基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】為了克服現(xiàn)有的氣體或者痕量氣體濃度測(cè)量技術(shù)測(cè)量成本高、測(cè)量場(chǎng)合受技術(shù)限制并且測(cè)量專業(yè)性要求較高等缺陷，本實(shí)用新型的一種基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)主要包括激光器和探測(cè)單元，氣體傳感系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理單元、外殼和鏡頭保護(hù)殼。本實(shí)用新型的基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)通過將遙測(cè)式探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于手持式氣體探測(cè)系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：遙測(cè)技術(shù)不僅能夠無需氣室，真正的做到時(shí)時(shí)在線檢測(cè)，還能夠在一個(gè)安全的操作環(huán)境中對(duì)遠(yuǎn)處的氣體進(jìn)行探測(cè)。與傳統(tǒng)的封閉氣室或開放氣室方法比較，遙測(cè)技術(shù)使得可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室中走出來，向現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量邁了一大步。
【專利說明】基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于氣體濃度檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種基于光學(xué)氣體傳感技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)，具體涉及一種基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]利用光譜遙感技術(shù)探測(cè)大氣成分及特性開始于1970年，其基礎(chǔ)是電磁輻射與原子分子間的互相作用。關(guān)于濃度的探測(cè)其依據(jù)是大氣中某種痕量氣體成分在紫外、可見和紅外光譜波段的吸收性質(zhì)。
[0003]可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)是一種光學(xué)和光譜學(xué)測(cè)量技術(shù)，光學(xué)/光譜學(xué)測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離在線監(jiān)測(cè)，具有受環(huán)境因素影響小、響應(yīng)時(shí)間短、可以實(shí)現(xiàn)低濃度的氣體測(cè)量、測(cè)量結(jié)果能夠反映測(cè)量環(huán)境內(nèi)的被測(cè)氣體平均濃度水平以及非單點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的氣體污染物檢測(cè)方法。光學(xué)遙感則是利用幾公里甚至更長(zhǎng)的光程代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的取樣池或者開放的氣室，即所謂的開路(open-path)結(jié)構(gòu)，是一種基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)的長(zhǎng)光程吸收技術(shù)，目前多用于飛行器等專用于遙感測(cè)量的設(shè)備上，測(cè)量成本及設(shè)備結(jié)構(gòu)均較復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致使用場(chǎng)合非常有限?，F(xiàn)有的可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)雖然能夠快速高精度的檢測(cè)到痕量氣體的濃度，但是由于使用時(shí)所涉及的設(shè)備較多、需要專用氣室、儀器昂貴、容易損壞且不便操作等缺點(diǎn)，使得現(xiàn)有的基于該技術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)成本較高、系統(tǒng)復(fù)雜，測(cè)試時(shí)對(duì)技術(shù)人員的專業(yè)性要求較高，普及使用難度較大。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的在于為了克服現(xiàn)有的氣體或者痕量氣體濃度測(cè)量技術(shù)測(cè)量成本高、測(cè)量場(chǎng)合受技術(shù)限制并且測(cè)量專業(yè)性要求較高等缺陷，提出了一種基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)。
[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是:基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，包括激光器、探測(cè)單元和數(shù)據(jù)處理模塊，其特征在于，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括菲涅爾透鏡、外殼和鏡頭保護(hù)殼，所述外殼為中空筒狀結(jié)構(gòu)，所述激光器固定于外殼的中軸線上，激光器發(fā)射的激光沿外殼中軸線方向射出，所述鏡頭保護(hù)殼安裝于外殼上激光器激光出射的一端，探測(cè)單元安裝于外殼內(nèi)部的另一端，所述菲涅爾透鏡設(shè)置于外殼內(nèi)部激光器與探測(cè)單元之間并聚焦于探測(cè)單元上。
[0006]進(jìn)一步的，所述氣體傳感系統(tǒng)包括顯示器，所述顯示器設(shè)置于外殼上安裝探測(cè)單元的一端端面上。
[0007]進(jìn)一步的，所述菲涅爾透鏡上中軸位置包括一通孔，所述通孔孔徑與激光器外徑相匹配，用于固定激光器。
[0008]進(jìn)一步的，所述鏡頭保護(hù)殼上覆蓋有增透膜。
[0009]進(jìn)一步的，所述氣體傳感系統(tǒng)包括準(zhǔn)直單元，所述準(zhǔn)直單元安裝于激光器的激光出射端，用于激光準(zhǔn)直。[0010]進(jìn)一步的，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括手柄，所述手柄位于外殼上用于設(shè)備的手持使用。
[0011]進(jìn)一步的，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括控制單元，所述控制單元與激光器相連接，用于激光器調(diào)諧控制。
[0012]進(jìn)一步的，所述控制單元安裝于手柄內(nèi)，并包括移動(dòng)電源，所述移動(dòng)電源用于為設(shè)備供電。
[0013]進(jìn)一步的，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元與數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于存儲(chǔ)探測(cè)單元探測(cè)的數(shù)據(jù)信息。
[0014]進(jìn)一步的，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括無線通信單元，所述無線通信單元同時(shí)與存儲(chǔ)單元和數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于輸出探測(cè)單元探測(cè)的數(shù)據(jù)信息。
[0015]進(jìn)一步的，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括反射單元，所述反射單元放置于激光器激光射出路徑上，用于將激光器射出的激光反射回氣體傳感系統(tǒng)。
[0016]本實(shí)用新型的有益效果:本實(shí)用新型的基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)通過將遙測(cè)式探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于手持式氣體探測(cè)系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn):遙測(cè)技術(shù)不僅能夠無需氣室，真正的做到時(shí)時(shí)在線檢測(cè)，還能夠在一個(gè)安全的操作環(huán)境中對(duì)遠(yuǎn)處的氣體進(jìn)行探測(cè)。與傳統(tǒng)的封閉氣室或開放氣室方法比較，遙測(cè)技術(shù)使得可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室中走出來，向現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量邁了一大步。而調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)作為光學(xué)和光譜學(xué)技術(shù)中的一種，與其它光學(xué)技術(shù)相比，設(shè)備簡(jiǎn)單成本低，具有高光譜分辨率和靈敏度，適合測(cè)量CO、NH3, NO、NO2, CH4, 02、H2O等氣體。具有便攜、高效的特點(diǎn)，且不受應(yīng)用環(huán)境的影響，具有較高的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的外殼結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]附圖標(biāo)記說明:激光器1，探測(cè)單元2，數(shù)據(jù)處理模塊3，外殼4，顯示器5，菲涅爾透鏡6，準(zhǔn)直單元7，控制單元8，鏡頭保護(hù)殼9，手柄10，反射單元11，開放空間12，固定支架13。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例做進(jìn)一步詳述。
[0022]如圖1所示，本實(shí)施例的一種基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)包括激光器(優(yōu)選波長(zhǎng)范圍為1527-1610nm) I和探測(cè)單元(響應(yīng)范圍優(yōu)選為0.9-1.9um) 2，其中激光器I用于生成探測(cè)所需的激光信號(hào)，該激光信號(hào)通過被探測(cè)的空間后被反射回來。反射回來的激光由于被測(cè)空間氣體成分和/或含量的影響，其能量、相位等光譜信息會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，該變化后的激光信號(hào)照射到探測(cè)單元上。探測(cè)單元將入射的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)。探測(cè)器接受信號(hào)后的時(shí)間延遲可以計(jì)算出反射位置與手持式氣體傳感系統(tǒng)之間的距離。本實(shí)施例的氣體傳感系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)處理模塊3、外殼4和鏡頭保護(hù)殼9，所述外殼4為中空筒狀結(jié)構(gòu)，所述激光器I固定于外殼4的中軸線上，激光器I發(fā)射的激光沿外殼4中軸線方向射出，所述鏡頭保護(hù)殼9安裝于外殼4上激光器I激光出射的一端，探測(cè)單元2安裝于外殼4內(nèi)部空間的另一端，所述數(shù)據(jù)處理模塊3與探測(cè)單元2相連接，用于處理探測(cè)單元2探測(cè)到的信號(hào)。由于探測(cè)單元通常為光電轉(zhuǎn)換單元，其輸出信號(hào)是與入射光信號(hào)相應(yīng)的模擬信號(hào)，為了便于數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，所述探測(cè)單元的輸出端與一數(shù)據(jù)處理模塊3相連接，數(shù)據(jù)處理模塊3的主要作用在于將來自探測(cè)單元2的模擬信號(hào)放大并(通常為鎖相放大)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。由于激光器1、探測(cè)單元2及數(shù)據(jù)處理模塊3等模塊需要避免外界干擾，并需要保持清潔，故設(shè)置了外殼4。在本實(shí)施例中，外殼4為防塵外殼，具有防塵作用，通過使用防塵外殼可以減緩長(zhǎng)期使用導(dǎo)致的測(cè)試精度降低的問題，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。為了保護(hù)激光器1，本實(shí)施例的外殼上設(shè)置了鏡頭保護(hù)殼，鏡頭保護(hù)蓋與外殼一起組成了防塵腔體，同時(shí)具有透光作用，以保證激光的正常通過，為了進(jìn)一步減小鏡頭保護(hù)殼對(duì)激光信號(hào)的影響，本實(shí)施例在其鏡頭保護(hù)殼上設(shè)置了增透膜。
[0023]由于手持式氣體傳感系統(tǒng)的主要有點(diǎn)體現(xiàn)其手持的方便性，為了使測(cè)試的數(shù)據(jù)能夠更及時(shí)的得到處理和顯示，在本實(shí)施例中設(shè)置了顯示器5，所述顯示器5安裝于外殼4上安裝探測(cè)單元2的一端端面上，該顯示器5與數(shù)據(jù)處理模塊3相連接，用于顯示來自探測(cè)單元探測(cè)的信號(hào)，該信號(hào)包括光譜信號(hào)、強(qiáng)度信號(hào)以及經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊加工處理后的信號(hào)。
[0024]進(jìn)一步的，在本實(shí)施例中，氣體傳感系統(tǒng)還包括菲涅爾透鏡6，菲涅爾透鏡6設(shè)置于外殼4內(nèi)部激光器I與探測(cè)單元2之間并聚焦于探測(cè)單元2上。通過設(shè)置菲涅爾透鏡，增加了本氣體傳感系統(tǒng)的探測(cè)角度和探測(cè)精度。在本實(shí)施例的方案中，述菲涅爾透鏡6上中軸位置設(shè)置了一通孔，所述通孔孔徑與激光器外徑相匹配，用于固定激光器。因?yàn)榉颇鶢柾哥R位于激光器正后方的區(qū)域在使用中由于被激光器遮擋其實(shí)并沒有起到作用，本實(shí)施例中將其挖孔用于固定激光器，同時(shí)還可以進(jìn)一步縮小系統(tǒng)整體的體積，這對(duì)于手持式系統(tǒng)尤為有利，并且并不以犧牲系統(tǒng)性能為代價(jià)。
[0025]出于對(duì)系統(tǒng)性能的優(yōu)化考慮，本實(shí)施例進(jìn)一步提出了以下方案:1、氣體傳感系統(tǒng)增設(shè)準(zhǔn)直單元(優(yōu)選漸變折射率的準(zhǔn)直透鏡)7，所述準(zhǔn)直單元7安裝于激光器的激光出射端，用于激光聚焦準(zhǔn)直。2、氣體傳感系統(tǒng)增設(shè)控制單元8，所述控制單元8與激光器I相連接，用于激光器I調(diào)諧控制，使同一設(shè)備可以輸出多種波長(zhǎng)的激光信號(hào)，以適應(yīng)對(duì)不同對(duì)象的探測(cè)，并控制將相關(guān)參數(shù)顯示在顯示器上。3、所述氣體傳感系統(tǒng)還包括手柄10，所述手柄10位于外殼4上用于設(shè)備的手持使用，手柄設(shè)置的目的一是在于方便設(shè)備使用，用手持握，同時(shí)將手柄設(shè)置為中空結(jié)構(gòu)，為設(shè)備的內(nèi)部單元比如控制單元和電池單元等提供儲(chǔ)放空間。4、將控制單元8安裝于手柄10內(nèi)，并包括移動(dòng)電源，所述移動(dòng)電源用于為設(shè)備供電，移動(dòng)電源可以為蓄電池、鋰電池或者干電池等各種移動(dòng)電源。5、所述氣體傳感系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元與數(shù)據(jù)處理模塊3相連接，用于存儲(chǔ)探測(cè)單元探測(cè)的數(shù)據(jù)信息，該數(shù)據(jù)信息可以通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)出并在其他任何計(jì)算設(shè)備比如電腦上進(jìn)行深加工處理，以突破手持設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)處理模塊計(jì)算能力的限制。6、在氣體傳感系統(tǒng)中增設(shè)無線通信單元，所述無線通信單元同時(shí)與存儲(chǔ)單元和數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于輸出探測(cè)單元探測(cè)的數(shù)據(jù)信息。所述無線通信單元可以是3G模塊、WIF1、藍(lán)牙及其他各種無線通信單元。作為數(shù)據(jù)的接收端也可以是比如手機(jī)或電腦等終端，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控。7、所述氣體傳感系統(tǒng)還包括反射單元，所述反射單元放置于激光器激光射出路徑上，用于將激光器射出的激光反射回氣體傳感系統(tǒng)。所述反射單元對(duì)系統(tǒng)出射的激光反射明顯，以克服直接面對(duì)的開放環(huán)境中前方障礙物如墻體等反光性能差，導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)不可靠的缺陷。
[0026]下面結(jié)合系統(tǒng)的工作過程及原理對(duì)本實(shí)施例的氣體傳感系統(tǒng)做進(jìn)一步描述:
[0027]打開激光器的控制單元8使激光器I啟動(dòng)工作，激光發(fā)射之后經(jīng)過準(zhǔn)直單元7之后，發(fā)散角變小，方向性更好，從涂有增透膜的鏡頭保護(hù)殼9射出，穿越開放空間12，入射到墻體、建筑物或者系統(tǒng)的反射單元11上，部分光束被墻體、建筑物或者系統(tǒng)的反射單元11反射之后穿過鏡頭保護(hù)殼9入射到菲涅爾透鏡6上。經(jīng)過菲涅爾透鏡6聚焦后，光束傳播至其焦點(diǎn)位置處的探測(cè)單元(光電探測(cè)器)2的光敏面上，光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，同時(shí)返回時(shí)間延遲信號(hào)，在數(shù)據(jù)處理模塊3中，電信號(hào)采入鎖相放大器，用鎖相放大技術(shù)檢測(cè)由氣體濃度引起的二次諧波信號(hào)，從而達(dá)到檢測(cè)氣體濃度的目的，最后得到與氣體濃度有關(guān)的信號(hào)并用軟件編程處理并顯示在顯示器(液晶屏)5上。通過調(diào)節(jié)激光器控制單元8的電流，激光器I可以輸出連續(xù)的多個(gè)波長(zhǎng)的激光，配合寬探測(cè)響應(yīng)靈敏度的光電探測(cè)器2就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種氣體的探測(cè)和測(cè)量，因而可以最大限度的發(fā)揮整套系統(tǒng)的作用。
[0028]以下為氣體探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)原理詳解:
[0029]由于不同氣體對(duì)紅外光有著不同的吸收光譜，一些氣體的特征光譜吸收強(qiáng)度和氣體的濃度有關(guān)，利用這一原理可以測(cè)量特定氣體濃度。利用氣體在石英光纖透射窗口內(nèi)的吸收峰，測(cè)量由于氣體吸收產(chǎn)生的光強(qiáng)衰減，反演出氣體的濃度。
[0030]光譜吸收法是通過檢測(cè)氣體透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化來檢測(cè)氣體濃度的方法。每種氣體分子都有自己的吸收(或輻射)譜特征，光源的發(fā)射譜只有在與氣體吸收譜重疊的部分才產(chǎn)生吸收，吸收后的光強(qiáng)將發(fā)生變化。從譜范圍上可劃分為紅外光譜吸收法和紫外光譜吸收法。
[0031]當(dāng)一束光強(qiáng)為Itl輸入光的平行光通過充有氣體的氣室時(shí)，如果光源光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)氣體吸收線，光通過氣體`時(shí)發(fā)生衰減，根據(jù)Beer-Lambert定律,輸出光強(qiáng)I ( λ )與輸入光強(qiáng)ItlU)和氣體濃度之間的關(guān)系為
[0032]I ( λ ) =Itl ( λ ) exp (- α λ LC)
[0033]α λ是一定波長(zhǎng)下單位濃度，單位長(zhǎng)度的介質(zhì)吸收系數(shù)；L是吸收路徑的長(zhǎng)度；(:是氣體濃度。由上式可得
【權(quán)利要求】
1.基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，包括激光器、探測(cè)單元和數(shù)據(jù)處理模塊，其特征在于，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括菲涅爾透鏡、外殼和鏡頭保護(hù)殼，所述外殼為中空筒狀結(jié)構(gòu)，所述激光器固定于外殼的中軸線上，激光器發(fā)射的激光沿外殼中軸線方向射出，所述鏡頭保護(hù)殼安裝于外殼上激光器激光出射的一端，探測(cè)單元安裝于外殼內(nèi)部的另一端，所述菲涅爾透鏡設(shè)置于外殼內(nèi)部激光器與探測(cè)單元之間并聚焦于探測(cè)單元上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體傳感系統(tǒng)包括顯示器，所述顯示器設(shè)置于外殼上安裝探測(cè)單元的一端端面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述菲涅爾透鏡上中軸位置包括一通孔，所述通孔孔徑與激光器外徑相匹配，用于固定激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述鏡頭保護(hù)殼上覆蓋有增透膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體傳感系統(tǒng)包括準(zhǔn)直單元，所述準(zhǔn)直單元安裝于激光器的激光出射端，用于激光準(zhǔn)直。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之任一權(quán)利要求所述的基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括手柄和控制單元，所述手柄位于外殼上用于設(shè)備的手持使用，所述控制單元與激光器相連接，用于激光器調(diào)諧控制，所述控制單元安裝于手柄內(nèi)，并包括移動(dòng)電源，所述移動(dòng)電源用于為設(shè)備供電。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元與數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于存儲(chǔ)探測(cè)單元探測(cè)的數(shù)據(jù)信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括無線通信單元，所述無線通信單元同時(shí)與存儲(chǔ)單元和數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于輸出探測(cè)單元探測(cè)的數(shù)據(jù)信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的基于光學(xué)遙測(cè)鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括反射單元，所述反射單元放置于激光器激光射出路徑上，用于將激光器射出的激光反射回氣體傳感系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】G01N21/01GK203385658SQ201320451898
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月26日
【發(fā)明者】王卓然, 袁國(guó)慧, 何濤, 郭慧 申請(qǐng)人:成都譜視科技有限公司