一種激光溫濕度測量裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種激光溫濕度測量裝置及方法：包括發射腔室、反射鏡座，所述發射腔室與反射鏡座之間連通一吸收氣室，其中：發射腔室內設置一電路板、可調諧二極管激光器、光電傳感器，所述可調諧二極管激光器和光電傳感器分別與所述電路板連接；所述可調諧二極管激光器位于一個垂直于凹面反射鏡主光軸的圓環面上，該圓環面的圓心位于凹面反射鏡的主光軸上，圓心到凹面反射鏡鏡面中心的距離在一定區間內可調。所述吸收氣室由若干連接柱圍成，所述連接柱兩端分別與發射腔室、反射鏡座固定連接。本發明的可調諧激光溫濕度測量裝置及方法，可以避免傳統的化學式溫濕度傳感器存在的問題，且不需使用發射透鏡、接收透鏡和光闌，裝置結構裝配簡單，測量方法方便有效。
【專利說明】
一種激光溫濕度測量裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種溫濕度測量裝置技術領域，具體地說，涉及一種激光溫濕度測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]濕度就是空氣中水汽的含量，是影響空氣環境品質的重要因素，空氣中相對濕度的大小會對環境中的人員以及物質產生相當大的影響。濕度與人們的生活息息相關，濕度過高或過低都會對人體產生影響，同時，濕度在生產中也起到了至關重要的作用，看似很小的濕度變化，也會對工業材料、工藝流程產生影響，帶來許多質量問題。
[0003]因此，濕度檢測在人類生產生活各方面都發揮著越來越重要的作用。目前，濕度測量和控制已經廣泛應用于航空航天、微電子、原子能、石油化工、電力、氣象等各相關行業，人們對濕度也越來越重視，世界各國都在不斷更新改造其濕度標準，濕度測量也已成為國際標準化組織和國際有關技術委員會關注的焦點。
[0004]現有化學式濕度測量裝置存在響應時間長、高濕度環境下退濕緩慢等問題，尤其是長期暴露在高濕度的環境下，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩定性。利用可調諧激光光譜吸收技術測量濕度是一種精度較高的測量方法，具有靈敏度高、選擇性好、響應速度快等優點。
[0005]目前，可調諧激光光譜吸收測量裝置主要是由激光發射裝置、吸收氣室、激光接收裝置和信號處理電路組成。激光發射裝置一般包含一個激光器和一個發射透鏡，激光接收裝置一般包含一個接收透鏡、一個光闌和一個光電傳感器。把激光器發光區域近似當作點光源，置于透鏡的焦點位置，通過透鏡后以一束平行光出射，經被測氣體被部分吸收后由另一透鏡聚焦并被激光接收裝置接收。
[0006]為了使光信號從發射端到接收端有效傳輸，需做到以下幾個方面:1、發射透鏡和接收透鏡的主光軸同軸或在允許誤差范圍內；2、發射端的激光器放置在發射透鏡的焦點位置或允許誤差范圍內；3、光電傳感器放置在接收透鏡的焦點位置或允許誤差范圍內。由于機械加工偏差和裝配誤差等原因，會導致激光器和光電傳感器不在發射透鏡和接收透鏡的焦點上，由于目前的裝置需要使用兩個會聚透鏡和一個光闌，使得光路結構復雜，且激光發射裝置和激光接收裝置分別裝在氣室的兩側，連線較多，整個系統裝配復雜。
【發明內容】
[0007]本發明為了解決現有化學式濕度傳感器存在響應時間長、高濕度環境下退濕緩慢等問題，提出了一種可調諧激光溫濕度測量裝置，可以解決上述問題。
[0008]為了解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案予以實現:
一種激光溫濕度測量裝置，包括發射腔室、反射鏡座，所述發射腔室與反射鏡座之間連通一吸收氣室，其中:
發射腔室內設置一電路板、可調諧二極管激光器、光電傳感器，所述可調諧二極管激光器和光電傳感器分別與所述電路板連接；
所述可調諧二極管激光器發射方向上設置一楔角窗口片，所述楔角窗口片相對于可調諧二極管激光器發射光方向傾斜設置，使發射光與所述楔角窗口片的入射角為銳角，且經所述楔角窗口片反射光線的方向背離所述光電傳感器；所述發射腔室由其外殼與楔角窗口片密封。
[0009]反射鏡座內設置球形凹面反射鏡，用于將可調諧二極管激光器發出的經氣室內氣體吸收后的激光反射至光電傳感器；
所述吸收氣室由若干連接柱圍成，所述連接柱兩端分別與發射腔室、反射鏡座固定連接。
[0010]進一步地，所述可調諧二極管激光器位于一個垂直于凹面反射鏡主光軸的圓環面上，該圓環面的圓心位于凹面反射鏡的主光軸上，圓心到凹面反射鏡鏡面中心的距離在一定區間內可調。所述可調諧二極管激光器發出的光指向凹面反射鏡的鏡面中心。所述光電傳感器位于所述可調諧二極管激光器發射光經所述凹面反射鏡反射后的反射光路上，反射光在到達所述楔角窗口片之前一定距離處會聚，之后反射光發散穿過楔角窗口片并照射到光電傳感器的感光面上。
[0011 ] 進一步地，電路板包括激光器驅動電路、相電連接的帶通濾波電路、前置放大電路、鎖相放大電路和低通濾波電路以及A/D轉換單元和信號處理單元，所述低通濾波電路的信號輸出端與A/D轉換單元連接，所述鎖相放大器的另外一輸入端通過移相倍頻電路接收高頻調制信號；所述電路板連接數據處理系統。
[0012]作為優選方案，所述楔角窗口片表面鍍有允許指定頻段光線通過的帶通膜。
[0013]作為進一步優選方案，所述發射腔室內設置發射接收座，所述發射接收座將可調諧二極管激光器和光電傳感器固定。
[0014]作為進一步優選方案，發射腔室的外殼上設置溫度傳感器，用于測量環境溫度進行溫濕度傳感器溫度修正和相對濕度的計算。
[0015]一種采用激光溫濕度測量裝置的溫濕度測量方法，按以下步驟進行:
步驟一、根據水分子的吸收光譜，利用激光驅動器的溫度調諧和電流調諧特性，驅動激光器發射激光信號，使激光頻率在選定水分子某一特定吸收峰附近掃描；
步驟二、入射激光入射楔角窗口片，小部分入射光被反射偏離原先入射激光方向，大部分入射激光透過楔角窗口片進入氣室，經氣室內的水分子吸收后得到透射激光；
步驟三、透射激光照射到球形凹面反射鏡，球形凹面反射鏡將激光反射，反射光在吸收氣室內產生光譜吸收，激光會聚至光電傳感器，透射激光經光電傳感器進行光/電轉換后，獲得透射激光電壓信號；
步驟四、通過帶通濾波、前置放大、鎖相放大、低通濾波電路提取透射激光電壓信號的一次諧波幅值信號和二次諧波幅值信號；
步驟五、利用數據處理系統找到二次諧波的波峰值及其數據存儲位置，并在對應的譜線位置處找到一次諧波信號中心值，以二次諧波峰峰值和一次諧波中心值之比作為系統輸出，經數據處理反演出氣體濕度；
步驟六、溫度傳感器測量環境溫度，并傳輸至數據處理系統，數據處理系統根據溫度值對溫濕度傳感器進行溫度修正并計算相對濕度。
[0016]本發明所提供的一種激光溫濕度測量裝置及方法，具有以下優點:
第一:采用可調諧激光光譜吸收技術測量環境濕度，可以避免傳統的化學式溫濕度傳感器存在的問題，而且通過將可調諧二極管激光器和光電傳感器固設于一個腔室內，可有效減少連線數量，且不需使用發射透鏡、接收透鏡和光闌，裝置結構簡單，裝配方便；
第二:在發射端，設置楔角窗口片，通過設置可調諧二極管激光器發射光與所述楔角窗口片的入射角為銳角或鈍角，使得楔角窗口片的反射光偏離原先可調諧二極管激光器發射光的方向，可以消除反射光對激光器的影響，激光在光源和楔角窗口片之間不會產生多次反射，可以消除發射端標準具噪聲的影響；在接收端，通過設置所述楔角窗口片與所述光電傳感器呈一定角度，使得激光經球形凹面反射鏡反射后，穿過楔角窗口片，激光在所述光電傳感器和所述楔角窗口片之間不會產生多次反射，可以消除接收端標準具噪聲的影響；第三:所述楔角窗口片表面鍍有允許指定頻段光線通過的帶通膜，可以減少環境光對裝置的影響；
第四:發射腔室內設置用于將可調諧二極管激光器和光電傳感器固定的發射接收座，反射鏡座內設置用于將球形凹面反射鏡固設的鏡座，使整個裝置結構緊湊、便于運輸，且穩定性好。
[0017]
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明所提出的可調諧激光溫濕度測量裝置的一種實施例結構示意圖；
圖2是圖1的光路圖；
圖3是本發明所提出的可調諧激光溫濕度測量裝置的一種實施例外部結構示意圖；
圖4是實施例二中的檢測電路原理方框圖。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合本發明實施例及附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0020]實施例一，本實施例提出了一種可調諧激光溫濕度測量裝置，如圖1所示，包括可調諧二極管激光器10、光電傳感器5、球形凹面反射鏡7、吸收氣室6，所述可調諧二極管激光器10和光電傳感器5固設于所述吸收氣室6的同一側，所述球形凹面反射鏡7固設于所述吸收氣室6的另外一側，如圖2所示，所述可調諧二極管激光器10位于一個垂直于凹面反射鏡7主光軸的圓環面上，該圓環面的圓心位于凹面反射鏡7的主光軸上，圓心到凹面反射鏡7鏡面中心的距離在一定區間內可調。所述可調諧二極管激光器10發出的光指向凹面反射鏡7的鏡面中心。所述光電傳感器5位于所述可調諧二極管激光器10發射光經所述凹面反射鏡7反射后的反射光路上，反射光在到達所述楔角窗口片9之前一定距離處會聚，之后反射光發散穿過楔角窗口片9并照射到光電傳感器5的感光面上。當一束激光通過被測氣體時，如果激光發射光譜與氣體吸收譜相重疊，輸出光強會因被氣體吸收而減弱，輸出光強與輸入光強之間滿足比爾-朗伯定律。本實施例的可調諧激光溫濕度測量裝置即是采用上述原理，可調諧二極管激光器10發射激光通過吸收氣室6照射到球形凹面反射鏡7，球形凹面反射鏡7將激光反射至光電傳感器5，通過檢測吸收氣室反射光強的變化來檢測濕度。利用激光器的溫度調諧和電流調諧特性，使激光頻率在待測氣體某一吸收峰附近掃描，同時對激光頻率進行高頻調制，根據頻率調制的諧波信號幅值與氣體濃度的關系進行檢測。本實施例的可調諧激光溫濕度測量裝置，采用可調諧激光光譜吸收技術測量環境濕度，可以避免傳統的化學式溫濕度傳感器存在的問題，而且通過將可調諧二極管激光器10和光電傳感器5固設于所述吸收氣室的同一側，可有效減少連線數量，且不需使用發射透鏡、接收透鏡和光闌，裝置結構裝配簡單。
[0021]如圖2所示，優選將光電傳感器5置于所述可調諧二極管激光器10的發射光經所述凹面反射鏡7反射后的反射光路上，反射光通過會聚點后，照射到光電傳感器5的感光面上，有利于光電傳感器5接收反射光。
[0022]為了便于安裝和使用，所述可調諧激光溫濕度測量裝置還包括用于固定所述可調諧二極管激光器10和光電傳感器5的發射接收座3。
[0023]作為一個優選的實施例，如圖1所示，所述可調諧二極管激光器10和光電傳感器5的前方設置有楔角窗口片9，如圖2所示，所述可調諧二極管激光器10發射光與所述楔角窗口片9的入射角為銳角，且經所述楔角窗口片9反射光線的方向背離所述光電傳感器5。在發射端，通過設置可調諧二極管激光器10發射光與所述楔角窗口片9的入射角不等于90°，使得楔角窗口片9的反射光偏離原先可調諧二極管激光器10發射光的方向，可以消除反射光對激光器的影響，激光在光源和楔角窗口片之間不會產生多次反射，可以消除發射端標準具噪聲的影響。在接收端，通過設置所述楔角窗口片9與所述光電傳感器5呈一定角度，使得激光經球形凹面反射鏡7反射后，穿過楔角窗口片9，激光在所述光電傳感器5和所述楔角窗口片9之間不會產生多次反射，可以消除接收端標準具噪聲的影響。此外，楔角窗口片9將發射接收座3和楔角窗口片9間的腔體密封，起到防水、防塵的作用，保護激光器10和光電傳感器5，發射接收座3和楔角窗口片9間的腔體充入惰性氣體，消除背景吸收氣體的干擾。
[0024]在本實施例中，所述楔角窗口片9表面鍍有允許部分頻段光線通過的帶通膜，可以減少環境光對裝置的影響。
[0025]本實施例的可調諧激光溫濕度測量裝置還包括外殼2，所述發射接收座3固定在所述外殼2內，所述外殼2內還固設有電路板1，所述楔角窗口片9固設在所述外殼2的一側邊，用于將發射接收座3和楔角窗口片9之間的腔體密封，相應的，可以將設置于腔體內的可調諧二極管激光器10、光電傳感器5與外界空氣隔離，防止受到高濕氣體腐蝕。
[0026]該裝置中還設置一個溫度傳感器4，溫度探頭設置在裝置外殼上，用于測量環境溫度，進行溫濕度傳感器溫度模型修正和相對濕度的計算。
[0027]進一步的，為了方便本可調諧激光溫濕度測量裝置的安裝和調試，如圖4所示，所述球形凹面反射鏡7固設在球形凹面反射鏡座8上，所述球形凹面反射鏡座8與所述外殼2通過若干個連接柱11連接，所述若干個連接柱之間圍成吸收氣室，因此，吸收氣室6是開放的，在測量時，只需將可調諧激光溫濕度測量裝置整體置于待測氣體中即可。
[0028]實施例二、采用本激光溫濕度測量裝置進行溫濕度測量的步驟:
步驟一、根據水分子的吸收光譜，利用激光驅動器的溫度調諧和電流調諧特性，驅動激光器發射激光信號，使激光頻率在選定水分子吸收峰附近掃描；步驟二、入射激光入射楔角窗口片，小部分入射光被反射偏離原先入射激光方向，大部分入射激光透過楔角窗口片進入氣室，經氣室內的水分子吸收后得到透射激光；步驟三、透射激光照射到球形凹面反射鏡，球形凹面反射鏡將激光反射會聚至光電傳感器，透射激光經光電傳感器進行光/電轉換后，獲得透射激光電壓信號；步驟四、通過帶通濾波、前置放大、鎖相放大、低通濾波電路提取透射激光的一次諧波和二次諧波的幅值信號；其中，一次諧波信號是利用高頻調制信號進行相移后作為鎖相放大器的參考信號，經鎖相放大、低通濾波得到一次諧波信號；二次諧波信號是利用高頻調制信號的二倍頻信號進行相移后作為鎖相放大器的參考信號，經鎖相放大、低通濾波得到二次諧波信號；具體的流程圖見圖4。步驟五、利用數據處理系統找到二次諧波的波峰值及其數據存儲位置，并在對應的譜線位置處找到一次諧波信號中心值，以二次諧波峰峰值和一次諧波中心值之比作為系統輸出，經數據處理反演出環境濕度；二次諧波峰峰值與氣體濃度成正比，一次諧波中心值與氣體濃度無關，但與激光器光功率等有關，以二者比值測量氣體濃度，可以消除激光器光功率變化、粉塵、視窗污染等因素引起的透光率變化對水汽濃度測量產生的影響；步驟六、溫度傳感器測量環境溫度，并傳輸至數據處理系統，數據處理系統根據溫度值對濕度進行修正并計算相對濕度。
[0029]當然，上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不僅限于上述舉例，本技術領域的普通技術人員在本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、添加或替換，也應屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種激光溫濕度測量裝置，其特征在于:包括發射腔室、反射鏡座，所述發射腔室與反射鏡座之間連通一吸收氣室，其中: 發射腔室內設置一電路板、可調諧二極管激光器、光電傳感器，所述可調諧二極管激光器和光電傳感器分別與所述電路板連接； 所述可調諧二極管激光器發射方向上設置一楔角窗口片，所述楔角窗口片相對于可調諧二極管激光器發射光方向傾斜設置，使發射光與所述楔角窗口片的入射角為銳角，且經所述楔角窗口片反射光線的方向背離所述光電傳感器；所述發射腔室由其外殼與楔角窗口片密封； 反射鏡座內設置球形凹面反射鏡，用于將可調諧二極管激光器發出的經氣室內氣體吸收后的激光反射至光電傳感器； 所述吸收氣室由若干連接柱圍成，所述連接柱兩端分別與發射腔室、反射鏡座固定連接。2.根據權利要求1所述的一種激光溫濕度測量裝置，其特征在于:所述可調諧二極管激光器位于一個垂直于凹面反射鏡主光軸的圓環面上，該圓環面的圓心位于凹面反射鏡的主光軸上，圓心到凹面反射鏡鏡面中心的距離在一定區間內可調；所述可調諧二極管激光器發出的光指向凹面反射鏡的鏡面中心；所述光電傳感器位于所述可調諧二極管激光器發射光經所述凹面反射鏡反射后的反射光路上，反射光在到達所述楔角窗口片之前一定距離處會聚，之后反射光發散穿過楔角窗口片并照射到光電傳感器的感光面上。3.根據權利要求1所述的一種激光溫濕度測量裝置，其特征在于:電路板包括激光器驅動電路、相電連接的帶通濾波電路、前置放大電路、鎖相放大電路和低通濾波電路以及A/D轉換單元和信號處理單元，所述低通濾波電路的信號輸出端與A/D轉換單元連接，所述鎖相放大器的另外一輸入端通過移相倍頻電路接收高頻調制信號；所述電路板連接數據處理系統。4.根據權利要求1所述的可調諧激光溫濕度測量裝置，其特征在于:所述楔角窗口片表面鍍有允許指定頻段光線通過的帶通膜。5.根據權利要求1所述的可調諧激光溫濕度測量裝置，其特征在于:所述發射腔室內設置發射接收座，所述發射接收座將可調諧二極管激光器和光電傳感器固定。6.根據權利要求1所述的可調諧激光溫濕度測量裝置，其特征在于:發射腔室的外殼上設置溫度傳感器，用于測量環境溫度對溫濕度傳感器進行溫度修正和相對濕度的計算。7.一種采用權利要求1的激光溫濕度測量裝置的溫濕度測量方法，其特征在于:按以下步驟進行: 步驟一、根據水分子的吸收光譜，利用激光驅動器的溫度調諧和電流調諧特性，驅動激光器發射激光信號，使激光頻率在選定水分子吸收峰附近掃描； 步驟二、入射激光入射楔角窗口片，小部分入射光被反射偏離原先入射激光方向，大部分入射激光透過楔角窗口片進入氣室，經氣室內的水分子光譜吸收后得到透射激光； 步驟三、透射激光照射到球形凹面反射鏡，球形凹面反射鏡將激光反射，反射光在吸收氣室內產生光譜吸收，激光會聚至光電傳感器，透射激光經光電傳感器進行光/電轉換后，獲得透射激光電壓信號； 步驟四、通過帶通濾波、前置放大、鎖相放大、低通濾波電路提取透射激光電壓信號的一次諧波幅值信號和二次諧波幅值信號； 步驟五、利用數據處理系統找到二次諧波的波峰值及其數據存儲位置，并在對應的譜線位置處找到一次諧波信號中心值，以二次諧波峰峰值和一次諧波中心值之比作為系統輸出，經數據處理反演出環境絕對濕度； 步驟六、溫度傳感器測量環境溫度，并傳輸至數據處理系統，數據處理系統根據溫度值對溫濕度傳感器進行溫度修正并計算相對濕度。8.根據權利要求7所述的激光溫濕度測量裝置的溫濕度測量方法，其特征在于:步驟四中，利用高頻調制信號進行相移后作為鎖相放大器的參考信號，經鎖相放大、低通濾波得到一次諧波幅值信號；利用高頻調制信號的二倍頻信號進行相移后作為鎖相放大器的參考信號，經鎖相放大、低通濾波得到二次諧波幅值信號。
【文檔編號】G01N21/31GK106033054SQ201510118233
【公開日】2016年10月19日
【申請日】2015年3月18日
【發明人】張可可, 鄭學勇, 劉世萱, 陳世哲, 齊勇, 趙強, 孫金偉, 李選群, 苗斌
【申請人】山東省科學院海洋儀器儀表研究所