專利名稱：氣體濃度測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氣體濃度測(cè)量?jī)x。
背景技術(shù)：
無論是大氣污染(如N0、 N02、 S02等)還是人體健康診斷(02, C02， CO 等)，還是采礦安全(C0、 CH4等)都涉及到氣體含量及存在與否的測(cè)量問題， 特別是現(xiàn)代工業(yè)化帶來的全球臭氧層破壞、溫室效應(yīng)、光化學(xué)煙霧等嚴(yán)重后果， 對(duì)國(guó)家發(fā)展和人類健康具有深遠(yuǎn)的影響，環(huán)境領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新是《國(guó)家"十 一五"科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》所提出的戰(zhàn)略目標(biāo)之一，基本控制環(huán)境污染，初步 遏制生態(tài)惡化的趨勢(shì)是"十一五"期間國(guó)家對(duì)科技界的一個(gè)殷切希望。另外， 通過分析巖石圈、水圈和大氣圈中的氣體樣品，發(fā)現(xiàn)異常氣體，還可以達(dá)到礦 產(chǎn)勘察以及地球化學(xué)勘察的目的。如人們?cè)诮饘俚V床上方發(fā)現(xiàn)0、 C02、 S02、 HS、 Rn和Hg蒸氣等氣體異常。另外，地震還會(huì)產(chǎn)生Hg蒸汽。
目前，氣體傳感的方法非常多，可大致分為物理和化學(xué)兩大類。物理的方 法可以通過電流、電導(dǎo)、超聲、光折射率、光強(qiáng)度等物理量的變化來檢測(cè)氣體 的成分及濃度；而化學(xué)的方法則是通過化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反映引起物理量的變 化(如溫度變化)來檢測(cè)的。在眾多的測(cè)量方法中，激光光譜法具有最高的靈 敏度，是目前研究的熱點(diǎn)。由于每一種氣體都有其特定的吸收波長(zhǎng)，通過用不 同波長(zhǎng)的激光就可以精確地確定氣體的種類及濃度。
不論何種氣體的實(shí)驗(yàn)研究或在線檢測(cè)，都需要給予被測(cè)氣體一定的測(cè)量空 間，稱為氣室。 一般通用的氣室具有入氣口和出氣口，對(duì)于光學(xué)測(cè)量方法還應(yīng) 包括通光窗口。隨著應(yīng)用場(chǎng)合的不同，氣室的形狀也大不相同。
如申請(qǐng)專利號(hào)為CN200810246800. 6的發(fā)明專利，涉及一種多次反射氣室， 包括一個(gè)兩端通透的中空長(zhǎng)方體光學(xué)池，兩通透端上分別固定連接一主反射鏡 板和一 1/2反射鏡板，與光學(xué)池一體的另兩側(cè)板上分別開設(shè)有一進(jìn)光口和一與 其對(duì)應(yīng)設(shè)置的出光口 ，光學(xué)池內(nèi)的進(jìn)光口和出光口處分別設(shè)置有一入射反射鏡 和一輸出反射鏡，且入射反射鏡和輸出反射鏡分別與進(jìn)光、出光方向成45。角。 又如申請(qǐng)專利號(hào)為CN01808691.8的發(fā)明專利，設(shè)計(jì)的是用于C02的氣室，包括光源及光束接納單元，氣室形狀是橢圓，光源及光束接納單元分別放置于橢圓 的兩個(gè)焦點(diǎn)上。
氣體光譜檢測(cè)方法所用的氣室，主要特點(diǎn)在于必須有兩個(gè)通光窗口，雖然 激光光譜法靈敏度高，但被測(cè)氣體的主要吸收峰一般在中紅外或遠(yuǎn)紅外波段， 其光源及探測(cè)器以及窗口透光材料都非常昂貴， 一般都采用氣體在近紅外或可 見波段的泛頻進(jìn)行檢測(cè)，但其吸收系數(shù)顯著降低，為了彌補(bǔ)其不足，氣室要求 長(zhǎng)度較長(zhǎng)或具有多次反射的功能以增加光程，因此應(yīng)用受到限制。
多次反射氣體池， 一般采用兩個(gè)具有楔角的反射平面，入射光經(jīng)多次反射 后經(jīng)耦合入光束接納單元中，通過調(diào)節(jié)楔角大小調(diào)節(jié)光的反射次數(shù)?；蛘卟捎?br> 如專利CN200810246800. 6的方法。但多次反射氣室對(duì)于加工要求精度高，造價(jià)
昂貴，并且總的光程不易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種氣體濃度測(cè)量?jī)x。 本發(fā)明包括氣室、激光器、分路器、探測(cè)器、光纖準(zhǔn)直器、廢氣處理器、 信號(hào)處理器和流量計(jì)。
氣室為圓柱形全封閉結(jié)構(gòu)的玻璃氣室，氣室的內(nèi)側(cè)壁鍍有全反膜，氣室的 頂蓋設(shè)置有進(jìn)氣口，進(jìn)氣閥門的一端與進(jìn)氣口連接，進(jìn)氣閥門的另一端與流量 計(jì)出口連接，流量計(jì)進(jìn)口與氣瓶連接；氣室的底蓋設(shè)置有出氣口，出氣閥門的 一端與出氣口連接，出氣閥門的另一端與真空泵的進(jìn)口連接，真空泵的出口與 廢棄處理器連接；
氣室內(nèi)側(cè)壁上的全反膜沿氣室的軸向開有入射通光槽，與入射通光槽對(duì)應(yīng) 的氣室外側(cè)壁上等距離設(shè)置多個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器，多個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器構(gòu)成入 射光纖準(zhǔn)直器陣列，每個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器的輸入端與分路器輸出端光連接，分 路器輸入端與激光器連接。
氣室內(nèi)側(cè)壁上的全反膜開有出射通光槽，出射通光槽與入射通光槽在圓周 上相對(duì)應(yīng)，出射通光槽為圓柱形全反膜上被兩平行平面所截形成的弧線槽，出 射通光槽的兩端與入射通光槽對(duì)應(yīng)的兩端位于圓柱形全反膜的同一圓周；與出 射通光槽對(duì)應(yīng)的氣室外側(cè)壁上等距離設(shè)置多個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器，多個(gè)出射光纖 準(zhǔn)直器構(gòu)成出射光纖準(zhǔn)直器陣列，每個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器的輸出端與探測(cè)器輸入 端光連接，探測(cè)器輸出端與信號(hào)處理器連接。
所述的入射光纖準(zhǔn)直器陣列中的入射光纖準(zhǔn)直器與出射光纖準(zhǔn)直器陣列中的出射光纖準(zhǔn)直器個(gè)數(shù)相等，高度對(duì)應(yīng)。本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)是
(1) 由于工業(yè)及化學(xué)中一般都用圓柱形結(jié)構(gòu)作為各種容器或試管，因此本發(fā)明可以直接采取這些容器，只需增加入出氣口、通光槽，并進(jìn)行相應(yīng)的鍍膜即可，加工及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；
(2) 本發(fā)明的應(yīng)用極為簡(jiǎn)單，在工業(yè)圓周形玻璃通氣管道的內(nèi)壁上，可以直接安裝鍍有全反膜的薄膜，而無需專門進(jìn)行鍍膜，安裝及調(diào)試簡(jiǎn)單；
(3) 本發(fā)明可以對(duì)圓柱的圓度要求不高，因?yàn)橛性S多光線輸出，利用多個(gè)輸出同時(shí)檢測(cè)的方法，完全可以將圓度帶來的誤差去除。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2圓柱壁反射光束在底面的投影圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，氣體濃度測(cè)量?jī)x包括氣室11、激光器12、分路器13、探測(cè)器6、入射光纖準(zhǔn)直器14、出射光纖準(zhǔn)直器5、廢氣處理器8、信號(hào)處理器7和流量計(jì)2。
氣室11為圓柱形全封閉結(jié)構(gòu)的玻璃氣室，氣室11的內(nèi)側(cè)壁鍍有全反膜16;氣室的頂蓋設(shè)置有進(jìn)氣口，進(jìn)氣口通過進(jìn)氣管路與氣瓶l連接，進(jìn)氣管路上設(shè)置有流量計(jì)2和進(jìn)氣閥門3;氣室ll的底蓋設(shè)置有出氣口，出氣口通過出氣管路與廢氣回收裝置8連接，出氣管路上設(shè)置有出氣閥門10和真空泵9;進(jìn)氣口和出氣口處都安裝有密封墊以增加氣室的氣密性。
氣室11內(nèi)側(cè)壁上的全反膜沿氣室11的軸向開有入射通光槽15，與入射通光槽15對(duì)應(yīng)的氣室11外側(cè)壁上等距離設(shè)置八個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器14，八個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器14構(gòu)成入射光纖準(zhǔn)直器陣列，每個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器14的輸入端與分路器13輸出端光連接，分路器13輸入端與激光器12連接。該通光槽實(shí)際上是刮去內(nèi)側(cè)壁上全反射膜形成的，以便激光透射進(jìn)入氣室。
氣室ll內(nèi)側(cè)壁上的全反膜開有出射通光槽4，出射通光槽4與入射通光槽15在圓周上相對(duì)應(yīng)，出射通光槽4為圓柱形全反膜上被兩平行平面所截形成的弧線槽，出射通光槽4的兩端與入射通光槽15對(duì)應(yīng)的兩端位于圓柱形全反膜的同一圓周。與出射通光槽4對(duì)應(yīng)的氣室11外側(cè)壁上等距離設(shè)置八個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器5，八個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器5構(gòu)成出射光纖準(zhǔn)直器陣列，每個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器的輸出端與探測(cè)器6輸入端光連接，探測(cè)器6輸出端與信號(hào)處理器7連接。
入射光纖準(zhǔn)直器陣列中的第一個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器14與出射光纖準(zhǔn)直器中的第一個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器5處在同一高度，由于光纖準(zhǔn)直器都是等距離排布，所以的入射光纖準(zhǔn)直器14都與出射光纖準(zhǔn)直器5 —一對(duì)應(yīng)，且都處于同一高度上。
本發(fā)明中用于氣體濃度測(cè)量分析時(shí)，所依據(jù)的原理是
首先考慮光在圓周上反射的情況，當(dāng)入射光束在圓周上的第一個(gè)反射點(diǎn)的角度為ft時(shí)(ft為第一個(gè)反射點(diǎn)的角度極坐標(biāo))，其后續(xù)的反射點(diǎn)的角度分別為(7t + 3G) 、 (2兀+ 5^)等等，因此第n個(gè)反射點(diǎn)的極坐標(biāo)角度位置的為
^ =( -1> + (2 -1)^ (1)其中n為自然數(shù)。由公式(l),光在圓內(nèi)的反射規(guī)律直接取決于入射角6，當(dāng)(兀一2^)可以被27u整除時(shí)，光在圓內(nèi)的反射將形成一個(gè)正多邊形；當(dāng)(7i:—2(90可以被2tc除盡，但不能被整除時(shí)，光在圓內(nèi)的反射將形成一個(gè)正多角形；除過上面兩種情況外，光將在圓內(nèi)無窮次反射，而不會(huì)有一點(diǎn)重合。如果入射光束有一定的寬度，則所有反射位置都是一個(gè)有一定尺度的光斑，如果忽略光斑的高度，則所有反射點(diǎn)都為同樣寬度的光斑，光斑之間有一定的間隔相分離。利用公式(l)，可計(jì)算出相鄰點(diǎn)構(gòu)成的圓內(nèi)弦的方程為
f《+
/7COS
一0
=a
(2)
其中，p為圓的半徑，ft和汰分別為弦的兩個(gè)端點(diǎn)的極坐標(biāo)角度位置，a為弦離圓點(diǎn)的距離，因此第n個(gè)反射點(diǎn)與第n+l個(gè)反射點(diǎn)之間的弦的方程為-
.(2w-l) r
/ cos
+ 2w《一P
每一條弦都是等長(zhǎng)的，其長(zhǎng)度為:
</ = -？
因此第n個(gè)反射點(diǎn)在圓柱內(nèi)所走的光程為:
</ "(#i + l)=2( + lX// 2 - fl2 (5)
由公式(4)和(5)可知，在圓半徑確定的情況下，可以通過調(diào)節(jié)入射光的位置，即入射光在圓周上形成的弦離原點(diǎn)的距離來調(diào)節(jié)弦的長(zhǎng)度，以及出射點(diǎn)的光程。若被測(cè)氣體的吸收截面為cr，濃度為C，若入射光強(qiáng)度為/。，當(dāng)不考慮光
6第一次透射損耗、玻璃壁的吸收及折射等光損耗時(shí)，第n個(gè)反射點(diǎn)處的光強(qiáng)度
為
利用公式(6)，若測(cè)量得到第m個(gè)和第n個(gè)反射點(diǎn)(歷〈/7)處的光強(qiáng)A和
入則濃度C可以根據(jù)比色法算出
乙= [,。 exp(- oCV/ )]/[/。 exp(— oC《)] ,"、
由上面討論，由于2tt即360。的因子只有有限數(shù)目，它們是360、 180、 120、 90、 72、 60、 45、 40、 36、 30、 24、 20、 18、 15、 12、 10、 9、 8、 6、 5、 4、 3、 2、 1，而360、 180是沒有意義的，而被2tc除盡但不能整除的數(shù)也是有限的， 所以，前兩者情況只能得到有限的光程，如果在某一整除角度上(如30°)稍 微偏離一點(diǎn)(如偏離兀/100)，本來沒有偏差時(shí)，光在圓內(nèi)反射是一個(gè)閉合的正 三角形，當(dāng)有偏差時(shí)，光將在這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)反射點(diǎn)上，每次反射都偏差一個(gè)同樣 的角度(如t:/50)，這樣，在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)反射點(diǎn)周圍形成一系列的等角度差的反 射點(diǎn)，每個(gè)反射點(diǎn)經(jīng)過的光程差具有確定的關(guān)系，利用這個(gè)特點(diǎn)，可以測(cè)量多 個(gè)點(diǎn)的輸出進(jìn)行比較，可去除背景噪聲、光源波動(dòng)等因素，提高信噪比和靈敏 度。
如果光在同一圓環(huán)內(nèi)反射時(shí)，對(duì)第m反射點(diǎn)的測(cè)量必然會(huì)影響對(duì)第n個(gè)反 射點(diǎn)的測(cè)量。在此我們將采用多個(gè)平面光束同時(shí)測(cè)量的方法，將不同反射次數(shù) 的光在與圓柱底面平行的不同截面上反映出來，每一個(gè)光探測(cè)器接收的光信號(hào) 所經(jīng)過的光程不同，但相互之間有某種確定的關(guān)系，由這些光電信號(hào)就可以計(jì) 算出氣室中氣體的濃度。
假設(shè)入射通光槽(對(duì)應(yīng)于出射通光槽)相鄰光纖準(zhǔn)直器之間的間距為L(zhǎng)， 入射通光槽與出射通光槽之間的夾角為cp，若第一個(gè)反射點(diǎn)的角極坐標(biāo)為6u e, 二兀/6+A，其中，A為一很小的偏差(例如兀/100)，則在每一層中，光的反射 為如圖2所示，有三個(gè)反射區(qū)，每一個(gè)反射區(qū)的相鄰反射點(diǎn)的光程差為3d，其 中d為第n個(gè)反射點(diǎn)與第n+l個(gè)反射點(diǎn)之間弦的長(zhǎng)度，由公式(4)定義。每一 個(gè)反射區(qū)的相鄰反射點(diǎn)之間的弧長(zhǎng)為pA，設(shè)第一個(gè)光探測(cè)器接收到的光信號(hào)在 氣室中所經(jīng)過的光程為Z,，則第m個(gè)光探測(cè)器所接收到的光信號(hào)所在氣室中所經(jīng)過的光程為:
<formula>formula see original document page 8</formula>
(9)
相鄰光探測(cè)器所接收到的信號(hào)森fl^^的光程差Z為
(10)<formula>formula see original document page 8</formula>
假設(shè)氣室壁對(duì)光的反射系數(shù)為Y，由公式(6),第m個(gè)光探測(cè)器接收的光 強(qiáng)L為，其中L。為入射光纖準(zhǔn)直器中發(fā)出的光強(qiáng)
<formula>formula see original document page 8</formula>(11)
其中，f(m)為m的函數(shù)，T為未鍍?nèi)瓷淠５膱A柱壁對(duì)光的透射系數(shù)，
々
P光探測(cè)器光強(qiáng)之比可W<formula>formula see original document page 8</formula>
由公式(4)和(11)，相鄰光探測(cè)器所接收到的光信號(hào)在氣室中反射次數(shù)
"/(挑+ 1)-/(附)+ ^^ (13)
的差為 則公式(12)可以改寫為
(14)<formula>formula see original document page 8</formula>
上式兩邊取對(duì)數(shù)，則可以得到氣體的濃度為<formula>formula see original document page 8</formula>
由于光在圓周上反射，其入射角和反射角相等，因此不同探; 號(hào)通過圓柱時(shí)的透射系數(shù)T應(yīng)當(dāng)相等，因此，上式可以簡(jiǎn)化為
<formula>formula see original document page 8</formula>l器接收的光信
(16)
權(quán)利要求
1、氣體濃度測(cè)量?jī)x，包括氣室、激光器、分路器、探測(cè)器、光纖準(zhǔn)直器、廢氣處理器、信號(hào)處理器和流量計(jì)，其特征在于氣室為圓柱形全封閉結(jié)構(gòu)的玻璃氣室，氣室的內(nèi)側(cè)壁鍍有全反膜，氣室的頂蓋設(shè)置有進(jìn)氣口，進(jìn)氣閥門的一端與進(jìn)氣口連接，進(jìn)氣閥門的另一端與流量計(jì)出口連接，流量計(jì)進(jìn)口與氣瓶連接；氣室的底蓋設(shè)置有出氣口，出氣閥門的一端與出氣口連接，出氣閥門的另一端與真空泵的進(jìn)口連接，真空泵的出口與廢棄處理器連接；氣室內(nèi)側(cè)壁上的全反膜沿氣室的軸向開有入射通光槽，與入射通光槽對(duì)應(yīng)的氣室外側(cè)壁上等距離設(shè)置多個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器，多個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器構(gòu)成入射光纖準(zhǔn)直器陣列，每個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器的輸入端與分路器輸出端光連接，分路器輸入端與激光器連接；氣室內(nèi)側(cè)壁上的全反膜開有出射通光槽，出射通光槽與入射通光槽在圓周上相對(duì)應(yīng)，出射通光槽為圓柱形全反膜上被兩平行平面所截形成的弧線槽，出射通光槽的兩端與入射通光槽對(duì)應(yīng)的兩端位于圓柱形全反膜的同一圓周；與出射通光槽對(duì)應(yīng)的氣室外側(cè)壁上等距離設(shè)置多個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器，多個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器構(gòu)成出射光纖準(zhǔn)直器陣列，每個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器的輸出端與探測(cè)器輸入端光連接，探測(cè)器輸出端與信號(hào)處理器連接；所述的入射光纖準(zhǔn)直器陣列中的入射光纖準(zhǔn)直器與出射光纖準(zhǔn)直器陣列中的出射光纖準(zhǔn)直器個(gè)數(shù)相等，高度對(duì)應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體濃度測(cè)量?jī)x?，F(xiàn)有的氣室長(zhǎng)度較長(zhǎng)或加工要求精度高、造價(jià)昂貴、光程不易控制。本發(fā)明包括氣室。氣室的內(nèi)側(cè)壁鍍有全反膜，氣室頂蓋和底蓋分別設(shè)有進(jìn)、出氣口，進(jìn)氣口依次連有進(jìn)氣閥門、流量計(jì)和氣瓶；出氣口依次連有出氣閥門、真空泵和與廢棄處理器；全反膜沿氣室的軸向開有入射通光槽，與入射通光槽對(duì)應(yīng)的氣室外側(cè)壁上等距離設(shè)置多個(gè)入射光纖準(zhǔn)直器，全反膜開有出射通光槽，出射通光槽與入射通光槽在圓周上相對(duì)應(yīng)，與出射通光槽對(duì)應(yīng)的氣室外側(cè)壁上等距離設(shè)置多個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器，每個(gè)出射光纖準(zhǔn)直器的輸出端與探測(cè)器輸入端光連接，探測(cè)器輸出端與信號(hào)處理器連接。本發(fā)明裝置加工簡(jiǎn)單、成本低，信噪比和檢測(cè)靈敏度高。
文檔編號(hào)G01N21/17GK101672769SQ20091015352
公開日2010年3月17日 申請(qǐng)日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者王斌浩, 瑞小川, 閻春生 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)