基于光學(xué)遙測鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的基于光學(xué)遙測鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，主要包括激光器、探測單元、數(shù)據(jù)處理單元、外殼、聚光單元和鏡頭保護(hù)殼。特別是聚光單元，包括拋物面主鏡和雙曲面副鏡，其中拋物面主鏡為凹面鏡，雙曲面副鏡為凸面鏡，二者反光面相對，所述拋物面主鏡的幾何中心包含通孔，入射至拋物面主鏡的平行光經(jīng)拋物面主鏡和雙曲面副鏡反射后經(jīng)過拋物面主鏡的通孔匯聚到探測單元的感光面上。通過采用上述技術(shù)手段，本發(fā)明的遙測技術(shù)不僅能夠無需氣室，真正的做到時時在線檢測，還能夠在一個安全的操作環(huán)境中對遠(yuǎn)處的氣體進(jìn)行探測。與傳統(tǒng)的封閉氣室或開放氣室方法比較，遙測技術(shù)使得可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)從實驗室中走出來。
【專利說明】基于光學(xué)遙測鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于氣體濃度檢測【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，具體涉及一種基于光學(xué)遙測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)測量技術(shù)，光學(xué)/光譜學(xué)測量技術(shù)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離在線監(jiān)測，具有受環(huán)境因素影響小、響應(yīng)時間短、可以實現(xiàn)低濃度的氣體測量、測量結(jié)果能夠反映測量環(huán)境內(nèi)的被測氣體平均濃度水平以及非單點測量等優(yōu)點，是一種理想的氣體污染物檢測方法。光學(xué)遙感則是利用幾公里甚至更長的光程代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗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)的長光程吸收技術(shù)，目前多用于飛行器等專用于遙感測量的設(shè)備上，測量成本及設(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到痕量氣體的濃度，但是由于使用時所涉及的設(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，使得現(xiàn)有的基于該技術(shù)的測量系統(tǒng)成本較高、系統(tǒng)復(fù)雜，測試時對技術(shù)人員的專業(yè)性要求較高，普及使用難度較大。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實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量技術(shù)測量成本高、測量場合受技術(shù)限制并且測量專業(yè)性要求較高等缺陷，提出了一種基于光學(xué)遙測鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)。
[0005]本實用新型的技術(shù)方案是:基于光學(xué)遙測鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理模塊、激光器和探測單元，所述探測單元具有感光面，用于實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，其特征在于，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括外殼、聚光單元和鏡頭保護(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，探測單元安裝于外殼內(nèi)部的另一端，所述數(shù)據(jù)處理模塊與探測單元相連接；所述聚光單元位于激光器和探測單元之間，并聚焦于探測單元的感光面上。
[0006]進(jìn)一步的，所述聚光單元包括拋物面主鏡和雙曲面副鏡，其中拋物面主鏡為凹面鏡，雙曲面副鏡為凸面鏡，二者反光面相對，所述拋物面主鏡的幾何中心包含通孔，入射至拋物面主鏡的平行光經(jīng)拋物面主鏡和雙曲面副鏡反射后經(jīng)過拋物面主鏡的通孔匯聚到探測單元的感光面上。
[0007]進(jìn)一步的,所述氣體傳感系統(tǒng)包括顯示單元,所述顯示單元設(shè)置于外殼上安裝探測單元的一端端面上。[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)，并包括移動電源，所述移動電源用于為設(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)存儲單元，所述數(shù)據(jù)存儲單元與數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于存儲探測單元探測的數(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與存儲單元和數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于輸出探測單元探測的數(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]本實用新型的有益效果:本實用新型的基于光學(xué)遙測鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)通過將遙測式探測技術(shù)應(yīng)用于手持式氣體探測系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點:遙測技術(shù)不僅能夠無需氣室，真正的做到時時在線檢測，還能夠在一個安全的操作環(huán)境中對遠(yuǎn)處的氣體進(jìn)行探測。與傳統(tǒng)的封閉氣室或開放氣室方法比較，遙測技術(shù)使得可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)從實驗室中走出來，向現(xiàn)場測量邁了一大步。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)備簡單成本低，具有高光譜分辨率和靈敏度，適合測量CO、順3、NO、NO2, CH4, 02、H2O等氣體。尤其是本實用新型的氣體傳感系統(tǒng)采用了包含拋物面主鏡及雙曲面副鏡的雙反射聚光單元，使得在保證光程的同時可以大大縮減系統(tǒng)的硬件設(shè)備體積，使之更具有便攜、高效的特點，且不受應(yīng)用環(huán)境的影響，具有較高的實用價值和推廣前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本實用新型實施例的聚光單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本實用新型實施例的外殼結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]附圖標(biāo)記說明:激光器1，探測單元2，數(shù)據(jù)處理模塊3，外殼4，顯示單元5，拋物面主鏡61，雙曲面副鏡62，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。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對本實用新型的具體實施例做進(jìn)一步詳述。
[0022]如圖1所示，本實施例的一種基于光學(xué)遙測鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)包括激光器(優(yōu)選波長范圍為1527-1610nm) I和探測單元(響應(yīng)范圍優(yōu)選為0.9-1.9um) 2，其中激光器I用于生成探測所需的激光信號，該激光信號通過被探測的空間后被反射回來。反射回來的激光由于被測空間氣體成分和/或含量的影響，其能量、相位等光譜信息會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，該變化后的激光信號照射到探測單元上。所述探測單元具有感光面，用于將入射的激光信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號。探測器接受信號后的時間延遲可以計算出反射位置與手持式氣體傳感系統(tǒng)之間的距離。本實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、聚光單兀和鏡頭保護(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與探測單元2相連接，用于處理探測單元2探測到的信號。所述聚光單元位于激光器和探測單元之間，并聚焦于探測單元2的感光面上。由于探測單元通常為光電轉(zhuǎn)換單元，其輸出信號是與入射光信號相應(yīng)的模擬信號，為了便于數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，所述探測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單元2的模擬信號放大(通常為鎖相放大)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于計算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理。由于激光器1、探測單元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期使用導(dǎo)致的測試精度降低的問題，延長系統(tǒng)的使用壽命。為了保護(hù)激光器1，本實施例的外殼上設(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)殼對激光信號的影響，本實施例在其鏡頭保護(hù)殼上設(shè)置了增透膜。
[0023]在本實施例中，聚光單元包括拋物面主鏡61和雙曲面副鏡62，其中拋物面主鏡61為凹面鏡，雙曲面副鏡62為凸面鏡，二者反光面相對放置組合成聚光單元，其中二者的約束關(guān)系如下:拋物面主鏡61的幾何中心包含通孔，入射至拋物面主鏡的平行光經(jīng)拋物面主鏡61和雙曲面副鏡62反射后經(jīng)過拋物面主鏡的通孔匯聚到探測單元2的感光面上。通過采用這種包含拋物面主鏡及雙曲面副鏡的雙反射聚光單元，使得在保證光程的同時可以大大縮減系統(tǒng)的硬件設(shè)備體積，特別適用于手持便攜設(shè)備的開發(fā)。
[0024]由于手持式氣體傳感系統(tǒng)的主要有點體現(xiàn)其手持的方便性，為了使測試的數(shù)據(jù)能夠更及時的得到處理和顯示，在本實施例中設(shè)置了顯示單元5，所述顯示單元5安裝于外殼4上安裝探測單元2的一端端面上，該顯示單元5與數(shù)據(jù)處理模塊3相連接，用于顯示來自探測單元探測的信號，該信號包括光譜信號、強(qiáng)度信號以及經(jīng)過數(shù)據(jù)處理模塊加工處理后的信號。
[0025]出于對系統(tǒng)性能的優(yōu)化考慮，本實施例進(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的激光信號，以適應(yīng)對不同對象的探測，并控制將相關(guān)參數(shù)顯示在顯示單元上。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放空間。4、將控制單元8安裝于手柄10內(nèi)，并包括移動電源，所述移動電源用于為設(shè)備供電，移動電源可以為蓄電池、鋰電池或者干電池等各種移動電源。5、所述氣體傳感系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)存儲單元，所述數(shù)據(jù)存儲單元與數(shù)據(jù)處理模塊3相連接，用于存儲探測單元探測的數(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與存儲單元和數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于輸出探測單元探測的數(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，并可實現(xiàn)實時數(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)。所述反射單元對系統(tǒng)出射的激光反射明顯，以克服直接面對的開放環(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本實施例的氣體傳感系統(tǒng)做進(jìn)一步描述:
[0027]如圖1、圖2及圖3所示，打開激光器I的控制單元8使激光器I啟動工作，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入聚光單元的拋物面主鏡61上。經(jīng)過拋物面主鏡61及雙曲面副鏡62兩次反射聚焦后，光束傳播至其焦點位置處的探測單元(光電探測器)2的感光面上，光信號轉(zhuǎn)為電信號，在數(shù)據(jù)處理模塊3中，電信號采入鎖相放大器，用鎖相放大技術(shù)檢測由氣體濃度引起的二次諧波信號，從而達(dá)到檢測氣體濃度的目的，最后得到與氣體濃度有關(guān)的信號并用軟件編程處理并顯示在顯示單元(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)的多個波長的激光，配合寬探測響應(yīng)靈敏度的光電探測器2就可以實現(xiàn)對多種氣體的探測和測量，因而可以最大限度的發(fā)揮整套系統(tǒng)的作用。
[0028]以下為氣體探測系統(tǒng)的探測原理詳解:
[0029]由于不同氣體對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氣體透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化來檢測氣體濃度的方法。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IO輸入光的平行光通過充有氣體的氣室時,如果光源光譜覆蓋一個或多個氣體吸收線，光通過氣體時發(fā)生衰減，根據(jù)Beer-Lambert定律,輸出光強(qiáng)I ( λ )與輸入光強(qiáng)Ι(?(λ)和氣體濃度之間的關(guān)系為
[0032]
【權(quán)利要求】
1.基于光學(xué)遙測鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理模塊、激光器和探測單元，所述探測單元具有感光面，用于實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換，其特征在于，所述氣體傳感系統(tǒng)還包括外殼、聚光單元和鏡頭保護(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，探測單元安裝于外殼內(nèi)部的另一端，所述數(shù)據(jù)處理模塊與探測單元相連接；所述聚光單元位于激光器和探測單元之間，并聚焦于探測單元的感光面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)遙測鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述聚光單元包括拋物面主鏡和雙曲面副鏡，其中拋物面主鏡為凹面鏡，雙曲面副鏡為凸面鏡，二者反光面相對，所述拋物面主鏡的幾何中心包含通孔，入射至拋物面主鏡的平行光經(jīng)拋物面主鏡和雙曲面副鏡反射后經(jīng)過拋物面主鏡的通孔匯聚到探測單元的感光面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光學(xué)遙測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)包括顯示單元，所述顯示單元設(shè)置于外殼上安裝探測單元的一端端面上，所述鏡頭保護(hù)殼上覆蓋有增透膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于光學(xué)遙測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。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光學(xué)遙測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，所述手柄位于外殼上用于設(shè)備的手持使用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于光學(xué)遙測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。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于光學(xué)遙測鏡頭的手持式氣體傳感系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元安裝于手柄內(nèi)，并包括移動電源，所述移動電源用于為設(shè)備供電。
8.根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的基于光學(xué)遙測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)存儲單元，所述數(shù)據(jù)存儲單元與數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于存儲探測單元探測的數(shù)據(jù)信息。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于光學(xué)遙測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與存儲單元和數(shù)據(jù)處理模塊相連接，用于輸出探測單元探測的數(shù)據(jù)信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于光學(xué)遙測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】G01N21/39GK203479698SQ201320451750
【公開日】2014年3月12日 申請日期: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, 袁國慧, 何濤, 郭慧 申請人:成都譜視科技有限公司