[发明专利]一种高温管式炉的激光传感方法及激光传感装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温炉的激光传感方法及实现该方法的一种高温管式炉激光传感装置，属于激光气体吸收光谱检测设备技术领域。

背景技术

气体光谱作为一种非接触式的传感技术，在现实中应用相当广泛，它既能检测所需环境下的气体组分和浓度，还可以通过对检测数据分析和算法处理，获得检测空间内的温度场分布。这对一些特殊环境下的空间检测提供了可能。特殊环境如高温、高压、有害气体组分的光谱实验研究是需要高温密闭装置，而高温管式炉就是其中应用最多的一种。

实验室内常见的管式炉装置如安徽贝意克生产的三温区管式炉BTF-1700C（1200C），其组成包括三段高温加热装置及其控制系统、载气用刚玉管（石英管）、密闭法兰以及管堵。刚玉管（石英管）由三段式加热装置加热，中空环境也随着热传导将注入气体加热。由于加热装置长度有限，如BTF-1700C加热长度为50cm，而整个管长1200cm，所以两端温度递减。温度递减会影响绝对温度下的谱线标定。为减轻递减影响，管内在高温区于变温区中间用管堵隔断。管外套接封闭法兰实现气体空间密闭，法兰上有导气管，气体组分通过它进入管内。为实现激光传感，则需要在法兰中开窗口，在管堵上开孔。发射器和接收器位列两边从而实现系统搭建。

但是管式炉高温的恒温区短，如5BTF-1700C只有50cm，不能满足一些需要长光程的实验需要，如模拟现场3m环境，该高温区明显不够长。虽然管堵较好的隔热效果，但是开孔后该效果明显下降。为能够增长光程并减小温度渐变影响，需要开发一种实验装置解决以上问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的缺陷，提供了一种能够增长恒温区光程、同时降低变温区影响的激光传感方法及适于于该方法的管式炉激光传感装置。

为了达到上述目的，本发明提供了一种高温管式炉的激光传感方法，该激光传感方法通过在高温管式炉的两端分别设置发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜，在高温管式炉的变温区沿轴线方向贯穿设置光学介质，激光信号依次通过发射端角锥棱镜、变温区的光学介质、恒温区、变温区的光学介质、接收端角锥棱镜，然后由接收端角锥棱镜反射后逆着上述路径将激光信号反射回发射端角锥棱镜，由此在发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间进行多次反射后由发射端角锥棱镜将激光信号发射给接收端的激光接收装置。

具体的，上述高温管式炉的激光传感方法包括以下步骤：

（1）发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的对准调节：将发射信号设置为可见光，纵向调节接收端角锥棱镜，使得发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的光轴差满足可见光信号在发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间进行三次反射，同时可见光光斑位置与发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的中心点同线。

（2）反射调节：此时发射信号使用可见光或设置为激光信号，纵向调节接收端角锥棱镜的位置，逐渐缩小发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间的光轴差，根据可见光信号或激光信号的有无变化，调整至可见光信号在发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间进行五次或七次反射。

其中高温管式炉的炉管两端通过法兰密闭，法兰上设有激光信号通过的光学窗口和待测量气体通过的导气管，两端导气管分别与高温管式炉的炉管内部相连通。

进一步的，上述光学窗口采用具有0.5°楔角的光学玻璃；所述变温区设置的光学介质呈双面楔角柱状体，楔角为0.5-3°；所述光学窗口安装时倾斜1-3°；相邻的光学窗口和光学介质之间、两个光学介质之间的相邻楔角相对设置。

本发明还提供了一种高温管式炉的激光传感装置，包括接收端法兰、发射端法兰、发射端角锥棱镜、接收端角锥棱镜、激光发射装置和激光接收装置；所述发射端法兰和接收端法兰分别固定在所述高温管式炉的炉管两端，形成密闭的容器；所述高温管式炉炉管的变温区分别沿轴线方向贯穿设有光学介质；所述发射端法兰和接收端法兰上分别密封装配光学窗口和导气管，导气管与炉管内部相连通；所述发射端角锥棱镜固定设于发射端法兰的光学窗口外侧；所述接收端角锥棱镜可移动地设于接收端法兰的光学窗口外侧；所述激光发射装置、激光接收装置分别设于发射端法兰、接收端法兰的光学窗口外侧。

进一步的，发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的中轴线与激光发射装置发出的激光光轴位于同一平面内；所述发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜的大小相同；当进行检测时，所述发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜中轴线之间具有相对位差L，该相对位差L使得激光发射装置发出的激光信号在发射端角锥棱镜和接收端角锥棱镜之间的反射次数N为3次、5次或7次；所述反射次数N与相对位差L之间的关系式为：