空间气体的扫描装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种空间气体的扫描装置及方法，所述空间气体的扫描装置包括：光源发出的测量光的波长覆盖所述空间内待测气体的吸收谱线；光偏转器件用于偏转所述测量光，偏转后的测量光射入所述空间；马达用于驱动所述光偏转器件转动，偏转后的测量光扫描空间内的不同方向；探测器用于将穿过所述空间的测量光的反射光转换为电信号，并传送到分析模块；分析模块根据吸收光谱技术处理接收到的所述电信号、光偏转器件的转动角度，从而获得空间内不同方向上待测气体的含量。本发明具有精度高、结构简单、低成本等优点。
【专利说明】
空间气体的扫描装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及光电分析，特别涉及空间气体的扫描装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前，通过反射面回波进行气体浓度测量是气体遥测的一种常见方式。由光源发出的光线经过准直照射到反射面上，在反射面经过反射回到遥测装置的光电探测器中，通过测量反射回波被路径上目标气体的吸收可以推算出目标气体的浓度值。这种遥测装置具有诸多不足，如:
[0003]由于自身光路与结构的限制，传统气体遥测装置的测量方向是固定的，不能够获得目标气体浓度的角度分辨信息(如聚光科技、东京燃气、美国汉斯产品)。然而，对于特定区域气体浓度的测量，除了需要测量气体浓度本身以外，还需要获得所测量浓度对应的角度信息。
【发明内容】
[0004]为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种能获得不同方向上气体浓度信息的空间气体的扫描装置。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]—种空间气体的扫描装置，所述空间气体的扫描装置包括:
[0007]光源，所述光源发出的测量光的波长覆盖所述空间内待测气体的吸收谱线；
[0008]光偏转器件，所述光偏转器件用于偏转所述测量光，偏转后的测量光射入所述空间；
[0009]马达，所述马达用于驱动所述光偏转器件转动，偏转后的测量光扫描空间内的不同方向；
[0010]探测器，所述探测器用于将穿过所述空间的测量光的反射光转换为电信号，并传送到分析模块；
[0011]分析模块，所述分析模块根据吸收光谱技术处理接收到的所述电信号、光偏转器件的转动角度，从而获得空间内不同方向上待测气体的含量。
[0012]根据上述的空间气体的扫描装置，可选地，所述空间气体的扫描装置进一步包括:
[0013]角度测量模块，所述角度测量模块用于检测所述光偏转器件的转动角度，并传送到分析模块。
[0014]根据上述的空间气体的扫描装置，优选地，所述反射光经所述光偏转器件偏转后被所述探测器接收。
[0015]根据上述的空间气体的扫描装置，优选地，所述测量光在所述光偏转器件上的入射角为45度。
[0016]根据上述的空间气体的扫描装置，可选地，所述角度测量模块包括:
[0017]指针，所述指针的一端固定在所述光偏转器件或马达的转轴上；
[0018]角度指示牌，所述指针的另一端指向所述角度指示牌。
[0019]根据上述的空间气体的扫描装置，可选地，所述马达根据接收到的转动指令工作，所述转动指令包括转动角度。
[0020]根据上述的空间气体的扫描装置，可选地，所述空间气体的扫描装置包括:
[0021]壳体，所述光源、光偏转器件、探测器设置在所述壳体内；
[0022]透明窗口，所述透明窗口设置在所述壳体上，适于偏转后的测量光和反射光的穿过。
[0023]本发明的目的还在于提供了一种可获知不同方向上气体含量信息的空间气体的扫描方法，该发明目的通过以下技术方案得以实现:
[0024]空间气体的扫描方法，所述空间气体的扫描方法包括以下步骤:
[0025](Al)光源发出的测量光被光偏转器件偏转后射入空间内；
[0026](A2)射入空间内的测量光被待测气体吸收，衰减后的测量光被反射，探测器将反射光转换为电信号，并送分析模块；
[0027](A3)分析模块根据吸收光谱技术处理接收到的所述电信号，从而获得测量光射入空间时的方向上的待测气体的含量；
[0028](A4)马达驱动所述光偏转器件偏转，重复步骤(A1)_(A3)，从而使偏转后的测量光扫描所述空间，进而获知所述空间不同方向上的气体含量。
[0029]根据上述的空间气体的扫描方法，可选地，在步骤(A4)中，获知所述光偏转器件的偏转角度，并传送到所述分析模块。
[0030]根据上述的空间气体的扫描方法，优选地，在步骤(A2)中，反射光经过所述光偏转器件的偏转后，被所述探测器接收。
[0031]与现有技术相比，本发明具有的有益效果为:
[0032]1.利用转动的光偏转器件，使得偏转后的测量光从不同角度(方向)射入空间内，也即测量光扫描所述空间，从而获知不同角度(方向)上气体的含量，也即建立了空间位置与气体含量间的映射关系，使得操作者了解气体浓度异常的区域，如气体泄漏的区域；
[0033]2.在发光体出光过程中，利用压电材料(周期性地微米量级地)调整光准直器件和发光体之间的距离，从而消除了发光体和光准直器件间干涉带来的光学噪声；
[0034]光准直器件表面镀增透膜，进一步降低了光学噪声；
[0035]发光体的出射光的光轴与光准直器件的轴线的夹角可为零，提高了出射光的准直效果；
[0036]3.结构简单、低成本
[0037]在原有的气体遥测装置的基础上加装马达、光偏转器件即可。
【附图说明】
[0038]参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是:这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中:
[0039]图1是根据本发明实施例1的空间气体的扫描装置的结构简图；
[0040]图2是根据本发明实施例1、5的光源的结构简图；
[0041]图3是根据本发明实施例1的空间气体的扫描方法的流程图；
[0042]图4是根据本发明实施例2的光源的结构简图；
[0043]图5是根据本发明实施例3的光源的结构简图。
【具体实施方式】
[0044]图1-5和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
[0045]实施例1:
[0046]图1示意性地给出了本实施例的空间气体的扫描装置的结构简图，如图1所示，所述空间气体的扫描装置包括:
[0047]光源91，图2示意性地给出了本实施例的光源的结构简图，如图2所示，所述光源包括:
[0048]发光体2，如用于发射单色光的激光器，所述发光体固定在支架上;所述发光体发出的测量光的波长覆盖所述空间内待测气体的吸收谱线；
[0049]支架I，如圆形套筒，所述支架用于承载所述发光体，支架形成有适于所述发光体出射光通过的光学通道；
[0050]固定件6，如一端具有径向部分的圆形套筒，所述固定件设置在所述支架上，适于所述出射光穿过;固定件和支架之间通过螺纹配合，实现可拆卸；
[0051]光准直器件4，如凸透镜，所述光准直器件固定在所述出射光的光路上，适于准直所述出射光；
[0052]弹性件5，如橡胶件，所述弹性件设置在所述光准直器件的沿其轴线方向上的侧部；
[0053]压电器件3，如压电陶瓷，所述压电器件和弹性件分别设置在所述光准直器件的沿其轴线方向的两侧，所述光准直器件、弹性件和压电器件被约束在所述支架和固定件之间，使得当压电器件发生位移时，所述光准直器件随之来回移动，从而不断地调整发光体和光准直器件之间的距离，消除了光源和透镜之间的由于干涉产生的光学噪声；
[0054]光偏转器件92，如平面镜、凹面镜或全内反射棱镜，所述光偏转器件用于偏转所述测量光，偏转后的测量光射入所述空间；
[0055]第一马达93，所述第一马达用于驱动所述光偏转器件转动，偏转后的测量光扫描空间内的不同方向；
[0056]探测器94，所述探测器用于将穿过所述空间的测量光的反射光转换为电信号，并传送到分析模块；
[0057]分析模块，所述分析模块根据吸收光谱技术处理接收到的所述电信号、光偏转器件的转动角度，从而获得空间内与转动角度相匹配的不同方向上待测气体的含量。分析模块是现有技术，在此不再赘述。
[0058]图3示意性地给出了本实施例的空间气体的扫描方法的流程图，也即上述扫描装置的工作过程，如图3所示，所述空间气体的扫描方法包括以下步骤:
[0059](Al)光源发出的测量光被光偏转器件偏转后射入空间内；测量光的出光方式为:
[0060](BI)发光体发出的出射光穿过光学通道；
[0061](B2)出射光被光准直器件准直;压电器件产生位移，从而推动所述光准直器件来回移动，从而不断地调整发光体和光准直器件之间的距离，消除了光源和透镜之间的由于干涉产生的光学噪声；
[0062 ] (B3)准直后的出射光从固定件射出，成为测量光；
[0063](A2)射入空间内的测量光被待测气体吸收，衰减后的测量光被反射，探测器将反射光转换为电信号，并送分析模块；
[0064](A3)分析模块根据吸收光谱技术处理接收到的所述电信号，从而获得测量光射入空间时的方向上的待测气体的含量；
[0065](A4)马达驱动所述光偏转器件偏转，重复步骤(A1)_(A3)，从而使偏转后的测量光扫描所述空间，进而获知所述空间不同方向上的气体含量，以掌握气体含量异常的区域位置，如有毒有害、易燃易爆气体的泄漏位置。
[0066]实施例2:
[0067]本发明实施例的空间气体的扫描装置，与实施例1不同的是:
[0068]1.如图4所示，光源包括:
[0069]发光体2，用于发射单色光;所述发光体固定在第一支架上；
[0070]第一支架21，如圆形套筒、安装板等，所述支架用于承载所述发光体，支架形成有适于所述发光体出射光通过的光学通道；
[0071]光准直器件81，如平-凸透镜，所述光准直器件固定在所述发光体的出射光的光路上，准直所述出射光;所述光准直器件的轴线与所述出射光的光轴间的夹角为锐角，如2度、10度、25度等，但不超过30度；
[0072]转动件31，所述光准直器件固定在所述转动件上；
[0073]第二支架71，所述转动件可转动地设置在所述第二支架上；
[0074]第二马达51，所述第二马达用于驱动所述转动件及光准直器件转动。
[0075]2.分析单元，所述分析单元包括:平均器、计算模块，所述平均器用于平均探测器传送来的电信号携带的光谱数据，计算模块利用光谱分析技术处理平均后的光谱数据，从而获知待测气体的参数，如气体含量、流速等。
[0076]本实施例的空间气体的扫描方法，也即上述扫描装置的工作过程，所述空间气体的扫描方法包括以下步骤:
[0077](Al)光源发出的测量光被光偏转器件偏转后射入空间内；测量光的出光方式为:
[0078](BI)发光体发出的出射光穿过光学通道；
[0079](B2)出射光被光准直器件准直;光准直器件在马达驱动下旋转；
[0080](B3)准直后的出射光从固定件射出，成为测量光；
[0081](A2)射入空间内的测量光被待测气体吸收，衰减后的测量光被反射，探测器将反射光转换为电信号，并送分析模块；
[0082](A3)平均器平均所述电信号携带的光谱数据，计算模块利用吸收光技术处理平均后的电信号，获知测量光射入空间时的方向上的待测气体的浓度等信息
[0083](A4)马达驱动所述光偏转器件偏转，重复步骤(A1)_(A3)，从而使偏转后的测量光扫描所述空间，进而获知所述空间不同方向上的气体含量，以掌握气体含量异常的区域位置，如有毒有害、易燃易爆气体的泄漏位置。
[0084]实施例3:
[0085]本发明实施例的空间气体的扫描装置，与实施例2不同的是:
[0086]如图5所示，光源包括:
[0087]发光体2选用可调谐半导体激光器；
[0088]第一支架21采用具有径向部分、轴向部分的圆形套筒，所述发光体固定在所述径向部分的中心;轴向部分的部分22作为第二支架；
[0089]转动件31采用轴承，轴承外圈固定在所述第二支架上，也即所述轴向部分的内侧；
[0090]固定件41，固定件采用套筒，固定在转动件上，即轴承的内圈上；
[0091]光准直器件81采用平-凸透镜，透镜固定在所述固定件内，透镜的轴线与激光器发出的测量光的光轴间夹角为锐角，如5度，透镜镀具有便于所述测量光穿过的增透膜，凸面背对所述激光器；
[0092]第二马达51，如通过电、气、磁、液压等方式驱动的马达，用于驱动所述固定件转动，使得光准直器件旋转，但不发生沿测量光光路方向上的位移。
[0093]实施例4:
[0094]本发明实施例的空间气体的扫描装置，与实施例3不同的是:
[0095]1.不再使用固定件，光准直器件直接固定在轴承的内圈上，马达直接驱动内圈转动，依靠马达的主动轮利用摩擦力驱动内圈；
[0096]2.第二支架单独设置，所述轴承的外圈固定在所述第二支架上;激光器发出的测量光穿过光准直器件，且光轴与光准直器件的轴线间的夹角为锐角，如10度、15度、20度、30度等。
[0097]实施例5:
[0098]根据本发明实施例1的空间气体的扫描装置及方法在气体遥测中的应用例。
[0099]在该应用例中，如图2所示，发光体2选用可调谐半导体激光器，测量光波长覆盖甲烷的吸收谱线;所述支架I采用圆形套筒，临着固定件的一端12的外径较小(与支架的临着发光体的一端的外径相比)，但内径较大(与支架的临着发光体的一端的内径相比)，从而在内部形成环形台阶，且具有外螺纹，临着发光体的一端11的外径较大，但内径较小;所述发光体I固定在支架的外径较大一端的端部；固定件6采用一端具有径向部分62的圆形套筒，该套筒内具有内螺纹，与所述外螺纹匹配;压电器件3采用压电陶瓷，对称地分布在所述环形台阶上，压电器件的线缆穿过支架，压电陶瓷的振幅微米量级，谐振频率可达几百千赫兹;沿着激光器出射光方向上的压电器件的背对台阶的一侧设有光准直器件4，采用平-凸透镜，透镜的轴线与出射光的光轴间夹角为零，透镜镀有便于所述激光器出射光穿过的增透膜，凸面背对所述激光器;弹性件5采用橡胶材质，如O型圈，所述压电器件、光准直器件和弹性件依次排列地处于所述支架的内径较小部分的内侧，处于激光器出射光的光路上；固定件的轴向部分61套在所述支架的外径较小部分的外侧，径向部分62阻挡弹性件，使得在沿着激光器出射光的方向上，压电器件、光准直器件和弹性件被挤压在支架和固定件之间。
[0100]光偏转器件采用平面反射镜，测量光在所述反射镜上的入射角为45度，也即，测量光被偏转90度;马达采用伺服电机，根据接收到的转动指令工作，所述转动指令包括转动角度；测量光在空间内的反射光经过所述反射镜的反射后被探测器接收;所述激光器、反射镜、探测器设置在所述壳体内，其中，光源和探测器设置在反射镜的下侧;透明窗口设置在所述壳体上，适于偏转后的测量光和反射光的穿过;分析模块根据接收到的转动指令而获知反射镜的转动角度。
[0101]本发明实施例的空间气体的扫描方法，所述空间气体的扫描方法包括以下步骤:
[0102](Al)激光器发出的竖直方向上的测量光被反射镜偏转90度后水平地射入空间内；
[0103](A2)射入空间内的测量光被甲烷选择性吸收，衰减后的测量光被反射，反射光经所述反射镜反射后被探测器接收，转换出的电信号送分析模块；
[0104](A3)分析模块根据吸收光谱技术处理接收到的所述电信号，从而获得与反射镜位置相对应的测量光射入空间时的方向上的待测气体的含量；
[0105](A4)马达驱动所述光偏转器件偏转，重复步骤(A1)_(A3)，从而使偏转后的测量光扫描所述空间，进而获知所述空间内不同水平方向上的气体含量，以掌握气体含量异常的区域位置，如天然气的泄漏位置。
[0106]实施例6:
[0107]根据本发明实施例1的空间气体的扫描装置及方法在大气遥测中的应用例。
[0108]在该应用例中，光源与实施例5不同的是:1.支架具有临着激光器的内径较小部分、临着固定件的内径较大部分，内径较大部分的内侧具有内螺纹;与所述支架相匹配的，固定件具有外螺纹;2.沿着激光器的出射光方向上，弹性件、光准直器件和压电器件依次布置在固定件内侧，并被台阶和固定件挤压，从而当压电器件具有位移时，光准直器件发生来回移动。
[0109]光偏转器件采用平面反射镜，测量光在所述反射镜上的入射角为45度，也即，测量光被偏转90度；马达采用电机;角度测量模块包括:指针，所述指针的一端固定在所述马达的转轴上；角度指示牌，所述指针的另一端指向所述角度指示牌;测量光在空间内的反射光经过所述反射镜的反射后被探测器接收;所述激光器、反射镜、探测器设置在所述壳体内，其中，光源和探测器设置在反射镜的下侧;透明窗口设置在所述壳体上，适于偏转后的测量光和反射光的穿过;分析模块根据所述角度测量模块而获知反射镜的转动角度。
[0110]本发明实施例的空间气体的扫描方法，所述空间气体的扫描方法包括以下步骤:
[0111](Al)激光器发出的测量光被反射镜偏转90度后射入空间内；
[0112](A2)射入空间内的测量光被甲烷选择性吸收，衰减后的测量光被反射，反射光经所述反射镜反射后被探测器接收，转换出的电信号送分析模块；
[0113](A3)分析模块根据吸收光谱技术处理接收到的所述电信号，从而获得与反射镜位置相对应的测量光射入空间时的方向上的待测气体的含量；
[0114](A4)马达驱动所述光偏转器件偏转，重复步骤(A1)_(A3)，从而使偏转后的测量光扫描所述空间，进而获知所述空间不同方向上的气体含量。
[0115]上述实施例仅是示例性地给出了光源采用激光器、光偏转器件采用平面反射镜，当然还可以是其他情况，如光源采用氘灯、氙灯等，光偏转器件采用凹面反射镜、全内反射棱镜，角度测量模块采用角度传感器等。
【主权项】
1.一种空间气体的扫描装置，其特征在于:所述空间气体的扫描装置包括: 光源，所述光源发出的测量光的波长覆盖所述空间内待测气体的吸收谱线； 光偏转器件，所述光偏转器件用于偏转所述测量光，偏转后的测量光射入所述空间； 马达，所述马达用于驱动所述光偏转器件转动，偏转后的测量光扫描空间内的不同方向； 探测器，所述探测器用于将穿过所述空间的测量光的反射光转换为电信号，并传送到分析模块； 分析模块，所述分析模块根据吸收光谱技术处理接收到的所述电信号、光偏转器件的转动角度，从而获得空间内不同方向上待测气体的含量。2.根据权利要求1所述的空间气体的扫描装置，其特征在于:所述空间气体的扫描装置进一步包括: 角度测量模块，所述角度测量模块用于检测所述光偏转器件的转动角度，并传送到分析模块。3.根据权利要求1所述的空间气体的扫描装置，其特征在于:所述反射光经所述光偏转器件偏转后被所述探测器接收。4.根据权利要求1所述的空间气体的扫描装置，其特征在于:所述测量光在所述光偏转器件上的入射角为45度。5.根据权利要求1所述的空间气体的扫描装置，其特征在于:所述角度测量模块包括: 指针，所述指针的一端固定在所述光偏转器件或马达的转轴上； 角度指示牌，所述指针的另一端指向所述角度指示牌。6.根据权利要求1所述的空间气体的扫描装置，其特征在于:所述马达根据接收到的转动指令工作，所述转动指令包括转动角度。7.根据权利要求1所述的空间气体的扫描装置，其特征在于:所述空间气体的扫描装置包括: 壳体，所述光源、光偏转器件、探测器设置在所述壳体内； 透明窗口，所述透明窗口设置在所述壳体上，适于偏转后的测量光和反射光的穿过。8.空间气体的扫描方法，所述空间气体的扫描方法包括以下步骤: (Al)光源发出的测量光被光偏转器件偏转后射入空间内； (A2)射入空间内的测量光被待测气体吸收，衰减后的测量光被反射，探测器将反射光转换为电信号，并送分析模块； (A3)分析模块根据吸收光谱技术处理接收到的所述电信号，从而获得测量光射入空间时的方向上的待测气体的含量； (A4)马达驱动所述光偏转器件偏转，重复步骤(A1)-(A3)，从而使偏转后的测量光扫描所述空间，进而获知所述空间不同方向上的气体含量。9.根据权利要求8所述的空间气体的扫描方法，其特征在于:在步骤(A4)中，获知所述光偏转器件的偏转角度，并传送到所述分析模块。10.根据权利要求8所述的空间气体的扫描方法，其特征在于:在步骤(A2)中，反射光经过所述光偏转器件的偏转后，被所述探测器接收。
【文档编号】G01N21/39GK106092965SQ201610646903
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月9日 公开号201610646903.6, CN 106092965 A, CN 106092965A, CN 201610646903, CN-A-106092965, CN106092965 A, CN106092965A, CN201610646903, CN201610646903.6
【发明人】刘烨露, 王瑞, 向少卿, 孙文婷, 李一帆
【申请人】上海禾赛光电科技有限公司