本實(shí)用新型涉及粉塵濃度測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖式粉塵濃度測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

粉塵濃度的測(cè)量方法主要包括光學(xué)分析法與非光學(xué)分析法，非光學(xué)分析法由于檢測(cè)設(shè)備響應(yīng)速度慢、處理復(fù)雜，難以對(duì)粉塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而基于光學(xué)分析的粉塵濃度測(cè)量技術(shù)具有探測(cè)靈敏度高、選擇性強(qiáng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，適合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且成本較低，是以后粉塵濃度測(cè)量的理想方法。

現(xiàn)有的手持粉塵濃度測(cè)量裝置必須要求操作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，而在類(lèi)似于煤礦礦井粉塵濃度高的環(huán)境中，操作人員在測(cè)量時(shí)必須做好防塵措施，否則會(huì)損傷呼吸道，影響健康?，F(xiàn)有的化學(xué)反應(yīng)式粉塵濃度傳感器，需要對(duì)空氣粉塵進(jìn)行采集處理，具有測(cè)量時(shí)延差，無(wú)法進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量；電式粉塵濃度測(cè)量裝置安全性較差，當(dāng)?shù)V井粉塵濃度過(guò)高時(shí)，輕微的電火花會(huì)引發(fā)礦井爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，有很大的安全隱患。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種光纖式粉塵濃度測(cè)量裝置，通過(guò)光纖將光信號(hào)傳輸至測(cè)量區(qū)域，測(cè)量區(qū)域設(shè)置單透鏡整形器將用于測(cè)量的激光能量空間分布均勻化，測(cè)量后再將光信號(hào)經(jīng)光纖傳出，即實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程測(cè)量，又提高了測(cè)量精度。

本實(shí)用新型的一種光纖式粉塵濃度測(cè)量裝置，包括光源部分、測(cè)量部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，光源部分產(chǎn)生激光并通過(guò)光纖傳輸至測(cè)量部分，激光通過(guò)測(cè)量部分測(cè)量后通過(guò)光纖傳輸至信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，其中測(cè)量部分位于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，光源部分與信號(hào)轉(zhuǎn)換部分遠(yuǎn)離測(cè)量部分；測(cè)量部分包括第一激光調(diào)整端、衰減區(qū)、第二激光調(diào)整端、第一連接桿、第二連接桿；第一激光調(diào)整端與第二激光調(diào)整端之間為衰減區(qū)，且第一激光調(diào)整端與第二激光調(diào)整端通過(guò)第一連接桿、第二連接桿并行固定連接，衰減區(qū)內(nèi)為含有粉塵的待測(cè)氣體。

進(jìn)一步的,光源部分包括激光器與第一耦合器，激光器發(fā)射激光并通過(guò)第一耦合器耦合后由光纖傳輸至測(cè)量部分。

進(jìn)一步的,信號(hào)轉(zhuǎn)換部分包括探測(cè)器，探測(cè)器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。

進(jìn)一步的,第一激光調(diào)整端還包括準(zhǔn)直器、第一平透鏡以及單透鏡整形器，其中準(zhǔn)直器與第一平透鏡分別位于單透鏡整形器的兩側(cè)，光源部分發(fā)出的激光從光纖中傳出后依次通過(guò)準(zhǔn)直器、單透鏡整形器、第一平透鏡后射入衰減區(qū)。

進(jìn)一步的,第二激光調(diào)整端包括第二平透鏡、倒置準(zhǔn)直器，倒置準(zhǔn)直器位于第二平透鏡的后方，其中通過(guò)衰減區(qū)的激光進(jìn)入第二激光調(diào)整端后依次射入第二平透鏡與倒置準(zhǔn)直器。

進(jìn)一步的,光纖式粉塵濃度測(cè)量裝置還包括定向耦合器，其中光源部分與信號(hào)轉(zhuǎn)換部分均通過(guò)定向耦合器與測(cè)量部分連接；光源部分發(fā)射激光并傳輸至定向耦合器，定向耦合器將發(fā)射激光通過(guò)光纖傳輸至測(cè)量部分。

進(jìn)一步的,第二激光調(diào)整端包括第二平透鏡與全反射鏡，其中全反射鏡位于第二平透鏡的后方，通過(guò)衰減區(qū)的激光進(jìn)入第二激光調(diào)整端后依次射入第二平透鏡、全反射鏡，全反射鏡將激光原路返回，從第一激光調(diào)整端輸出。

進(jìn)一步的,由全反射鏡反射的激光經(jīng)第一激光調(diào)整端輸出后通過(guò)光纖傳輸至定向耦合器，定向耦合器將反射后的激光傳輸至信號(hào)轉(zhuǎn)換部分；由定向耦合器射出的激光傳輸至測(cè)量部分所用的光纖與反射回并通過(guò)第一激光調(diào)整端后傳輸至定向耦合器的激光所用的光纖為同一根。

進(jìn)一步的,信號(hào)轉(zhuǎn)換部分還包括第二耦合器，激光經(jīng)過(guò)第二耦合器耦合后輸入探測(cè)器。

進(jìn)一步的，還包括數(shù)據(jù)處理部分，其中數(shù)據(jù)處理部分與探測(cè)器連接，探測(cè)器將電信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行處理。

本實(shí)用新型的一種光纖式粉塵濃度測(cè)量裝置，具有以下有益效果：

1、測(cè)量部分為純光學(xué)結(jié)構(gòu)，放置在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)非常安全；

2、采用準(zhǔn)直器對(duì)光纖輸出的激光進(jìn)行擴(kuò)束，可以提高測(cè)量區(qū)域截面積，其測(cè)量結(jié)果能反映較大空間中粉塵的濃度；

3、設(shè)置倒置準(zhǔn)直器將激光進(jìn)行縮束，便于光纖的傳輸；

4、設(shè)置定向耦合器以及反射式測(cè)量方法，使用一根光纖完成輸入測(cè)量部分的激光和輸出測(cè)量部分的激光的傳輸，節(jié)約成本；

5、利用單透鏡整形器對(duì)準(zhǔn)直器的輸出光進(jìn)行能量平均化處理，使得對(duì)于粉塵濃度的測(cè)量在均勻分布的光場(chǎng)下進(jìn)行，可改善測(cè)量空間范圍內(nèi)粉塵濃度的非均勻分布問(wèn)題對(duì)測(cè)量結(jié)果的不利影響；

6、利用測(cè)量區(qū)粉塵濃度對(duì)于擴(kuò)束光光強(qiáng)損耗的影響進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量過(guò)程以光速進(jìn)行，不存在延時(shí)問(wèn)題，可達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)量效果。

附圖說(shuō)明

為了更清楚的說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單的介紹，顯而易見(jiàn)的，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它附圖。

圖1為本實(shí)用新型的光纖式粉塵濃度測(cè)量裝置第一個(gè)實(shí)施例；

圖2為本實(shí)用新型的光纖式粉塵濃度測(cè)量裝置第二個(gè)實(shí)施例；

圖中：1-第一激光調(diào)整端、2-衰減區(qū)、3-第二激光調(diào)整端、4-第一連接桿、5-第二連接桿、6-激光器、7-第一耦合器、8-探測(cè)器、9-準(zhǔn)直器、10-第一平透鏡、11-單透鏡整形器、12-第二平透鏡、13-倒置準(zhǔn)直器、14-定向耦合器、15-全反射鏡、16-第二耦合器。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通的技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其它實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

如圖1所示，一種光纖式粉塵濃度測(cè)量裝置，包括光源部分、測(cè)量部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，光源部分產(chǎn)生激光并通過(guò)光纖傳輸至測(cè)量部分，激光通過(guò)測(cè)量部分測(cè)量后通過(guò)光纖傳輸至信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，光纖的兩端與各部件之間的連接方式本實(shí)施例不做具體限定，優(yōu)選的，選用法蘭連接。測(cè)量部分位于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，光源部分與信號(hào)轉(zhuǎn)換部分遠(yuǎn)離測(cè)量部分，由于測(cè)量部分與光源部分及信號(hào)轉(zhuǎn)換部分之間通過(guò)光纖連接，操作人員在遠(yuǎn)離測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的地方操作光源部分與信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，光纖將測(cè)量激光進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的遠(yuǎn)程測(cè)量。測(cè)量部分包括第一激光調(diào)整端1、衰減區(qū)2、第二激光調(diào)整端3、第一連接桿4、第二連接桿5；第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3通過(guò)第一連接桿4、第二連接桿5并行固定連接，在不影響激光傳輸?shù)臈l件下，可選用一個(gè)連接桿將第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3連接到一起，或者為固定第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3，也可選用多個(gè)連接桿進(jìn)行固定連接；第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3之間為衰減區(qū)2，衰減區(qū)2為內(nèi)為含有粉塵的待測(cè)氣體。

具體的,光源部分包括激光器6與第一耦合器7，由于激光器6發(fā)射的激光近似為平行光，先通過(guò)第一耦合器7將激光進(jìn)行耦合聚焦以后由光纖傳輸至測(cè)量部分。

具體的,信號(hào)轉(zhuǎn)換部分包括探測(cè)器8，探測(cè)器8將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。探測(cè)器8將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后，便于后期數(shù)據(jù)的計(jì)算與整理。

具體的,第一激光調(diào)整端1還包括準(zhǔn)直器9、第一平透鏡10以及單透鏡整形器11，其中準(zhǔn)直器9與第一平透鏡10分別位于單透鏡整形器11的兩側(cè)，光源部分發(fā)出的激光從光纖中傳出后依次通過(guò)準(zhǔn)直器9、單透鏡整形器11、第一平透鏡10后射入衰減區(qū)2。通過(guò)光纖輸入測(cè)量部分的激光是經(jīng)過(guò)第一耦合器7聚焦之后傳輸?shù)?，所以在激光進(jìn)入衰減區(qū)2進(jìn)行衰減之前，需要將激光通過(guò)準(zhǔn)直器9進(jìn)行擴(kuò)束變成寬束光，但由于擴(kuò)束后的寬束光仍為高斯光分布，其光截面能量空間分布不均勻，如果直接照射到衰減區(qū)2進(jìn)行激光的衰減，則在后期分析數(shù)據(jù)時(shí)誤差較大，所以將寬束光通過(guò)單透鏡整形器11將高斯光轉(zhuǎn)化為光截面能量分布更加均勻的平頂光之后，再通過(guò)第一平透鏡10照射入衰減區(qū)2。單透鏡整形器11選用非球面鏡片，鏡片的表面視使用環(huán)境自定選用，本實(shí)施例不做具體限定，只需實(shí)現(xiàn)將平行高斯光轉(zhuǎn)化為平行平頂光的目標(biāo)即可。優(yōu)選的，準(zhǔn)直器9、第一平透鏡10、單透鏡整形器11三者的鏡面幾何中心位置位于同一條直線上，且該直線與激光在第一激光調(diào)整端1內(nèi)傳輸?shù)墓饴返闹行木€相重合，使激光能夠最大限度的通過(guò)第一激光調(diào)整端1，盡可能的減少激光在傳輸過(guò)程中的損耗，以提高粉塵濃度測(cè)量的精度。

具體的,第二激光調(diào)整端3包括第二平透鏡12、倒置準(zhǔn)直器13，倒置準(zhǔn)直器13位于第二平透鏡12的后方，通過(guò)衰減區(qū)2的激光進(jìn)入第二激光調(diào)整端3后依次射入第二平透鏡12與倒置準(zhǔn)直器13，倒置準(zhǔn)直器13將寬束光進(jìn)行縮束后通過(guò)光纖傳輸至信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，優(yōu)選的，第二平透鏡12與倒置準(zhǔn)直器13二者的鏡面幾何中心位置與在激光在第二調(diào)整端內(nèi)傳輸?shù)墓饴返闹行木€重合，提高粉塵濃度測(cè)量的精度。測(cè)量部分為純光學(xué)裝置，安裝在礦井或者易發(fā)生事故的環(huán)境中能夠保證測(cè)量的安全性。第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3設(shè)置為獨(dú)立的密閉結(jié)構(gòu)，將準(zhǔn)直器9、單透鏡整形器11、倒置準(zhǔn)直器13均放置在密閉結(jié)構(gòu)中，防止灰塵積落影響對(duì)激光的處理。

具體的，信號(hào)轉(zhuǎn)換部分還包括第二耦合器16，激光經(jīng)過(guò)第二耦合器16耦合后輸入探測(cè)器8。設(shè)置第二耦合器16將光纖中傳播的聚集光轉(zhuǎn)化為平行光，便于探測(cè)器8的信號(hào)轉(zhuǎn)換。

具體的，本實(shí)施例還包括數(shù)據(jù)處理部分，數(shù)據(jù)處理部分與探測(cè)器8連接，探測(cè)器8將電信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行處理。

本實(shí)施例通過(guò)激光在待測(cè)氣體中的衰減計(jì)算待測(cè)氣體的粉塵濃度，設(shè)定激光在輸入衰減區(qū)2之前的光強(qiáng)為I₁，激光在輸出衰減區(qū)2之后的光強(qiáng)為I₂，激光在衰減區(qū)2傳播的距離為l，衰減系數(shù)為α，則I₂＝I₁e^-αl,故計(jì)算出α＝ln(I₁/I₂)/l。在距離l為固定值時(shí)，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)I₁和I₂，便可計(jì)算出待測(cè)氣體對(duì)激光的衰減系數(shù)α。粉塵濃度和光衰減系數(shù)呈一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以可由光衰減系數(shù)得出對(duì)應(yīng)的粉塵濃度。

如圖2所示,本實(shí)用新型的第二個(gè)實(shí)施例，包括光源部分、測(cè)量部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，光源部分產(chǎn)生激光并通過(guò)光纖傳輸至所述測(cè)量部分，激光通過(guò)測(cè)量部分測(cè)量后通過(guò)光纖傳輸至信號(hào)轉(zhuǎn)換部分，測(cè)量部分位于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，光源部分與信號(hào)轉(zhuǎn)換部分遠(yuǎn)離測(cè)量部分；測(cè)量部分包括第一激光調(diào)整端1、衰減區(qū)2、第二激光調(diào)整端3、第一連接桿4、第二連接桿5；第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3之間為衰減區(qū)2，且第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3通過(guò)第一連接桿4、第二連接桿5并行固定連接，衰減區(qū)2為空腔結(jié)構(gòu)，空腔內(nèi)部為含有粉塵的待測(cè)氣體。光源部分包括激光器6與第一耦合器7，激光器6發(fā)射激光并通過(guò)第一耦合器7耦合后由光纖傳輸至測(cè)量部分。信號(hào)轉(zhuǎn)換部分包括探測(cè)器8，探測(cè)器8將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換部分的激光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。第一激光調(diào)整端1還包括準(zhǔn)直器9、第一平透鏡10以及單透鏡整形器11，其中準(zhǔn)直器9與第一平透鏡10分別位于單透鏡整形器11的兩側(cè)，光源部分發(fā)出的激光從光纖中傳出后依次通過(guò)準(zhǔn)直器9、單透鏡整形器11、第一平透鏡10后射入衰減區(qū)2。

具體的，本實(shí)施中光纖式粉塵濃度測(cè)量裝置還包括定向耦合器14，光源部分與信號(hào)轉(zhuǎn)換部分均通過(guò)定向耦合器14與測(cè)量部分連接；光源部分發(fā)射激光并傳輸至定向耦合器14，定向耦合器14將發(fā)射激光通過(guò)光纖傳輸至測(cè)量部分。定向耦合器14可實(shí)現(xiàn)光源部分至光纖的光傳輸與光纖至信號(hào)轉(zhuǎn)換部分的光傳輸。

具體的，第二激光調(diào)整端3包括全反射鏡15，通過(guò)衰減區(qū)2的激光垂直照射在全反射鏡15上，全反射鏡15將激光反射后激光按照原路返回，從第一激光調(diào)整端1射出。由于全反射鏡15直接暴露在待測(cè)氣體環(huán)境中，使用較長(zhǎng)時(shí)間后灰塵會(huì)積落在全反射鏡15的鏡面上，影響全反射鏡15的反射率，所以?xún)?yōu)選的，第二激光調(diào)整端3還包括第二平透鏡12，全反射鏡15位于第二平透鏡12的后方，通過(guò)衰減區(qū)2的激光進(jìn)入第二激光調(diào)整端3后依次射入第二平透鏡12、全反射鏡15，將全反射鏡15的位置調(diào)整使通過(guò)衰減區(qū)2的激光能夠垂直射入全反射鏡15，全反射鏡15將激光反射后激光按原路返回，從第一激光調(diào)整端1射出。第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3設(shè)置為獨(dú)立的密閉結(jié)構(gòu)，將準(zhǔn)直器9、單透鏡整形器11、全反射鏡15均放置在密閉結(jié)構(gòu)中，防止灰塵積落影響對(duì)激光的處理。

具體的,由全反射鏡15反射的激光經(jīng)第一激光調(diào)整端1輸出后通過(guò)光纖傳輸至定向耦合器14，定向耦合器14將反射后的激光傳輸至信號(hào)轉(zhuǎn)換部分；

由定向耦合器14射出的激光傳輸至測(cè)量部分所用的光纖與反射回并通過(guò)第一激光調(diào)整端1傳輸至定向耦合器14的激光所用的光纖為同一根，本實(shí)施例通過(guò)設(shè)置定向耦合器14，讓輸入第一激光調(diào)整端1的激光和輸出第一激光調(diào)整端1的激光共用一根光纖，降低了使用成本。

本實(shí)施例通過(guò)激光在待測(cè)氣體中的衰減計(jì)算待測(cè)氣體的粉塵濃度，設(shè)定激光在輸入衰減區(qū)2之前的光強(qiáng)為I₁，激光在輸出衰減區(qū)2之后的光強(qiáng)為I₂，激光在衰減區(qū)2傳播的距離為l′，衰減系數(shù)為α，則I₂＝I₁e^-αl′,故計(jì)算出α＝ln(I₁/I₂)/l′。在距離l′為固定值時(shí)，通過(guò)測(cè)量光強(qiáng)I₁和I₂，便可計(jì)算出待測(cè)氣體對(duì)激光的衰減系數(shù)α。與第一個(gè)實(shí)施例不同的地方在于，本實(shí)施例中激光在衰減區(qū)2傳播的距離是第一激光調(diào)整端1與第二激光調(diào)整端3之間距離的2倍。粉塵濃度和光衰減系數(shù)呈一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以可由光衰減系數(shù)得出對(duì)應(yīng)的粉塵濃度。

整個(gè)光纖式粉塵濃度測(cè)量裝置，利用激光在待測(cè)氣體中傳播造成的衰減，計(jì)算出待測(cè)氣體的粉塵濃度，利用光纖將光信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量；通過(guò)設(shè)置單透鏡整形器將激光能量空間分布均勻化，使粉塵在光場(chǎng)分布均勻的情況下進(jìn)行衰減；設(shè)置全反射鏡和定向耦合器使輸入測(cè)量區(qū)的激光與輸出測(cè)量區(qū)的激光用同一根光纖傳輸達(dá)到測(cè)量目的，節(jié)約設(shè)備成本。

以上借助具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做了進(jìn)一步描述，但是應(yīng)該理解的是，這里具體的描述，不應(yīng)理解為對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)質(zhì)和范圍的限定，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員在閱讀本說(shuō)明書(shū)后對(duì)上述實(shí)施例做出的各種修改，都屬于本實(shí)用新型所保護(hù)的范圍。