准直器5安装在桶形外壳12-1 的口部中心处。激光准直器5和光纤耦合器4连接的光纤设置在桶形外壳12-1的内壁，并由底部出线与光纤耦合器4连接。光电探测器7 和锁相放大器8的连接线由桶形外壳12-1底部出线与锁相放大器8 连接。
34.为方便本装置的携带，近红外光学模组12与光纤耦合器4连接的光纤和与锁相放大器8连接的导线为可拆卸式连接。近红外光学模组12的底部设有光纤快速连接器12-2和导线快接插头12-3，光纤耦合器4与激光准直器5的连接光纤通过光纤快速连接器12-2 连接，光电探测器7和锁相放大器8的连接线通过导线快接插头 12-3连接。本装置携带时，通过光纤快速连接器12-2和导线快接插头12-3断开光纤耦合器4与激光准直器5连接的光纤和光电探测器7和锁相放大器8连接的导线，对本装置拆分携带。