专利名称：烟气浓度分析仪全反射式光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用光学和光谱学技术对气体浓度进行测量的光学系统，作为光信号传输物理通道的光学系统是烟气浓度分析仪的核心和关键部分，它的信噪比和光传输效率很大程度上直接决定了整个分析仪的信噪比、灵敏度和测量准确度等关键指标。
背景技术：
烟气排放连续监测系统(CEMS,Continuous Emission Monitoring System)是指导电厂脱硫、脱硝系统闭环运行的重要监控设备，同时又是烟气排放的重要监测设备。随着我国节能减排工作的不断推进，气态污染物中S02、N0X, NH3等的排放浓度越来越低，原来基于红外吸收光谱技术的适用于低湿、高硫的直接抽取冷干法很难适应目前的高湿、低硫的工况。20世纪70年代末由德国海德堡大学Platt. U等人提出的，作为直接测量法中较有代表性的差分吸收光谱法(Differential Optical Absorption Spectroscopy, D0AS)在大气痕量气体浓度监测和污染源烟气排放浓度的直接测量中获得了成功而广泛的应用。基于紫外差分吸收光谱技术的烟气浓度分析仪，光学系统是其中的核心和关键部分，它的灵敏度、信噪比等很大程度上决定了分析仪的灵敏度、信噪比和测量准确度等关键指标。烟气浓度直接测量系统安装于脱硫脱硝前后以及污染源的排放口如烟囱或烟道等，由于被测对象通�：推渌扇牌逡约胺鄢镜裙泊妫虼讼低扯苑⑸涔馐头祷毓馐哪芰坑幸欢ǖ囊螅磺矣捎谙殖〈嬖谡穸�、高温等因素的影响，要求系统具有较高的可靠性和稳定性。目前，此类分析仪器大多采用折射式和折反式光学系统。由于系统所用光源一般为氣灯(190-410 nm)或氣灯(200-1100 nm),光源福射波段较宽,对于同时要求传输宽波 段光束又具有较高能量的折射式或折反式系统，必须进行色差校正；此外，能透过紫外光线的材料很少，再加上现场的振动和高温等因素，折射式光学系统设计会比较复杂。折射式光学系统常选用CaF2来进行色差校正，由于其材料柔软易碎，对温度的适用性差，加工具有一定的难度；同时系统要具有较高的能量，必须使用不同材料的光学原件消色差，系统复杂、加工成本较高且系统的可靠性和稳定性得不到保证。由于折射式或折反式系统存在以上缺点，有必要对现有烟气浓度分析仪的光学系统进行创新设计。
发明内容
本发明针对现有烟气浓度分析仪光学系统信噪比和灵敏度低，稳定性和可靠性差的缺点，提供一种烟气分析仪全反射式光学系统。根据抛物面反射镜的准直特性，即在理想情况下，焦点出射的光束经抛物面反射后严格平行的特点，通过三面直角棱镜、分光镜(单面镀反射膜)、离轴抛物面反射镜合理的空间布置和结构及尺寸优化，本发明设计一种无色差的全反射式光学系统。与相同原理的烟气浓度测量系统相比，基于该光学系统的烟气浓度分析仪具有较高的灵敏度、测量准确度和可靠性，同时具有较好的稳定性。尤其是在光源的辐射光强较弱或被测气体浓度较高的情况下，系统的灵敏度和测量准确度也显著提高；同时，高灵敏度光学系统设计也相对延长了光源的有效使用时间。本发明的具体技术解决方案如下
一种烟气浓度分析仪全反射式光学系统，该系统包括光源、测量光反射镜、参考光反射镜、光谱仪和活动遮光板，其特征是该系统还包括第一(准直)离轴抛物面反射镜和第二(聚焦)离轴抛物面反射镜，
其中第一离轴抛物面反射镜与测量光反射镜相对设置形成测量光路，且测量光反射镜 的中心对称轴与第一离轴抛物面反射镜的光轴重合；
其中第二离轴抛物面反射镜与参考光反射镜相对设置形成参考光路，且参考光反射镜的中心对称轴与第二离轴抛物面反射镜的光轴重合；
第一离轴抛物面反射镜的光轴与第二离轴抛物面反射镜的光轴垂直相交，并在交点右侧的测量光路上设有烟气通道；一分光镜置于第一、第二离轴抛物面反射镜两光轴交点处，并设在第一、第二离轴抛物面反射镜的一半光路上(上部)；第二离轴抛物面反射镜的光轴与该分光镜夹角呈45°，参考光反射镜的中心对称轴与该分光镜夹角呈135° ；
所述活动遮光板活动设于第一和第二离轴抛物面的另一半光路上(下部);
所述光源位于第一离轴抛物面反射镜的焦点上，一光纤入射端位于第二离轴抛物面反射镜的焦点处，该光纤的出射端连接光谱仪。本发明的进一步设计在于，所述分光镜迎着第一离轴抛物面反射镜的面单面镀有反射膜。所述分光镜位于第一、第二离轴抛物面反射镜两光轴交点处一侧的边缘设有45°倒角，该倒角朝向测量光反射镜。所述测量光反射镜、第一离轴抛物面反射镜、参考光反射镜、第二离轴抛物面反射镜的口径大小均相同。所述活动遮光板为弧形挡板，并连接在一旋转机构上。所述测量光反射镜和参考光反射镜均采用三面直角棱镜。本发明的技术效果如下
1、本发明烟气浓度分析仪全反射式光学系统，使光源发出的光束有一半可进入了参考光路，另一半可进入了测量光路；
2、系统采用全反射设计，光束准直部分采用离轴抛物面反射镜，从理论上实现了无色差，从而使光源发出的光束能够得到很好的准直，避免了折射系统由于色差校正困难，光束发散而导致的光束传播过程中的能量损失，准直后，光源辐射的光能量有一半进入了参考光路，另一半进入了测量光路；
3、与折射式或折反式系统相比，在相同光源辐照强度下，通过本系统的光能量大大提高，系统灵敏度增加；
4、系统信噪比等于接收的有用光强信号与噪声的均方根之比，在积分时间和平均次数相同条件下，探测器噪声相同，光强越大，系统信噪比越高，系统的测量精度也就越高；
5、利用离轴抛物面反射镜的准直特性，本发明采用全反射光学系统来解决紫外宽波段折射式或折反式光学系统色差大和透紫外波段材料很少的问题。在相同光源的辐射强度下，使用灵敏度高的光学系统进入光电探测器的光强要远高于一般的光学系统，提高了烟气分析仪的灵敏度和信噪比，使得仪器的测量准确度得到提高。光学系统灵敏度的提高，也相对“延长” 了光源的使用寿命。
图I为本发明烟气浓度分析仪全反射式光路设计示意图，其中挡板所处位置A和位置B分别处于测量光路和参考光路。
图I中，I、光源；2、灯泡玻璃壁面；3、第一离轴抛物面反射镜；4、第一离轴抛物面反射镜主轴；5、分光镜；6、参考光反射镜；7、测量光反射镜；8、第二离轴抛物面反射镜；9、第二离轴抛物面反射镜主轴；10、光纤；11、活动挡板；12、光谱仪；13、烟气通道。
具体实施例方式实例一
如图I所示，本发明的烟气浓度分析仪全反射式光学系统，在第一离轴抛物面反射镜光轴和第二离轴抛物面反射镜中光轴相交组成的平面内，第四象限有一旋转机构带动一活动挡板在参考光路和测量光路之间进行切换。其中，第四象限的角平分线将该象限分成了挡板所处的A、B两个位置，位置A处于测量光路，位置B处于参考光路。旋转机构的转动中心通过旋转电磁铁的得电和失电带动挡板在位置A和位置B两个位置进行切换，从而实现了参考光和测量光的分时测量。第一、第二离轴抛物面反射镜和分光镜5均以石英材料做为基底，第一、第二离轴抛物反射面外表面镀紫外高反射膜，分光镜5迎着第一离轴抛物面反射镜的那一面镀单面紫外高反射膜，目的是为了尽量减小双面镀膜差异引起的反射光光谱结构差异。分光镜5与第一离轴抛物面反射镜3的光轴呈α角，大小为45°，与参考光反射镜中心对称轴呈β角，大小为135°，并且处于第一离轴抛物面反射镜光轴和第二离轴抛物面反射镜光轴相交处的分光镜边缘，成45°刀口状，刀口朝向测量光反射镜。参考光反射镜6 (或测量光反射镜7)为三面直角棱镜,具有三个直角面和一个圆形面，是依据临界角原理制造的内部全反射棱镜。垂直入射棱镜表面的平行光，在棱镜内部经过全反射后，将被按原光路高效的反射回去。本发明的光谱仪12为光电探测器，它将接收到的光信号转变成电信号。可再经过处理单元将信号连到计算机，最后在计算机上输出全波段的光谱图。光纤10为芯径600um、数值孔径为O. 22的高透紫外光纤，光纤两端均为SMA905标准接头。活动挡板11为具有一定宽度和高度的圆弧形薄片，在旋转电磁铁的带动下实现了参考光和测量光的切换。图I中，系统以第一离轴抛物面反射镜3所在光轴为系统的横向主光轴，以第二离轴抛物面反射镜8所在光轴为系统的纵向主光轴。光源I发出的光经第一离轴抛物面反射镜3准直成平行光，平行光经分光镜5后其中有一半光束穿过被测量对象后垂直进入测量光反射镜7，测量光反射镜7的中心对称轴与第一离轴抛物面反射镜3的光轴重合。测量光反射镜7又称为三面直角棱镜，其特点是有三个直角面，光线在其内部经全反射后沿入射光反方向出射。
光源I发射光束的另一半平行光沿与分光镜5法线成45°入射，反射光为平行光且与入射光成90°。在分光镜5迎着光源这一侧的反射光路上有一参考光反射镜6,沿参考光反射镜6中心对称轴在分光镜5的另一侧有离轴抛物面8，参考光反射镜6中心对称轴与第二离轴抛物面反射镜8的光轴重合。本发明的工作过程如下
本发明中所用光源为氘灯，发光点的大小为O. 5_。氘灯光源I发出的直径30 mm光束先经第一离轴抛物面反射镜3准直变成平行光，该平行光束经过分光镜5后按能量平均变成两束光一束为直径42. 5_的半圆形平行光束(测量光)，沿原光路方向经过被测对象垂直入射测量光路上测量光反射镜7的半圆面，进入测量光反射镜7的光线在其内部经过全反射后，与入射光成180°从测量光反射镜7的另外一个半圆面出射至分光镜5未镀高反膜的那一侧表面，然后照射到高反膜上，经过反射后的平行光束进入第二离轴抛物面反射镜8聚焦，光线聚焦后进入透紫外的石英光纤，通过光纤的传导作用再进入光谱仪12。光谱 仪12载有烟气浓度的光信号转化为电信号，可再经过一系列处理后变成数字量送入装有烟气浓度测量软件的计算机；
另一路直径同样为42. 5mm的半圆形平行光束(参考光)直接入射到分光镜5镀高反膜的那一侧表面，经反射后光线垂直入射参考光反射镜6的半圆面,在参考光反射镜6内部经全反射后，与入射光成180°从参考光反射镜6的另外一个半圆面沿与第二离轴抛物面反射镜8光轴平行的方向入射至第二离轴抛物面反射镜8，平行光线经第二离轴抛物面反射8聚焦后进入透紫外的石英光纤，通过光纤将不包含任何被测对象浓度信息的参考光送入光谱仪。利用该参考光进行烟气浓度计算的同时能判断光源的使用寿命。对于某一时刻，光学系统中只能有一路光路是通的，即参考光和测量光不能同时存在。根据需要控制旋转电磁铁带动活动挡板在图I中的位置A和位置B进行切换，从而实现了利用单一探测器对参考光和测量光进行的分时测量。应用实例一
根据图1，本发明其具体结构和参数叙述如下
本发明中所用氘灯光源发光点的大小为O. 5_，灯泡壁厚为1_，光源辐射波段范围为190 410nm。光源发光点置于第一离轴抛物面反射镜3的焦点上，即位于第一离轴抛物面反射镜3所在抛物面反射镜的顶点水平距离为IOOmm的位置，第一离轴抛物面反射镜3的半径为200mm，离轴量为77. 5mm，第一离轴抛物面反射镜3的孔径角为20. 33°，大于所用氘灯的发散角，能有效的接受氘灯的辐射能量。第二离轴抛物面反射镜8的半径为240mm，离轴量为75mm，光纤接口置于第二离轴抛物面反射镜8的焦点上，即位于第二离轴抛物面反射镜8所在抛物面的顶点水平距离为120mm的位置，第一离轴抛物面反射镜3的数值孔径为O. 172，小于接收光纤的数值孔径，能有效的接受光的能量。本系统中分光镜4为一矩形石英平板,其中长为64_、宽为43_、厚为4_。为了尽量消除由于分光镜4镀膜造成的参考光谱与吸收光谱结构上的差异，分光镜5迎着光源的那个面单面镀反射膜。处于第一离轴抛物面反射镜光轴上的分光镜5的边缘处成45°斜角，分光镜5与光源侧第一离轴抛物面反射镜光轴成45°夹角，且分光镜5处于第一离轴抛物面反射镜光轴的上方。参考光反射镜6的大面直径为85mm，高度为63. 75mm，光束偏转角为180°，材料为JGSl。测量光反射镜7的大面直径为85mm，高度为63. 75mm，光束偏转角和材料与参考光反射镜6相同。在第一离轴抛物面反射镜3和第二离轴抛物面反射镜8光轴 相交处，有一旋转电磁铁带动活动挡板11围绕该点转动，转动角度为45°，活动挡板的高度为88mm,宽度为5. 31mm,为该圆周的八分之一。
权利要求
1.ー种烟气浓度分析仪全反射式光学系统,该系统包括光源、测量光反射镜、參考光反射镜、光谱仪和活动遮光板，其特征是该系统还包括第一离轴抛物面反射镜和第二离轴抛物面反射镜， 其中第一离轴抛物面反射镜与测量光反射镜相对设置形成測量光路，且测量光反射镜的中心对称轴与第一离轴抛物面反射镜的光轴重合； 其中第二离轴抛物面反射镜与參考光反射镜相对设置形成參考光路，且參考光反射镜的中心对称轴与第二离轴抛物面反射镜的光轴重合； 第一离轴抛物面反射镜的光轴与第二离轴抛物面反射镜的光轴垂直相交，并在交点右侧的测量光路上设有烟气通道；一分光镜置于第一、第二离轴抛物面反射镜两光轴交点处，并设在第一、第二离轴抛物面反射镜的一半光路上；第一离轴抛物面反射镜的光轴与该分光镜夹角呈45°，參考光反射镜的中心对称轴与该分光镜夹角呈135° ； 所述活动遮光板活动设于第一和第二离轴抛物面的另一半光路上； 所述光源位于第一离轴抛物面反射镜的焦点上，一光纤入射端位于第二离轴抛物面反射镜的焦点处，该光纤的出射端连接光谱仪。
2.根据权利要求I所述的烟气浓度分析仪全反射式光学系统，其特征是所述分光镜迎着第一离轴抛物面反射镜的面单面镀有反射膜。
3.根据权利要求I或2所述的烟气浓度分析仪全反射式光学系统，其特征是所述分光镜位于第一、第二离轴抛物面反射镜两光轴交点处ー侧的边缘设有45°倒角，该倒角朝向測量光反射镜。
4.根据权利要求3所述的烟气浓度分析仪全反射式光学系统，其特征是所述测量光反射镜、第一离轴抛物面反射镜、參考光反射镜、第二离轴抛物面反射镜的口径大小均相同。
5.根据权利要求4所述的烟气浓度分析仪全反射式光学系统，其特征是所述活动遮光板为弧形挡板，并连接在ー旋转机构上。
6.根据权利要求5所述的烟气浓度分析仪全反射式光学系统，其特征是所述测量光反射镜和參考光反射镜均采用三面直角棱镜。
全文摘要
本发明针对现有烟气浓度分析仪光学系统灵敏度和信噪比低，稳定性和可靠性差的缺点，提供一种烟气浓度分析仪全反射式光学系统。该系统包括光源、测量光反射镜、参考光反射镜、光谱仪和活动遮光板，该系统还包括第一(准直)离轴抛物面反射镜和第二(聚焦)离轴抛物面反射镜，其中第一离轴抛物面反射镜与测量光反射镜相对设置形成测量光路，且测量光反射镜中心对称轴与第一离轴抛物面反射镜的光轴重合；其中第二离轴抛物面反射镜与参考光反射镜相对设置形成参考光路，且参考光反射镜的中心对称轴与第二离轴抛物面反射镜的光轴重合。该系统还设有分光镜和光纤。
文档编号G01N21/33GK102778440SQ201210276668
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月6日 优先权日2012年8月6日
发明者孔红兵, 张西谋, 成佳慧, 李利, 武善磊, 汤光华, 陈书建, 陈祥 申请人:南京国电环�？萍加邢薰�
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