一种氨气气团激光遥测装置的制作方法

1.本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种氨气气团激光遥测装置。


背景技术：

2.氨气是大气成分中含量仅次于和的含氮化合物，也是大气成分中最丰富的碱性痕量气体。氨气也是一种有刺激性气味的有毒气体，高浓度的氨气会对人和动植物造成危害，是大气的污染源之一。在工业燃烧中，nh3作为还原剂，通过利用选择性还原技术，将烟气中的污染物nox转变为无污染质，从而减少污染物nox的排放。但是过量的nh3也会造成空气污染，同时逃逸的nh3会与工艺流程中产生的硫酸盐发生反应生成硫酸铵盐，铵盐会对锅炉烟道部件造成严重的腐蚀，因此带来昂贵的维护费用。由于氨气对人和生态环境既有积极的作用又有危害，因此对其进行实时可靠的检测非常有必要。只有了解与掌握了周围环境氨气的浓度信息，才能有效避免其造成的危害，甚至可以加以利用使其转化为对人类环境有利的一面。
3.传统检测氨气的方法主要是以化学技术和吸气取样实验分析为基础的。近年来涌现出了许多单点测量环境中氨气的分析控制器，如敏感材料的传感器和电化学型传感器。这些传感器的迅速发展在一定程度上满足了氨气检测的需要，但也有各自的缺陷。首先他们的测量范围比较小，只能测量接触点附近的氨气浓度，不能反映整体氨气的浓度情况。如果要做到大范围检测，就必须采用传感器阵的办法，利用大量的传感器检测点求平均，这样不但繁琐而且花费也比较大。其次这些方法在检测过程容易受到温度、湿度、天气等因素的影响，检测点每隔一段时间就要换探头。而且以半导体金属氧化物为敏感材料的传感器选择性较差，当有多种还原性气体同时存在时，很容易产生干扰，从而影响传感器对氨气的检测。相比而言，利用吸收光谱技术测量周围环境中氨气的浓度，是一种非常有前景的检测技术，其具有许多其他同类技术不可比拟的优势，该技术可以说在气体检测领域具有深远的意义。
4.采用可调谐二极管激光光谱传感技术(tdlas)检测气体的主要优点有：检测范围大，采用开放光程的模式，监测距离可以从几米到几千米；检测精度高，气体浓度检出限低于为百万分之一)；选择性高，选择合适的激光光谱波段，能够有效避免其它气体的干扰；它是一种完全非接触式的在线自动监测技术，相对于其它技术更安全可靠；响应速度快，响应时间为秒，这样对气体浓度的变化能够实现实时监测；不易受气候环境的影响，不需要人工实时看护；安装方便，易升级等。因此，以可调谐二极管激光光谱传感技术为基础的检测方法是当前气体在线监测技术研究的发展方向和科技主流，并且应用也非常广泛。相对于抽取式系统，开放式遥测系统是真正意义上的厂界环境空气监测。
5.如何将可调谐二极管激光光谱传感技术应用于氨气气团的激光遥测，是目前尚未解决的技术问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种氨气气团激光遥测装置，能够结合可调谐二极管激光光谱传感技术检测气体的优点，提出一种可以有效解决远距离有毒有害的氨气气团难以检测问题的装置，可以实现全自动远距离在线监测氨气气团浓度。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种氨气气团激光遥测装置，包括开放式遥测光学单元、分析控制器、光纤和同轴信号线。
8.分析控制器包括近红外可调谐二极管激光器、激光器驱动、mcu、ad采集模块以及温度控制单元；激光器驱动驱动近红外可调谐二极管激光器工作、温度控制单元控制近红外可调谐二极管激光器内部温度；mcu接收ad采集模块信息，mcu控制接激光器驱动；近红外可调谐二极管激光器通过光纤和同轴信号线将激光和控制信息传输至开放式遥测光学单元；开放式遥测光学单元中的红外探测器探测的模拟信号通过同轴信号线输入至ad采集模块。
9.开放式遥测光学单元包括发射端和反射端；发射端包括长筒望远镜、主反射镜、次反射镜、光学窗口片、分光镜、聚焦镜、扩束镜、光纤以及红外探测器；反射端为角反射器阵列；
10.发射端的前端为开放部，后端为密封部，开放部和密封部通过主反射镜隔开，密封部采用金属外壳，内部充氮气；扩束镜、分光镜、聚焦镜、光纤以及红外探测器位于密封部内部；光学窗口位于主反射镜的中央开口处；长筒望远镜设置在密封部金属外壳的上端面上，用于调节发射端和反射端准直，调节时观察对面反射端出现的光斑，光斑越亮说明激光束照射到反射端的准直度越高；主反射镜和次反射镜组成卡塞格林望远镜，用于红外激光的发射和收集；分光镜设置在光学窗口后端，与次反射镜和光学窗口共轴设置；光纤、同轴信号线与分光镜和扩束镜同轴；分光镜的下端设置聚焦镜和红外探测器，红外探测器的输出端为同轴信号线。
11.红外探测器放置在分光镜下方，二者之间放置一块聚焦镜，并与扩束镜广州成90
°
夹角，用于检测经过氨气气团返回的红外激光信号。
12.分光镜用于将带有氨气气团浓度信息的红外激光反射进红外探测器。
13.优选地，激光遥测装置还包括底座和底座调节支架。底座固定在水平安装台面上，底座通过底座调节支架连接开放式遥测光学单元。底座调节支架固定在开放式遥测光学单元下面，用于放置开放式遥测光学单元和对其水平方向和竖直方向调节。
14.优选地，扩束镜用于发散近红外激光器发射出的激光束，便于后续经过卡塞格林望远镜发射。
15.优选地，聚焦镜用于聚焦经反射端发射回的激光束。
16.优选地，分光镜镀有近红外波段的半透半反膜。
17.进一步地，主反射镜、次反射镜均采用单点金刚石加工工艺，并且表面镀金；主反射镜为中央开孔的凹面抛物面反射镜，次反射镜为二次曲率的凸面反射镜；次反射镜安装于主反射镜中央开孔前方。
18.进一步地，分析控制器中采用波长调制技术，测得标准氨气从低浓度到高浓度时所对应二次谐波信号，再通过最小二乘法进行光谱的信号拟合，拟合出的曲线用以在对未知浓度气体进行测量，进行亮温算法补偿从而反演出氨气气团的柱浓度。
19.有益效果：
20.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种氨气气团激光遥测装置。其目的是结合可调谐二极管激光光谱传感技术检测气体的优点，提出一种可以有效解决远距离有毒有害的氨气气团难以检测问题的装置，可以实现全自动远距离在线监测氨气气团浓度，该装置可广泛用在野外、厂区、车间等开放空间的环境中氨气气团检测，配置不同反射镜，光程最远距离可达1000米，检测下限可达ppb级。
21.本发明采用直接吸收的绝对测量，并且内置参比气体模块，实时锁住气体的吸收谱线，系统总是处于实时校正状态，不受温度、电源以及系统部件老化的影响，系统不存在漂移的问题，无需任何的定期校正。
22.本发明采用波长调制技术，多次测得标准氨气从低浓度到高浓度时所对应二次谐波信号，再通过最小二乘法进行光谱的信号拟合，拟合出的曲线用以在对未知浓度气体进行测量，进行亮温算法补偿从而反演出氨气气团的柱浓度。
附图说明
23.图1为本发明实施例提供的一种氨气气团激光遥测装置的结构示意图；
24.图2为本发明实施例提供的一种氨气气团激光遥测装置的开放式遥测光学单元。
具体实施方式
25.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
26.本发明涉及一种氨气气团激光遥测装置，完整的氨气气团激光遥测装置包括如下：1)开放式遥测光学单元，由两部分组成：发射端(望远镜)和反射端；2)分析控制器；3)光纤、同轴信号线，连接分析控制器和开放式遥测光学单元。本发明所述遥测装置使用近红外可调谐二极管激光器作为光源，通过实时改变的温度以及注入电流产生高频窄波段扫描，激光器产生的窄波段扫描激光束通过光纤传输到开放式遥测光学单元，经过发射端(望远镜)发射的激光束穿过被检测气体后被反射端反射回来后经过发射端(望远镜)聚焦到红外探测器，红外探测器将吸收光谱模拟信号通过同轴电缆传输回分析控制器，分析控制器通过对扫描吸收光谱的分析计算得到检测气体的浓度。
27.如图1所示，一种氨气气团激光遥测装置1，包括近红外可调谐二极管激光器2，近红外可调谐二极管激光器2封装为蝶形封装，近红外可调谐二极管激光器2放置在分析控制器3里面通过光纤4连接开放式遥测光学单元，分析控制器3里面包含近红外可调谐二极管激光器2、mcu5和ad采集模块6，mcu5通过控制可调谐二极管激光器2里面的内置温度控制单元7和激光器驱动8，把激光器输出的中心波长锁定在1531.7nm处，并且通过光纤将特定中心波长激光传导至开放式遥测光学单元9，开放式遥测光学单元9将带有氨气气团浓度的红外激光探测信号通过同轴信号线10传递至ad采集模块6，并由mcu5对其进行氨气气团浓度信息分析。
28.如图2所示，开放式遥测光学单元9为一种氨气气团激光遥测装置1的主体，采用金属外壳，内部充氮气，使其内部镜片不受污染，整体仪器具有更高的使用寿命。开放式遥测光学单元9包括扩束镜11将近红外可调谐二极管激光器2发射激光增加发散角，经过发散后的激光透过蓝宝石光学窗口片12，再经由次反射镜13和主反射镜14组成的卡塞格林望远镜
后，经过待测氨气气团后由角反射器阵列15同光路原路返回卡塞格林望远镜并经45
°
分光镜16转折90
°
后的近红外激光再经聚焦镜17聚焦到红外探测器18。
29.主反射镜12与次反射镜11材料均选用航空铝合金与单点金刚石加工工艺，并且表面镀金，表面粗糙度小于30nm，rms《λ/4，反射率可达95％，且具有较高的耐腐蚀性。其中主反射镜12为抛物面反射镜，曲率半径为-508mm，镜面直径为106mm，次反射镜11为双曲面反射镜，曲率半径为-198mm，镜面直径为36mm，均采用单点金刚石加工工艺且表面镀金。红外探测器18选用二级制冷热释电探测器，提高气体的检测精度。
30.底座调节支架19固定在开放式遥测光学单元下面，用于放置开放式遥测光学单元9在水平方向和竖直方向进行调节，长筒望远镜20设置在开放式遥测光学单元9上面，用于调节开放式遥测光学单元9准直。
31.上述各实施例中，本发明的一种氨气气团激光遥测装置的应用不仅仅局限于氨气气体分析仪，其还可以应用在其他气体分析设备中。
32.本发明中，作为优选方案，近红外可调谐二极管激光器，激光器封装为蝶形封装，内置热敏电阻和半导体制冷器，检测氨气气团时通过温度调节把激光器输出的中心波长锁定在1531.7nm处，该光源具有使用寿命长，稳定性好的特点。
33.本发明中，作为优选方案，长筒望远镜采用抗震十字瞄准镜，内置水平仪，8倍放大，最远可观察2km。
34.本发明中，作为优选方案，主反射镜、次反射镜均采用单点金刚石加工工艺，并且表面镀金，具有反射率高、稳定性好、环境适应性强。
35.本发明中，作为优选方案，窗口片选用蓝宝石材料，该材料的光学特性具有透过率高、稳定性好、不潮解等优势。
36.本发明中，作为优选方案，分光镜选用45
°
单边高通二向色分光镜，将发射的近红外激光和带有氨气浓度信息的反射激光同光路。
37.本发明中，作为优选方案，聚焦镜和扩束镜，采用镀有近红外高透膜的光学玻璃透镜。
38.本发明中，作为优选方案，红外探测器采用二级制冷热释电探测器，提高气体的探测精度和灵敏度。
39.本发明中，作为优选方案，反射端采用角反射器阵列，可大面积将以一定角度内入射的激光按照原先相反的方向反射回去。
40.本发明中，作为优选方案，开放式遥测光学单元的发射端，是由主反射镜、次反射镜组成的卡塞格林望远镜，具有无色差，纠正了抛物面的慧差等优点，且结构更加紧凑，不需要调整光轴。
41.本发明采用直接吸收的绝对测量，并且内置参比气体模块，实时锁住气体的吸收谱线，系统总是处于实时校正状态，不受温度、电源以及系统部件老化的影响，系统不存在漂移的问题，无需任何的定期校正。
42.本发明采用波长调制技术，多次测得标准氨气从低浓度到高浓度时所对应二次谐波信号，再通过最小二乘法进行光谱的信号拟合，拟合出的曲线用以在对未知浓度气体进行测量，进行亮温算法补偿从而反演出氨气气团的柱浓度。
43.本发明可广泛用在野外、厂区、车间等开放空间的环境中氨气气团的检测，配置不
同反射镜，光程最远距离可达1000米，检测下限可达ppb级。
44.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。