专利名称：基于红外激光光谱的氧气原位检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于红外激光光谱的氧气原位检测装置，属于气体检 测技术领域。
背景技术：
目前普遍使用的氧监测仪器主要基于电化学和氧化物及半导体技术的氧气 传感器，这些仪器虽然有足够的检测灵敏度，但普遍具有响应时间长、易中毒 以及易受其它气体干扰等缺点，仪器维护量大。如常用的二氧化锆极限型氧传
感器需要较高的工作温度(6ocrc)，在易燃易爆环境中应用会引入极大的安全
隐患；迦伐尼式氧传感器易受二氧化碳气体的干扰，且寿命较短。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提出一种实时在线基于红外激光光谱的氧 气原位检测装置。
一种基于红外激光光谱的氧气浓度原位检测装置，该装置包括主机箱、现场 检测�？楹推帘未涞缋拢恢骰渖习沧坝械缭纯亍⑹荽浣涌�、液晶显 示屏、电源插座、风扇、第一电缆接口，主机箱内有数据采集处理和控制模块、 直流稳压�？�、信号滤波与放大电路、温度控制�？�、电流控制�？�、锁相放 大器、调制信号发生器，其中电源开关与直流稳压�？榈囊桓鍪淙攵肆樱� 据传输接口与数据采集处理和控制�？榱樱绷魑妊鼓？榈牧硪桓鍪淙攵擞� 总电源插座连接，直流稳压�？榈氖涑龆朔直鹩胍壕允酒痢⑹莶杉砗� 控制�？�、风扇、信号滤波与放大电路、温度控制模块、电流控制�？�、锁相 放大器、调制信号发生器的输入端连接，数据采集处理和控制模块的两个输出 端分别与液晶显示屏、温度控制�？榈氖淙攵肆樱露瓤刂颇？榈氖涑龆私� 第一电缆接口，数据采集处理和控制�？橛氲髦菩藕欧⑸鞯牧樱髦菩藕� 发生电路的输出端与电流控制模块的输入端连接，电流控制�？榈氖涑龆擞氲� 一电缆接口连接，第一电缆接口与屏蔽传输电缆的一端连接，第一电缆接口与 信号滤波与放大电路的输入端连接，信号滤波与放大电路的输出端与锁相放大 器的输入端连接，锁相放大器的输出端与数据采集处理和控制�？榈氖淙攵肆� 接；现场检测�？榘ǖ诙缋陆涌�、校准池槽、出气孔快插接口、进气孔快 插接口、第一球面反射镜、第二球面反射镜、半导体激光器、石英窗片、钨钢 支杆、副镜底座、副镜、主镜、主镜底座、密封罩、光电探测器，其中第二电 缆接口与屏蔽传输电缆的另一端连接，第二电缆接口与半导体激光器和光电探
4测器连接，半导体激光器、第一球面反射镜、第二球面反射镜、光电探测器、 校准池槽安装在现场检测�？樯喜康墓庋У髡苌希⒂擅芊庹置芊庠谥骶档� 座的上表面，密封罩的上部设置出气孔快插接口和进气孔快插接口，主镜底座 与副镜底座之间为反射吸收池，反射吸收池由两片相同的同轴球面镜即主镜和 副镜构成，主镜安装在主镜底座的内表面上，副镜安装在副镜底座的内表面上， 主镜底座和副镜底座由四根钨钢杆连接和支撑，主镜和主镜底座对应边缘开有 通光小孔，主镜底座小孔内装有石英玻璃窗片，主镜底座四角开有固定孔。
本实用新型为一种基于红外激光光谱的氧气原位检测方法与装置，利用近 红外可调谐半导体激光吸收光谱技术、波长调制光谱和二次谐波检测技术、开 放式长光程多次反射池技术实现氧浓度的原位测量，利用可调谐半导体激光吸 收光谱技术高分辨特点消除了环境中其它气体成分的干扰，从技术上克服了传 统仪器响应速度慢、易受干扰、易中毒、工作温度高等缺点。系统适合于开放 空间及密闭装置内氧浓度的快速、灵敏测量。
图1:本实用新型整体结构具体实施方式
如图1所示， 一种基于红外激光光谱的氧气浓度原位检测装置，该装置包
括主机箱1、现场检测�？�2和屏蔽传输电缆3;主机箱1上安装有电源开关101、 数据传输接口 102、液晶显示屏103、电源插座106、风扇107、第一电缆接口 109，主机箱1内有数据采集处理和控制�？�104、直流稳压�？�105、信号滤 波与放大电路108、温度控制�？镮IO、电流控制�？閘ll、锁相放大器112、调 制信号发生器113，其中电源开关101与直流稳压�？�105的一个输入端连接， 数据传输接口 102与数据采集处理和控制�？�104连接，直流稳压�？�(105) 的另一个输入端与总电源插座106连接，直流稳压�？�105的输出端分别与液 晶显示屏103、数据采集处理和控制�？�104、风扇107、信号滤波与放大电路 108、温度控制�？镮IO、电流控制�？閘ll、锁相放大器112、调制信号发生器 (113)的输入端连接，数据采集处理和控制�？�104的两个输出端分别与液晶 显示屏103、温度控制�？�110的输入端连接，温度控制�？�110的输出端连接 第一电缆接口 109，数据采集处理和控制�？�104与调制信号发生器113的连接， 调制信号发生电路113的输出端与电流控制�？�111的输入端连接，电流控制模 块lll的输出端与第一电缆接口 109连接，第一电缆接口 109与屏蔽传输电缆3 的一端连接，第一电缆接口 109与信号滤波与放大电路108的输入端连接，信 号滤波与放大电路108的输出端与锁相放大器112的输入端连接，锁相放大器 112的输出端与数据采集处理和控制模块104的输入端连接；现场检测�？�2包 括第二电缆接口 201、校准池槽202、出气孔快插接口 203、进气孔快插接口 204、 第一球面反射镜205、第二球面反射镜206、半导体激光器207、石英窗片208、 钨钢支杆209、副镜底座210、副镜211、主镜212、主镜底座213、密封罩215、光电探测器216，其中第二电缆接口 201与屏蔽传输电缆3的另一端连接，第二 电缆接口 201与半导体激光器207和光电探测器216连接，半导体激光器207、 第一球面反射镜205、第二球面反射镜206、光电探测器216、校准池槽202安 装在现场检测�？�2上部的光学调整架上，并由密封罩215密封在主镜底座213 的上表面，密封罩215的上部设置出气孔快插接口 203和进气孔快插接口 204， 主镜底座213与副镜底座210之间为反射吸收池，反射吸收池采用Herriott型结 构，由两片相同的同轴球面镜即主镜212和副镜211构成，主镜212安装在主 镜底座213的内表面上，副镜安装在副镜底座210的上表面上，主镜底座213 和副镜底座210由四根钨钢杆209连接和支撑，主镜和主镜底座对应边缘开有 通光小孔，主镜底座小孔内装有石英玻璃窗片208，主镜底座四角开有固定孔 214。所述现场检测�？槊芊庹�215内充入惰性气体。
本实用新型采用中心波长为762nm的近红外VCSEL半导体激光器207作 为02的检测激光光源，激光器温度控制�？�110和电流控制�？�111通过激光 温度、电流控制将激光器输出中心波长调谐到762nm附近02的一条吸收线中 心，调制信号发生电路113产生的100Hz锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流 上使激光波长缓慢扫描过02气体的吸收线，调制信号发生电路113同时产生 10KHz正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制。激光 器电流和温度控制模块通过屏蔽传输电缆3与现场检测单元2联接，并作用于 现场检测单元内的VCSEL半导体激光器207上，激光器输出光束由第二球面镜 206耦合进光学多次反射吸收池内；多次反射池采用Herriott型结构，由两个相 同的球面镜组成，分别称为主镜212和副镜211，主镜212和副镜211都安装在 不锈钢底座上，多次反射池腔镜由四根钨钢支杆209连接和支撑。主镜212和 主镜底座213的对应边缘上开有圆形通光小孔，底座通光小孔内装有石英窗片 208，主镜底座213将现场检测单元2的上部与多次反射池分隔开；激光束通经 过小孔进入多次反射池，光束在池内经过多次往返反射后由同一通光小孔出射； 入射和出射光束有不同的传输方向，出射光束经第一球面镜205和校准池槽202 聚焦在光电探测器216的光敏面上；光电信号同样经过屏蔽电缆3传输到系统 主机。激光器和反射镜均安装在三维调整架上以调整光束的传输方向和光束在 池内的反射。在主机内，首先由滤波放大电路108对光电信号进行处理，然后 送到锁相放大器112进行二次谐波检测，数据采集、处理和控制�？�104对二 次谐波信号进行A/D转换和数字采集，谐波信号进行多次累加平均后得到一条 测量谱用于气体浓度的反演，测量数据显示在主机箱上的液晶显示屏103上， 主机单元通过数据接口 102与上位机通信，实现检测数据的传输与系统参数设 置。
主镜底座上有四个固定孔214，可以将现场检测单元2固定在管道或腔体上 壁，光学反射池插入内部以实现对密闭环境检测的需要。现场检测�？榈纳喜� 由密封罩215封闭，构成独立于多次反射吸收池的密封腔，在对密闭空间的氧 浓度测量时，可以充入惰性气体(如N2气)，以防止外部环境氧气对检测的影 响。
权利要求1. 一种基于红外激光光谱的氧气浓度原位检测方法的装置，其特征在于该装置包括主机箱(1)、现场检测模块(2)和屏蔽传输电缆(3)；其中主机箱(1)上安装有电源开关(101)、数据传输接口(102)、液晶显示屏(103)、电源插座(106)、风扇(107)、第一电缆接口(109)，主机箱(1)内有数据采集处理和控制模块(104)、直流稳压�？�(105)、信号滤波与放大电路(108)、温度控制�？�(110)、电流控制�？�(111)、锁相放大器(112)、调制信号发生器(113)，其中电源开关(101)与直流稳压�？�(105)的一个输入端连接，数据传输接口(102)与数据采集处理和控制�？�(104)连接，直流稳压�？�(105)的另一个输入端与总电源插座(106)连接，直流稳压�？�(105)的输出端分别与液晶显示屏(103)、数据采集处理和控制模块(104)、风扇(107)、信号滤波与放大电路(108)、温度控制�？�(110)、电流控制�？�(111)、锁相放大器(112)、调制信号发生器(113)的输入端连接，数据采集处理和控制�？�(104)的两个输出端分别与液晶显示屏(103)、温度控制�？�(110)的输入端连接，温度控制�？�(110)的输出端连接第一电缆接口(109)，数据采集处理和控制�？�(104)与调制信号发生器(113)的连接，调制信号发生电路(113)的输出端与电流控制�？�(111)的输入端连接，电流控制�？�(111)的输出端与第一电缆接口(109)连接，第一电缆接口(109)与屏蔽传输电缆(3)的一端连接，第一电缆接口(109)与信号滤波与放大电路(108)的输入端连接，信号滤波与放大电路(108)的输出端与锁相放大器(112)的输入端连接，锁相放大器(112)的输出端与数据采集处理和控制�？�(104)的输入端连接；现场检测�？�(2)包括第二电缆接口(201)、校准池槽(202)、出气孔快插接口(203)、进气孔快插接口(204)、第一球面反射镜(205)、第二球面反射镜(206)、半导体激光器(207)、石英窗片(208)、钨钢支杆(209)、副镜底座(210)、副镜(211)、主镜(212)、主镜底座(213)、密封罩(215)、光电探测器(216)，其中第二电缆接口(201)与屏蔽传输电缆(3)的另一端连接，第二电缆接口(201)与半导体激光器(207)和光电探测器(216)连接，半导体激光器(207)、第一球面反射镜(205)、第二球面反射镜(206)、光电探测器(216)、校准池槽(202)安装在现场检测�？�(2)上部的光学调整架上，并由密封罩(215)密封在主镜底座(213)的上表面，密封罩(215)的上部设置出气孔快插接口(203)和进气孔快插接口(204)，主镜底座(213)与副镜底座(210)之间为反射吸收池，反射吸收池由两片相同的同轴球面镜即主镜(212)和副镜(211)构成，主镜(212)安装在主镜底座(213)的下表面上，副镜安装在副镜底座(210)的内表面上，主镜底座(213)和副镜底座(210)由四根钨钢杆(209)连接和支撑，主镜和主镜底座对应边缘开有通光小孔，主镜底座小孔内装有石英玻璃窗片(208)，主镜底座四角开有固定孔(214)。
2.根据权利要求1所述的一种基于红外激光光谱的氧气浓度原位检测装置，其特征在于现场检测�？�(2)的密封罩(215)内充入惰性气体。
专利摘要本实用新型公布了一种基于红外激光光谱的氧气原位检测装置，属气体检测。本实用新型包括主机箱、场检测�？楹推帘未涞缋拢渲兄骰渖习沧坝械缭纯亍⑹荽浣涌�、液晶显示屏、电源插座、风扇、第一电缆接口，主机箱内有数据采集处理和控制模块、直流稳压�？�、信号滤波与放大电路、温度控制�？椤⒌缌骺刂颇？�、锁相放大器、调制信号发生器；现场检测模块包括第二电缆接口、校准池槽、出气孔快插接口、进气孔快插接口、第一球面反射镜、第二球面反射镜、半导体激光器、石英窗片、钨钢支杆、副镜底座、副镜、主镜、主镜底座、密封罩、光电探测器。本实用新型检测灵敏。
文档编号G01N21/39GK201281689SQ200820160628
公开日2009年7月29日 申请日期2008年10月8日 优先权日2008年10月8日
发明者张玉钧, 张立强 申请人:南京顺泰科技有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
