專利名稱：一種用于氣體濃度測量的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學傳感技術領域，涉及一種用于氣體濃度測量的裝置。
背景技術：
無論是大氣污染(如N0、 N02、 S02等)還是人體健康診斷(02， C02， CO等)，還是采礦安全(C0、 CH4等)都涉及到氣體含量及存在與否的測量問題，特別是現代工業(yè)化帶來的全球臭氧層破壞、溫室效應、光化學煙霧等嚴重后果，對國家發(fā)展和人類健康具有深遠的影響，環(huán)境領域的關鍵技術創(chuàng)新是《國家"十一五"科學技術發(fā)展規(guī)劃》所提出的戰(zhàn)略目標之一，基本控制環(huán)境污染，初步遏制生態(tài)惡化的趨勢是"十一五"期間國家對科技界的一個殷切希望。另外，通過分析巖石圈、水圈和大氣圈中的氣體樣品，發(fā)現異常氣體，還可以達到礦產勘察以及地球化學勘察的目的。如人們在金屬礦床上方發(fā)現0、 C02、 S02、 HS、 Rn和Hg蒸氣等氣體異常。另外，地震還會產生Hg蒸汽。
目前，氣體傳感的方法非常多，可大致分為物理和化學兩大類。物理的方法可以通過電流、電導、超聲、光折射率、光強度等物理量的變化來檢測氣體的成分及濃度；而化學的方法則是通過化學反應、電化學反映引起物理量的變化(如溫度變化)來檢測的。在眾多的測量方法中，激光光譜法具有最高的靈敏度，是目前研究的熱點。由于每一種氣體都有其特定的吸收波長，通過用不同波長的激光就可以精確地確定氣體的種類及濃度。
不論何種氣體的實驗研究或在線檢測，都需要給予被測氣體一定的測量空間，稱為氣室。 一般通用的氣室具有入氣口和出氣口，對于光學測量方法還應包括通光窗口。隨著應用場合的不同，氣室的形狀也大不相同。
如申請專利號為CN200810246800. 6的發(fā)明專利，涉及一種多次反射氣室，包括一個兩端通透的中空長方體光學池，兩通透端上分別固定連接一主反射鏡板和一 1/2反射鏡板，與光學池一體的另兩側板上分別開設有一進光口和一與其對應設置的出光口 ，光學池內的進光口和出光口處分別設置有一入射反射鏡和一輸出反射鏡，且入射反射鏡和輸出反射鏡分別與進光、出光方向
成45。角。
又如申請專利號為CN01808691. 8的發(fā)明專利，設計的是用于C02的氣室，包括光源及光束接納單元，氣室形狀是橢圓，光源及光束接納單元分別放置于橢圓的兩個焦點上。
氣體光譜檢測方法所用的氣室，主要特點在于必須有兩個通光窗口，雖然激光光譜法靈敏度高，但被測氣體的主要吸收峰一般在中紅外或遠紅外波段，其光源及探測器以及窗口透光材料都非常昂貴， 一般都采用氣體在近紅外或可見波段的泛頻進行檢測，但其吸收系數顯著降低，為了彌補其不足，氣室要求長度較長或具有多次反射的功能以增加光程，因此應用受到限制。
多次反射氣體池， 一般采用兩個具有楔角的反射平面，入射光經多次反射后經耦合入光束接納單元中，通過調節(jié)楔角大小調節(jié)光的反射次數。或者采用如專利CN200810246800. 6的方法。但多次反射氣室對于加工要求精度高，造價昂貴，并且總的光程不易控制。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術的不足，提出了一種用于氣體濃度測量的裝置。本發(fā)明包括氣室、激光器、探測器、廢氣處理器、信號處理器和流量計。所述的氣室為圓柱形全封閉結構的玻璃氣室，氣室的內側壁鍍有全反膜，
氣室的頂蓋設置有進氣口，進氣口與進氣管的一端密封連接，進氣管的另一
端與氣瓶密封連接，進氣管上設置有進氣閥門和流量計；氣室的底蓋設置有
出氣口，出氣口與出氣管的一端密封連接，出氣管的另一端與廢氣處理器密
封連接，出氣管上設置有出氣閥門和真空泵。
所述的激光器設置在底蓋下方，激光器安裝在旋轉臺上，激光器發(fā)出的
激光由氣室底蓋進入氣室，旋轉臺的信號輸入端與控制器的信號輸出端信號
連接；激光器與激光驅動器信號連接。
所述的探測器設置在頂蓋上方，探測器的光敏面位于激光光路上，探測
器的信號輸出端與信號處理器的信號輸入端信號連接。
所述的氣室的頂蓋和底蓋為平面玻璃，表面鍍有增透膜。
4本發(fā)明所具有的優(yōu)點是
(1) 由于工業(yè)及化學中一般都用圓柱形結構作為各種容器或試管，因此本發(fā)明可以直接采取這些容器，只需增加入出氣口，并進行相應的鍍膜即可，加工及結構簡單，成本低；
(2) 本發(fā)明只用一個光源和一個探測器，改變光源發(fā)射光束角度，探測器端即可得到不同光程的光信號，對兩個或數個不同光程的信號進行檢測和處理，即可達到光譜測量中比色的效果，大大增加信噪比和檢測靈敏度；
(3) 可以直接安裝鍍有全反膜的薄膜，而無需專門進行鍍膜，安裝及調試簡單；
(4) 利用多個輸出同時檢測的方法，完全可以將圓度帶來的誤差去除；
(5) 采用大光敏面的光探測器，對入射光線寬度要求不高。


圖l為本發(fā)明的結構示意2圓柱壁反射光束在底面的投影3光線從氣室底面入射示意圖
具體實施例方式
如圖1所示， 一種用于氣體濃度測量的裝置包括氣室6、激光器8、探測器16、廢氣處理器ll、信號處理器18和流量計3。
圓柱形全封閉結構的玻璃氣室6內部中空，形成氣室腔16，氣室6的內側壁鍍有一層全反膜，氣室的頂蓋開有進氣口 4，進氣口 4與進氣管1的一端密封連接，進氣管1的另一端與氣瓶5密封連接，進氣管1靠近進氣口 4的一側依次設置有進氣閥門2和流量計3;氣室的底蓋開有出氣口 15，出氣口15與出氣管13的一端密封連接，出氣管13的另一端與廢氣處理器11密封連接，出氣管13靠近出氣口 15的一側依次設置有出氣閥門14和真空泵12;
激光器8與底蓋所在的平面呈^角度設置，激光器8安裝在旋轉臺7上，激光器8在旋轉臺上可做180度旋轉，從而來改變^的大小，旋轉臺7的信號輸入端與控制器9的信號輸出端信號連接；激光器8與激光驅動器10信號連接；探測器17設置在頂蓋上方并與頂蓋的激光出射口對應設置，探測器17
的信號輸出端與信號處理器18的信號輸入端信號連接；
所述的氣室的頂蓋和底蓋為平面玻璃，頂蓋和底蓋表面鍍有增透膜。
本發(fā)明中用于氣體濃度測量分析時，所依據的原理是
如圖2所示，當入射光束在圓周上的第一個反射點的角度為A時，其后
續(xù)的反射點的角度分別為(7T+3A) 、 (2tt+5A)等等，因此第n個反射點
的極坐標角度位置的為
《""一l);r + (2/i-l)^ (1)
其中n為自然數。由公式(l)，光在圓內的反射規(guī)律直接取決于入射角^，當(7T —2 可以被2TC整除時，光在圓內的反射將形成一個正多邊形；當(7i —2 可以被2ti除盡，但不能被整除時，光在圓內的反射將形成一個正多角形；除過上面兩種情況外，光將在圓內無窮次反射，而不會有一點重合。如果入射光束有一定的寬度，則所有反射位置都是一個有一定尺度的光斑，如果忽略光斑的高度，則所有反射點都為同樣寬度的光斑，光斑之間有一定的間隔相分離。
利用公式(l)，可計算出相鄰點構成的圓內弦的方程為
/7COS
^i^-^Ufl (2)
其中，p為圓的半徑，汰和汰分別為弦的兩個端點的極坐標角度位置，a為弦離圓點的距離，因此第n個反射點與第n+l個反射點之間的弦的方程為
= (3)
/ cos
每一條弦都是等長的，其長度為:
rf = 2^//7 -"
因此第n個反射點在圓柱內所走的光程為:
《=</(" +1) = 2(" + lX/y02 -？ (5)
由公式(4)和(5)可知，在圓半徑確定的情況下，可以通過調節(jié)入射光的位置，即入射光在圓周上形成的弦離原點的距離來調節(jié)弦的長度，以及出射
點的光程。若被測氣體的吸收截面為a，濃度為C，若入射光強度為/。，當不考慮光第一次透射損耗、玻璃壁的吸收及折射等光損耗時，第n個反射點處的光強度為
<formula>formula see original document page 7</formula>
利用公式(6)，若測量得到第m個和第n個反射點(附<")處的光強二
和/ 則濃度C可以根據比色法算出
<formula>formula see original document page 7</formula>
由上面討論，由于2tu即360°的因子只有有限數目，它們是360、 180、 120、90、 72、 60、 45、 40、 36、 30、 24、 20、 18、 15、 12、 10、 9、 8、 6、 5、 4、3、 2、 1，而360、 180是沒有意義的，而被2:r除盡但不能整除的數也是有限的，所以，前兩者情況只能得到有限的光程，如果在某一整除角度上(如60。)稍微偏離一點(如偏離兀/100)，本來沒有偏差時，光在圓內反射是一個閉合的正三角形，當有偏差時，光將在這三個標準反射點上，每次反射都偏差一個同樣的角度(如tt/50)，這樣，在每個標準反射點周圍形成一系列的等角度差的反射點，每個反射點經過的光程差具有確定的關系，利用這個特點，可以測量多個點的輸出進行比較，可去除背景噪聲、光源波動等因素，提高信噪比和靈敏度。
如圖3所示，如果光在同一圓環(huán)內反射時，對第m反射點的測量必然會影響對第n個反射點的測量。在此我們將采用螺旋光束的方法，為了方便起見，假設入射光線SP通過氣室底面圓形通光窗口內一個弦P'P"的中點S，光線與窗口的夾角為p，則光在圓柱的每一個反射點都比上一個反射點的在軸方向的位置有所增加，則光在圓柱形氣室壁的第一個反射點P離底的距離P尸'為z!，
q = 5i^tan伊=^// 2—" tan伊
因此光在圓柱形氣室壁的第n個反射點距底的距離為
在到達第一個反射點前，光已經在氣室中走了 ^的距離，即線段SP,
(10)
rf。 = 一/ 一" /cos伊
則光到達第n個反射點時在氣室內走的距離為:
《=rf。十("一l)rf/cos伊
(11)
(12)
設圓柱形氣室高為h，則光在圓柱內的反射次數為
左=/AT[(A — </0 )/</ tan p]
=皿"_ rf。 )/[2V,-"n伊](
其中，INT表示對數取整，若圓柱內鍍全反射模(即圓柱壁的吸收損耗忽
略不計)，則在圓柱頂面探測器所接收到的光強為
(13)
r, = ,2厶exp(- oC[《+ (A - )/sin p]) =f 2i"0 exp(- oC/e/sin伊)
(14)
其中，t為光在圓柱底面和頂面的透射率，k為通過公式(13)計算得到的 反射次數。改變光與圓柱底面的入射角度，則在圓柱頂面可以探測到兩個光 強度值，設兩個角度值分別為cpi和q)2，則由公式(13)可以得到光在圓柱壁的兩 個反射次數&和&，因此可以得到圓柱頂面探測器探測到的兩個光強值L和
入2，則氣體濃度可由下式計算出
oZr(l/sin伊i —l/sin^2)
(1權利要求
1、一種用于氣體濃度測量的裝置，包括氣室、激光器、探測器、廢氣處理器、信號處理器和流量計，其特征在于所述的氣室為圓柱形全封閉結構的玻璃氣室，氣室的內側壁鍍有全反膜，氣室的頂蓋設置有進氣口，進氣口與進氣管的一端密封連接，進氣管的另一端與氣瓶密封連接，進氣管上設置有進氣閥門和流量計；氣室的底蓋設置有出氣口，出氣口與出氣管的一端密封連接，出氣管的另一端與廢氣處理器密封連接，出氣管上設置有出氣閥門和真空泵；所述的激光器設置在底蓋下方，激光器安裝在旋轉臺上，激光器發(fā)出的激光由氣室底蓋進入氣室，旋轉臺的信號輸入端與控制器的信號輸出端信號連接；激光器與激光驅動器信號連接；所述的探測器設置在頂蓋上方，探測器的光敏面位于激光光路上，探測器的信號輸出端與信號處理器的信號輸入端信號連接；所述的氣室的頂蓋和底蓋為平面玻璃，表面鍍有增透膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于氣體濃度測量的裝置?，F有的氣室長度較長或加工要求精度高、造價昂貴、光程不易控制。本發(fā)明包括氣室、激光器、探測器、廢氣處理器、信號處理器和流量計。圓柱形玻璃氣室內側壁鍍有一層全反膜，氣室的頂蓋開有進氣口，進氣口與進氣管的密封連接，進氣管依次設置有進氣閥門和流量計；氣室的底蓋開有出氣口，出氣口與出氣管密封連接，出氣管依次設置有出氣閥門和真空泵，探測器設置在頂蓋上方并與頂蓋的激光出射口對應設置，探測器的信號輸出端與信號處理器的信號輸入端信號連接。本發(fā)明裝置加工簡單、成本低，信噪比和檢測靈敏度高。
文檔編號G01N21/01GK101625306SQ20091010108
公開日2010年1月13日 申請日期2009年8月3日 優(yōu)先權日2009年8月3日
發(fā)明者瑞小川, 閻春生 申請人:浙江大學