本發明屬于大氣紅外檢測設備,具體涉及一種收發一體式開放光路大氣檢測系統。
背景技術:
大氣污染是我國當前面臨的重大問題之一,對環境空氣進行連續在線監測、掌握污染氣體排放、擴散及演變規律,實現精確溯源對于制定減排政策、評估減排方案、徹底解決大氣污染問題具有重要意義。利用待測氣體的“紅外指紋”吸收特征進行光譜定量分析,從而獲取待測氣體濃度在氣體在線檢測領域具有重要應用。基于紅外光譜技術的氣體濃度檢測分為抽取式檢測和開放光路式檢測兩種方法,抽取式檢測需將待測氣體抽入樣品池內,因此該方法只能進行點源檢測,在開放光路式檢測方法中紅外輻射信號直接穿過待測區域。相比于抽取式檢測方法,開放光路式檢測可實現大范圍的區域化檢測。而開放光路式的區域化檢測則對光學系統提出了更高的要求,需要簡單、高效的光學系統來保證紅外光譜檢測系統穩定性。現有開放光路檢測設備大部分為對射式開放光路,即紅外信號發射端與紅外信號接收端分別安裝在相互遠離的兩地,紅外信號沿直線路徑穿過大氣,這種借測設備的缺陷在于,分置于兩地的紅外信號發射端和紅外信號接收端均需要對各自的安裝角度進行精確調整,調試過程費時費力,另外,對射式光路的光程跨度較大,兩端設備相聚較遠,進一步增加了調試的難度。另外,現有技術中的檢測設備一旦調整到位,就只能對一條路徑上的大氣進行檢測,無法對待測區域內的其它方位進行檢測,檢測數據的可靠性難以保證。
技術實現要素:
本發明的目的是提供一種光程長、跨度小,且能夠對不同路徑上的大氣進行檢測的收發一體式開放光路大氣檢測系統。
為實現上述目的,本發明提供了以下技術方案:一種收發一體式開放光路大氣檢測系統,包括集成在同一機體內的紅外信號發射單元和紅外信號接收單元,以及遠離機體設置的反射單元,所述紅外信號發射單元發出的紅外光束投射在反射單元上,紅外光束經反射單元反射后原路返回至機體內,并入射到所述紅外信號接收單元;所述反射單元為至少兩個間隔分布在檢測空間區域內,所述紅外信號發射單元的紅外光束出射方向為可調式設置,使紅外光束能夠選擇性的投射到任意一個反射單元上。
所述機體上安裝有一卡氏望遠鏡,所述卡氏望遠鏡的尾端設有一通光孔,所述通光孔的外側設有第一分束片;所述紅外信號發射單元的出射光束穿透所述第一分束片后進入卡氏望遠鏡,出射光束經卡氏望遠鏡擴束后射出;出射光束經反射單元反射后原路返回進入卡氏望遠鏡,反射光束經卡氏望遠鏡聚焦后返回所述第一分束片,反射光束經第一分束片反射后被紅外信號接收單元接收。
所述機體上安裝有一卡氏望遠鏡,所述卡氏望遠鏡的尾端設有一通光孔,所述通光孔的外側設有第一分束片;所述紅外信號發射單元的出射光束經所述第一分束片反射后進入卡氏望遠鏡,出射光束經卡氏望遠鏡擴束后射出;出射光束經反射單元反射后原路返回進入卡氏望遠鏡,反射光束經卡氏望遠鏡聚焦后返回所述第一分束片,反射光束穿過第一分束片后被紅外信號接收單元接收。
所述機體安裝在二軸轉臺上,二周轉臺的其中一個轉軸豎直設置,另一個轉軸水平且與紅外信號發射單元的出射光束垂直;所述出射光束通過二周轉臺的運動來改變出射方向,實現出射光束在各反射單元之間的切換。
所述卡氏望遠鏡的前方還設有反射鏡,所述反射鏡的鏡面與卡氏望遠鏡的軸線既不垂直也不平行,且反射鏡沿卡氏望遠鏡的軸線轉動設置;所述紅外信號發射單元的出射光束經該反射鏡反射后射向反射單元;所述出射光束通過該反射鏡的轉動來改變出射方向,實現出射光束在各反射單元之間切換。
所述二軸轉臺的兩個轉軸均由伺服電機驅動,所述伺服電機的信號輸出端與控制系統相連,所述控制系統能夠控制二周轉臺在預設的兩個以上角度之間進行切換,每個預設角度分別對應一個反射單元。
所述二軸轉臺的兩個轉軸均由伺服電機驅動,所述伺服電機的信號輸出端與控制系統相連;所述機體內設有psd位置傳感器,所述入射紅外信號接收單元的入射光束經第二分束片分出一條分支光路投射在psd位置傳感器上,psd位置傳感器的信號輸出端與所述控制系統相連,當控制系統要控制光束在不同反射單元間進行切換時,首先驅動機體轉動,當psd位置傳感器接收到反射信號,且反射信號到達最大值時,控制系統控制機體停止轉動。
所述反射鏡安裝在一環形轉盤的中心孔內,所述環形轉盤由伺服電機驅動,所述伺服電機與控制系統連接,所述控制系統能夠控制環形轉盤在預設的兩個及以上角度之間進行切換,每個預設角度分別對應一個反射單元。
所述反射鏡安裝在一環形轉盤的中心孔內,所述環形轉盤由伺服電機驅動,所述伺服電機與控制系統連接;所述機體內設有psd位置傳感器,所述入射紅外信號接收單元的入射光束經第二分束片分出一條分支光路投射在psd位置傳感器上,psd位置傳感器的信號輸出端與所述控制系統相連,當控制系統要控制光束在不同反射單元間進行切換時,首先驅動反射鏡轉動,當psd位置傳感器接收到反射信號,且反射信號到達最大值時,控制系統控制反射鏡停止轉動。
所述反射鏡包括多個呈百葉窗式布置的反射面,沿卡氏望遠鏡的軸線方向看,相鄰兩反射面上相互靠近的兩條邊緣重合;所述反射單元是由多個三面式角反射鏡組成的角鏡陣列。
本發明的技術效果在于:本發明利用反射單元分反射使紅外光束的行程增加一倍,縮短了同樣行程下兩設備之間的距離,降低了設備調試的難度;另外本發明中的紅外光束能夠在幾個不同路徑上進行切換,以便對待測區域內不同方向上的大氣進行檢測,檢測數據更加可靠。
附圖說明
圖1是本發明的實施例1所提供的檢測系統的原理圖;
圖2是本發明的實施例2所提供的檢測系統的原理圖;
圖3是本發明的實施例3所提供的檢測系統的原理圖;
圖4是本發明的實施例4所提供的檢測系統的原理圖;
圖5是本發明的實施例5所提供的檢測系統的原理圖;
圖6是本發明的實施例6所提供的檢測系統的原理圖;
圖7是本發明的實施例所提供的機體的立體結構示意圖,該機體前端的反射鏡安裝結構適用于實施例4-6任意一項;
圖8是本發明的實施例所提供的反射單元的立體結構示意圖,該反射單元適用于實施例1-6任意一項;
圖9是本發明的實施例所提供的檢測系統在其中一個探測方向上的立體結構示意圖;
圖10是本發明的實施例所提供的檢測系統在另一個探測方向上的立體結構示意圖;
圖11、12是反射鏡采用整體結構和百葉窗結構兩種不同實施方式的效果對比圖;
圖13、14是反射單元采用單個大角鏡和小角鏡陣列兩種不同實施方式的效果對比圖,圖中l和l’分別為兩種實施方式下光束的偏移量。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明進行詳細的描述。
在本發明的描述中,需要說明的是,術語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系,僅是為了便于描述本發明和簡化描述,而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作,因此不能理解為對本發明的限制。此外,術語“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的,而不能理解為指示或暗示相對重要性。
實施例1
如圖1所示,紅外信號發射單元包括紅外光源11和橢球鏡17,所述紅外光源11發出的散射光經橢球鏡17反射后穿過第一分束片13進入卡氏望遠鏡14,卡氏望遠鏡14將散射光擴束為準直的平行光,平行光射向反射單元15,反射單元15由角鏡構成,平行光經反射單元15反射后按原路徑返回進入卡氏望遠鏡14,經卡氏望遠鏡14聚焦后投射在第一分束片13上,然后經第一分束片13反射后再由第一拋物面鏡16反射成平行光進入紅外信號接收單元12,所述紅外信號接收單元12為光譜儀。本實施例中利用機體10的整體轉動來改變光束的出射方向,并采用預設角度的方式控制機體10在不同反射單元15之間進行切換。
實施例2
如圖2所示,紅外信號發射單元包括紅外光源11、第二拋物面鏡19和干涉儀18,紅外光源11發出的散射光經第二拋物面鏡19反射成平行光,并進入干涉儀18生成干涉信號,干涉信號從干涉儀18射出并穿過所述第一分束片13進入卡氏望遠鏡14,干涉信號經卡氏望遠鏡14擴束后射向反射單元15,反射單元15同樣有角鏡構成,干涉信號經反射單元15反射后按原路徑返回進入卡氏望遠鏡14,經卡氏望遠鏡14聚焦后投射在第一分束片13上,然后經第一分束片13反射再由第一拋物面鏡16反射聚焦后投射在紅外信號接收單元12內,紅外信號接收單元12為紅外探測器。本實施例中利用機體10的整體轉動來改變光束的出射方向,并采用預設角度的方式控制機體10在不同反射單元15之間進行切換。
實施例3
如圖3所示,紅外信號發射單元包括紅外光源11,紅外光源11發出的散射光直接穿過第一分束片13進入卡氏望遠鏡14內,經卡氏望遠鏡14擴束為準直的平行光,平行光投射在反射單元15上,反射單元15為角鏡,平行光經反射單元15反射后原路返回進入卡氏望遠鏡14,經卡氏望遠鏡14聚焦后投射在第一分束片13上,然后經第一反射片反射后投射在第二分束片20上,第二分束片20分出的兩條光束一條進入紅外信號接收單元12,另一條進入psd位置傳感器21,紅外信號接收單元12為光譜儀。本實施例中利用機體10的整體轉動來改變光束的出射方向,并采用反饋控制方式控制機體10在不同反射單元15之間進行切換,具體為:當控制系統要控制光束在不同反射單元15間進行切換時,首先驅動機體10轉動,當psd位置傳感器21接收到反射信號,且反射信號到達最大值時,控制系統控制機體10停止轉動。
實施例4
如圖4所示,紅外信號發射單元包括紅外光源11和橢球鏡17,紅外光源11發出的紅外信號經橢球鏡17反射后穿過第一分束片13進入卡氏望遠鏡14內,經卡氏望遠鏡14擴束為平行光束,平行光束經反射鏡22反射后射向反射單元15,平行光束經反射單元15反射后原路返回,然后經過反射鏡22反射后進入卡氏望遠鏡14,在由卡氏望遠鏡14聚焦后投射在第一分束片13上,光束經第一分束片13反射后到達第二分束片20,第二分束片20將光束分為兩條,其中一條進入紅外信號接收單元12,另一條進入psd位置傳感器21,所述紅外信號接收單元12為光譜儀。本實施例采用反射鏡22的轉動來改變紅外信號的出射方向,并采用反饋控制方式控制機體10在不同反射單元15之間進行切換,具體為:當控制系統要控制光束在不同反射單元15間進行切換時,首先驅動反射鏡22轉動,當psd位置傳感器21接收到反射信號,且反射信號到達最大值時,控制系統控制反射鏡22停止轉動。
實施例5
如圖5所示,紅外信號發射單元包括紅外光源11和第二拋物面鏡19,紅外光源11發出的散射光經第二拋物面鏡19反射成平行光,平行光投射在第一分束片13上,經第一分束片13反射后進入卡氏望遠鏡14,平行光束經卡氏望遠鏡14擴束后投射在反射鏡22上,然后經反射鏡22反射后射向反射單元15,反射單元15為角鏡,光束經反射單元15反射后原路返回,經反射鏡22反射后進入卡氏望遠鏡14,光束經卡氏望遠鏡14聚焦后直接穿過第一分束片13進入干涉儀18,干涉儀18將紅外信號調制成干涉信號,干涉信號經第一拋物面鏡16反射后進入紅外信號接收單元12,紅外信號接受單元為紅外探測器。本實施例利用反射鏡22的轉動來改變光束的出射方向,并采用預設角度的方式控制機體10在不同反射單元15之間進行切換。
實施例6
如圖6所示,紅外信號發射單元包括紅外光源11,紅外光源11發出的散射光直接穿過第一分束片13進入卡氏望遠鏡14內,經卡氏望遠鏡14擴束為準直的平行光,平行光經反射鏡22反射后投射在反射單元15上,反射單元15為角鏡,平行光經反射單元15反射后原路返回,經反射鏡22反射進入卡氏望遠鏡14,經卡氏望遠鏡14聚焦后投射在第一分束片13上,然后經第一反射片反射后再由第一拋物面鏡16反射進入紅外信號接收單元12,紅外信號接收單元12為光譜儀。本實施例中利用反射鏡22的轉動來改變光束的出射方向,并采用預設角度的方式控制機體10在不同反射單元15之間進行切換。
作為本發明的進一步優選方案,如圖7、9、10所示,所述反射鏡22包括多個呈百葉窗式布置的反射面,沿卡氏望遠鏡14的軸線方向看,相鄰兩反射面上相互靠近的兩條邊緣重合,該反射鏡22適用于實施例4-6。從圖11、12的對比可以看出,在反射相同角度的情況下,采用百葉窗式的反射鏡22布置方式更加節省空間。
如圖8、9、10所示,所述反射單元15是由多個三面式角反射鏡151組成的角鏡陣列。該反射單元15適用于實施例1-6,從圖13、14的對比可以看出,采用陣列設置的小角鏡比采用單獨的大角鏡所產生的光束偏移量要小的多。
以上所述僅為本發明的較佳實施例而已,并不用以限制本發明,凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。