[发明专利]基于光学分光系统的TDLAS气体测温检测装置

摘要

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种基于光学分光系统的TDLAS气体测温检测装置。该方案采用高能半导体可协调激光器作为工作光源，激光器在特定波动可变频探测，探测范围精确较宽，经光纤准直器射出平行光光后，穿过燃烧场光束经透镜聚集，利用光学光栅分光系统进行精确的分光，该方案将分出的激光束经透镜折射聚焦，更能提高光信号的聚焦能量，然后检测待测燃烧火焰场气体的温度。其中，光栅分光后波长单一性较好，像斑焦点能量较强，经分光后二次聚焦后光信号能量无损失，对测量结果精确度高，散失能量较小，系统搭建简易，操作简便。适用于工业生产检测。

主权项

一种基于光学分光系统的TDLAS气体测温检测装置，其特征在于，所述装置以燃烧气体场为中心划分为两部分；位于燃烧气体场一侧的为光源发射端，位于燃烧气体场另一侧的为光源接收端；所述光源发射端包括：电源、第一激光器(2a)、第二激光器(2b)、激光信号发生器(3)、激光信号调试器(4)、单模光纤(13)、光纤合束器(5)、光纤准直器(6)；其中，所述第一激光器(2a)自带有第一激光驱动器，所述第二激光器(2b)自带有第二激光驱动器；所述光源接收端包括：第一平凸透镜(8)、光纤光栅(9)、第二平凹透镜(10a)、第三平凹透镜(10b)、第一光电探测器、第二光电探测器、第一光电转换器(11a)、第二光电转换器(11b)；所述第一激光器(2a)、第二激光器(2b)、激光信号发生器(3)、激光信号调试器(4)的电源线接口相互连接并统一连接至电源的供电接口电源线(2)；所述电源用于为所述第一激光器(2a)、第二激光器(2b)、激光信号发生器(3)、激光信号调试器(4)提供工作电源电压；所述激光信号发生器(3)分别连接第一激光驱动器、第二激光驱动器以及激光信号调试器(4)；所述激光信号发生器(3)用于根据激光器固有的波长、频率属性参数，匹配设定相对检测气体的激光频率基准值，生成初始激光信号发生指令，至第一激光驱动器及第二激光驱动器来驱动第一激光器(2a)及第二激光器(2b)生成初始激光束；所述激光信号调试器(4)用于对基准值附近的激光频率及待测气体需重点采集的激光波长范围进行加载锯齿波信号的调试，使得调试后的激光束发出的光信号与调试时一致；然后生成修正信号至激光信号发生器(3)；所述激光信号发生器(3)根据修正信号生成修正后激光信号发生指令，至第一激光驱动器及第二激光驱动器来驱动第一激光器(2a)及第二激光器(2b)生成频率、波长修正后的激光束；所述单模光纤(13)分别连接第一激光器(2a)输出端口、第二激光器(2b)输出端口以及光纤合束器(5)输入端口；所述单模光纤(13)用于将所述第一激光器(2a)及第二激光器(2b)输出的激光传输至光纤合束器(5)；所述光纤合束器(5)输入端口分别连接第一激光器(2a)及第二激光器(2b)各自传输的单模光纤(13)；所述光纤合束器(5)用于将两路单模光纤(13)传输来的激光经前端合束并在后端结合成一束两种波长模式的激光束；所述光纤准直器(6)连接在光纤合束器(5)后端，经光纤合束器(5)合束后的两束光纤合成一束激光后，连接进入光纤准直器(6)前端，发出微小形变的激光束在光纤准直器(6)中经准直透镜的折射校正，在光纤准直器(6)后端发出平行激光束；所述第一平凸透镜(8)位于燃烧气体场中相对于光源发射端的另一侧，位于光源接收端的前端，且处于所述光纤准直器(6)的出射路径上，第一平凸透镜(8)中心位置与光纤准直器(6)中心位置共轴；经光纤准直器(6)发出的激光束在经过燃烧气体场后进入第一平凸透镜(8)中，激光束与第一平凸透镜(8)共轴且轴对称；准直平行后的激光束在通过燃烧气体场后光束会微小偏折，经第一平凸透镜(8)折射聚光后使激光束重新汇聚，以保证光束以高能量的光信息进入光纤光栅(9)表面；所述光纤光栅(9)位于第一平凸透镜(8)后端，且光纤光栅(9)表面处于第一平凸透镜(8)的焦距位置处，与光轴成一定转向角度，所述光纤光栅(9)用于分开合束后的两束各自波长的激光束，其偏转角度与光束分开的角度值相匹配；经过第一平凸透镜(8)的合束激光在第一平凸透镜(8)光轴焦点聚焦，并透射至光纤光栅(9)表面，经过光纤光栅(9)表面刻划线的衍射将合束后的激光束按照各自不同波长频率分开，分开的两路激光光束用于再各自独立进行检测；所述第二平凹透镜(10a)、第三平凹透镜(10b)位于光纤光栅(9)分光一侧，所述第二平凹透镜(10a)、第三平凹透镜(10b)各自设置于分开激光光束的光轴处，其位置与各自光轴中心对称；所述第二平凹透镜(10a)、第三平凹透镜(10b)分别放置在光纤光栅(9)分出的各束不同波长的激光束光轴中心上，与各自对应波长的激光束的光轴空间对准连接，且各自中心对称；经光纤光栅(9)分开的不同波长的激光束在经过各自的第二平凹透镜(10a)或第三平凹透镜(10b)进行二次聚焦，使得分开的光束各自聚焦，该过程中光信息能量保持小衰减，以使得后端的光电探测器接收尽可能大的光信号；所述第一光电探测器连接第二平凹透镜(10a)并处于其焦距处，同时第一光电探测器还连接第一光电转换器(11a)；第二光电探测器连接第三平凹透镜(10b)并处于其焦距处，同时第二光电探测器还连接第二光电转换器(11b)；所述第一光电探测器及第二光电探测器像敏元处于各自不同波长频率的激光束的各自聚焦的光轴上；各自不同波长频率的两路激光束聚焦到的光点进入到第一光电探测器及第二光电探测器的入光敏元孔中，经过第一光电探测器、第二光电探测器及其后端的第一光电转换器(11a)、第二光电转换器(11b)各自进行光电变换，把光信号转变为电信号输出，在后端计算机中进行数据采集处理计算出气体实时温度数据。