技术领域
[0001] 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气体测温检测方法。
背景技术
[0002] 随着科学的发展，科技
水平的进步，社会生产过程中对产品检测技术不断提高，由原来的机械性质的检测手段逐步推进到光电技术的检测手段，其中气体检测为当下最为前瞻性、具有市场价值的检测手段，对气体燃烧中的
温度及含量进行实时监控测量，主要应用于工业小型化生产、工程化设备的温度检测，如
钢铁厂、焚烧厂、
锅炉厂等。原有的机械测量温度设备指标较低，精确度低，测量范围小，已不能满足工业化的高温作业要求。而对于光电检测技术，其激光检测
精度高，误差小，系统搭建简易，操作简便，基本能够满足工业生产检测需求，而针对TDLAS气体测温检测的方案，目前仍未出现比较成熟的技术方案。
发明内容
[0003] (一)要解决的技术问题
[0004] 本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于光学分光系统的TDLAS气体测温检测技术方案。
[0005] (二)技术方案
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光学分光系统的TDLAS气体测温检测方法，其基于气体测温检测装置，所述气体测温检测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；
[0007] 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；
[0008] 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
准直器6连接在光纤合束器5后端；
[0009] 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；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；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，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；
[0010] 具体而言，所述气体测温检测方法包括如下步骤：
[0011] 步骤S1：电源供电后，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开启；
[0012] 步骤S2：激光信号发生器3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；
[0013] 步骤S3：激光信号调试器4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；此时第一激光器2a及第二激光器2b开始发出所需要波长的激光；
[0014] 步骤S4：单模光纤13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；
[0015] 步骤S5：光纤合束器5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；
[0016] 步骤S6：光纤准直器6通过
准直透镜将发出微小形变的激光束进行折射校正，在光纤准直器6后端发出平行激光束；
[0017] 步骤S7：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，准直平行后的激光束在通过燃烧气体场后光束出现微小偏折，经第一平凸透镜8折射聚光后使激光束重新汇聚；
[0018] 步骤S8：光纤光栅9分开合束后的两束各自波长的激光束；
[0019] 步骤S9：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；
[0020] 步骤S10：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。
[0021] (三)有益效果
[0022] 本发明技术方案提供一种基于光学分光系统的TDLAS气体测温检测技术方案，其采用高能
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。
附图说明
[0023] 图1为本发明技术方案的结构示意图。图中，
[0024] 1：电源线；2a：第一激光器(带激光驱动器)；
[0025] 2b：第二激光器(带激光驱动器)；3：激光信号发生器；
[0026] 4：激光信号调试器；5：激光合束器；6：光纤准直器；
[0027] 7：燃烧场气体；8：第一平凸透镜；9：光纤光栅；
[0028] 10a：第一平凸透镜；10b：第二平凸透镜；
[0029] 11a：第一光电转换器；11b：第二光电转换器；
[0030] 12：光电变换器信号转换线；13：单模光纤。
具体实施方式
[0031] 为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和
实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
[0032] 为解决
现有技术的问题，本发明提供一种基于光学分光系统的TDLAS气体测温检测装置，如图1所示，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；
[0033] 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；
[0034] 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；
[0035] 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；供电后，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开启；
[0036] 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；
[0037] 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；
[0038] 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；此时第一激光器2a及第二激光器2b开始发出所需要波长的激光；其中，在激光器的选取中，根据所待检测燃烧场气体的波长谱线范围来确定激光器的工作主要工作波段，其中选取的激光器在主要工作波段要与检测气体波段一致，波长浮动范围略高于涵盖待测波段，这样在信号调谐波长中更能扩大找到待测波长浮动的确定范围值。激光器选取为两种待测气体吸收波长的激光器，目的对两路激光信号进行比对计算确定温度；
[0039] 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；其中，在激光的传输过程中，应用单模光纤，且光纤传输类型与激光器光传输匹配，单模光纤传输距离远，
信号传输稳定，衰减略低，符合工程化所需；
[0040] 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；所述光纤合束器的选取要求能与相应的光纤类型相匹配并能合束工作；
[0041] 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；所述光纤准直器的选取与相应的合数后的光纤类型相匹配；
[0042] 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；所述第一平凸透镜应选取低能损耗，透过率较高，大小与检测装置整体效果匹配；
[0043] 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；所述光纤光栅9的工作区间分光的选取要符合光纤及光波长的相关要求，光纤光栅面摆放在第一平凸透镜8后的焦距位置，偏转角度符合光束分开的角度值。
[0044] 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；所述第二平凹透镜10a、第三平凹透镜10b应选取低能损耗，透过率较高的透镜，外形大小与检测装置整体效果匹配；
[0045] 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；所述光电探测器工作波段响应的选取应与选取的两束激光器各自输出激光的波长相匹配。
[0046] 以上整体的检测装置按照各器件相关要求及器件空间位置调节完成后固定
锁定，发出的激光束、三个平凸透镜、光纤光栅光及光电探测器光敏口都在同一光轴面上中心对称，其目的在于保障光路检测时光学系统稳定光电信号不失真。
[0047] 所述电源，激光器、激光驱动器、激光信号发生器、激光信号调试器、单模光纤、光线合束器、光纤准直器、平凸透镜、光纤光栅及光电探测器均为市售的元件。
[0048] 此外，本发明还提供一种基于光学分光系统的TDLAS气体测温检测方法，其基于上述测温检测装置来实施，该方法包括如下步骤：
[0049] 步骤S1：电源供电后，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开启；
[0050] 步骤S2：激光信号发生器3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；
[0051] 步骤S3：激光信号调试器4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；此时第一激光器2a及第二激光器2b开始发出所需要波长的激光；
[0052] 步骤S4：单模光纤13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；
[0053] 步骤S5：光纤合束器5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；
[0054] 步骤S6：光纤准直器6通过准直透镜将发出微小形变的激光束进行折射校正，在光纤准直器6后端发出平行激光束；
[0055] 步骤S7：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，准直平行后的激光束在通过燃烧气体场后光束出现微小偏折，经第一平凸透镜8折射聚光后使激光束重新汇聚；
[0056] 步骤S8：光纤光栅9分开合束后的两束各自波长的激光束；
[0057] 步骤S9：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；
[0058] 步骤S10：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。
[0059] 下面结合具体实施例来详细描述。
[0060] 实施例
[0061] 本实施例中，如图1所示，将激光器、激光驱动器、激光信号发生器、激光信号
调制器相互正确连接且并与电源线连接，单模光纤与两激光器各自连接，光纤合束器连接到两单模光纤中使两路激光合成一路激光束。合成的一路光纤激光束与光纤准直器连接发射光束，在待测气体火焰燃烧后放置平凸透镜1，透镜中心位置与光纤准直器中心位置一致(共轴)并固定，光纤光栅面放置在平凸透镜1后端焦距位置处，两个平凸透镜2分别放置在光栅分出各束不同波长的激光束光轴中心上，光电探测器放置在各个不同波长激光束在次聚焦的平凸透镜2后，并放置在平凸透镜2焦距处。光纤准直器发出的激光束、平凸透镜1、2，光纤光栅光三者在同一光轴面上且在透镜处中心对称。整套检测装置各器件空间位置调节完成后固定锁定。同时固定后将光电变换器中的两组数据信号转换线与计算机设备连接，整套检测装置安装完成。
[0062] 本实施例中，优先采取的激光器为半导体可协调激光器，能量较高，经准直器调整后发出的平行激光束经过待测气体火焰燃烧场穿出后，经透镜的聚焦把散射的激光能量汇聚，利用光栅的精准度进行光束的分离提取，提取单一纯正的不同波长激光束，分光后在根据各自激光束走向再次经透镜汇聚光束，保证光栅分光后光束无能量损失，汇聚后进入光电探测器中，保证整体设备后端部分光信号基本无损耗接收至光电变换器中，且整体设备器件工作范围相匹配，有利于计算机
信号处理。
[0063] 该基于光学分光系统的TDLAS气体测温检测装置可以按照以下步骤进行操作：
[0064] 第一步：完成各个器件的组装和固定；
[0065] 第二步：开启电源，并调节激光信号发生器和激光信号调试器的工作波长后激光器在激光驱动器的作用下发出特定波长激光。
[0066] 第三步：激光穿过燃烧区域后调节平凸透镜1位置将光束穿过其中心位置。
[0067] 第四步：调节光纤光栅空间位置使得光栅板分开不同波长的激光束。
[0068] 第五步：根据分开的激光束的光轴放置平凸透镜2且在光轴中心处。
[0069] 第六步：在平凸透镜2焦距处放置各自激光束的光电变换器，且聚焦光进入探测器中。
[0070] 第七步：光电变换器数据线连接计算机并实时观测处理电信号。
[0071] 第八步：根据计算机测温处理模
块，提取两路电信号锯齿
波形吸收峰区域面积，进行比对，经计算机处理运算，得到燃烧场待测温度值。
[0072] 第九步：多次测量取待测气体燃烧的平均值，减少误差，提高精度。
[0073] 本实施例采用半导体可协调激光器用作检测光源，光束聚集，散失能量小，更好的采集燃烧场中的光信号，光电变换器响应度灵敏符合气体波段工作需要。整体气体测温系统搭建简易，精准度较高，器件维护周期长，便于工程现场测试检测。
[0074] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和
变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
