(19)国家知识产权局 (12)发明 专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202210762447.7 (22)申请日 2022.06.30 (65)同一申请的已公布的文献号 申请公布号 CN 115046962 A (43)申请公布日 2022.09.13 (73)专利权人 北京光感慧智科技有限公司 地址 101400 北京市怀柔区雁栖经济开发 区雁栖大街53号院13号楼 二层203-24 室 (72)发明人 张学健　魏占峰　周笑春　史小松　 (74)专利代理 机构 北京华清迪源知识产权代理 有限公司 1 1577 专利代理师 陈晨 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01)G01N 21/01(2006.01) 审查员 李丽琴 (54)发明名称 一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器 设计方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种抑制水汽结露影响的激 光气体传感器 设计方法及系统， 提出了利用器件 和光路结构设计抑制结露对光散射、 折射的影 响 的光学系统； 本方法设计的大光斑、 曲面镜反射 的光路系统对比传统的小光斑、 平 面镜为主的光 学系统抗结露能力强， 可应用在易冷凝、 结露的 环境； 本方法设计的自动增益算法， 配合设计的 光路， 可以满足光功率大幅度变化时光电信号转 换电压信号能力， 提高后端解调能力。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 115046962 B 2022.12.23 CN 115046962 B 1.一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法， 其特 征在于， 所述方法包括： 在激光器出光光束耦合输出时， 调整耦合光学透镜尺寸， 减少焦距， 增加输出光束直 径， 以使调节激光器输出光束直径大于或者远大于水滴直径； 和/或在激光器光纤耦合输出 时， 选择输出光束直径大于或者远大于水滴直径的光纤准直器， 与激光器光纤耦合输出连 接， 实现输出光束直径大的目的； 设计曲面反射镜， 光源输出的光束经由曲面反射镜反射后被光电探测器探测到 。 2.根据权利要求1所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法， 其特征 在于， 所述反射镜曲率半径为光源到反射镜的距离， 设置激光器与探测器的距离在预设阈 值范围内， 并均设置在反射镜曲率半径的中心点附近 。 3.根据权利要求1所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法， 其特征 在于， 所述方法还 包括： 将光电探测器的光电转换电路设计为自动增益控制电路， 根据探测到的光强自动增大 或减小跨阻电阻 阻值以调整放大倍数， 达 到放大或减小增益的目的。 4.根据权利要求3所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法， 其特征 在于， 根据探测到的光强自动增大或减小跨阻电阻 阻值以调整放大倍数， 具体为： 当探测到光强≤第一预设阈值时， 增大跨阻电阻阻值； 当探测到光强≥第二预设阈值 时， 减小跨阻电阻 阻值。 5.根据权利要求4所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法， 其特征 在于， 所述方法还 包括： 通过程控自动增益芯片， 在自动增益控制电路内部切换不同档位的阻值， 达到放大、 减 小增益的目的。 6.根据权利要求1所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法， 其特征 在于， 所述方法还 包括： 对曲面镜反射光路进行仿真， 获取有水汽结露和无结露时不同光斑直径下的接收光功 率值， 同时增 加平面镜反射作为对照组， 通过 结果值比较对设计方法进行验证。 7.根据权利要求1所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方法， 其特征 在于， 所述激光器出光 光束直径为1 ‑2mm。 8.一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计系统， 其特 征在于， 所述系统包括： 光学器件设计模块， 用于在激光器出光光束耦合输出时， 调整耦合光学透镜尺寸， 减少 焦距， 增加输出光束直径， 以使调节激光器输出光束直径大于或者远大于水滴直径； 和/或 在激光器光纤耦合输出时， 选择输出光束直径大于或者远大于水滴直径的光纤准直器， 与 激光器光纤耦合输出 连接， 实现输出光束直径大的目的； 光路设计模块， 用于设计曲面反射镜， 光源输出的光束经由曲面反射镜反射后被光电 探测器探测到 。 9.根据权利要求8所述的一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计系统， 其特征 在于， 所述系统还 包括： 电路处理模块， 用于将光电探测器的光电转换电路设计为自动增益控制电路， 根据探 测到的光强自动增大或减小跨阻电阻 阻值以调整放大倍数， 达 到放大或减小增益的目的。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115046962 B 2一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器设计方 法及系统 技术领域 [0001]本发明涉及激光气体传感器技术领域， 具体涉及 一种抑制水汽结露影响的激光气 体传感器设计方法及系统。 背景技术 [0002]TDLAS(Tunable  Diode Laser Absorption  Spectroscopy， 可调谐激光二极管吸 收光谱技术)激光气体传感器采用光学镜头组成的气室。 气室的作用是将激光器中的激光 传输至气室， 转变为空间传输的光束， 照射到待测气氛中； 待测气氛若还有待测气体， 气体 吸收激光中对应的波长能量； 光束经过气室输出至光电探测器上， 分析激光光束光 强信号， 判断吸收曲线强度反演计算气体浓度。 [0003]传统气室器件均为光学器件， 采用镀增透膜的光学玻璃制成， 通过多次角反射镜 形式、 平面镜形式、 曲面反射镜， 通过排列组合形式， 形成单次、 多次反射方式， 进而实现各 种长度光程、 形状气室， 满足气体传感测量应用。 但光学器件组成的光学测量系统镜面形成 水汽结露时， 因结 露液滴导致设计的光学路径在液滴的透射、 折射、 散射作用下发生偏 离或 功率大幅度降低， 造成探测器端无法测量， 即产生结露后无法测量气体浓度的难题。 发明内容 [0004]为此， 本发明提供一种抑制 水汽结露影响的激光气体传感器设计方法及系统， 以 解决现有激光气体传感器由于水汽结露现象影响， 导 致无法测量气体浓度的问题。 [0005]为了实现上述目的， 本发明提供如下技 术方案： [0006]根据本发明实施例的第一方面， 提出了一种抑制水汽结露影响的激光气体传感器 设计方法， 所述方法包括： [0007]在激光器出光光束耦合输出时， 调整耦合光学透镜尺寸， 减少焦距， 增加输出光束 直径， 以使调节激光器输出光束直径大于或者远大于水滴直径； 和/或在激光器光纤耦合输 出时， 选择输出光束直径大于或者远大于水滴直径的光纤准直器， 与激光器光纤耦合输出 连接， 实现输出光束直径大的目的； [0008]设计曲面反射镜， 光源输出的光束经由曲面反射镜反射后被光电探测器探测到 。 [0009]进一步地， 所述反射镜曲率半径为光源到反射镜 的距离， 设置激光器与探测器的 距离在预设阈值范围内， 并均设置在反射镜曲率半径的中心点附近 。 [0010]进一步地， 所述方法还 包括： [0011]将光电探测器的光电转换电路设计为自动增益控制电路， 根据探测到的光强自动 增大或减小跨阻电阻 阻值以调整放大倍数， 达 到放大或减小增益的目的。 [0012]进一步地， 根据探测到 的光强自动增大或减小跨阻电阻阻值以调整放大倍数， 具 体为： [0013]当探测到光强≤第一预设阈值时， 增大跨阻电阻阻值； 当探测到光强≥第二预设 阈值时， 减小跨阻电阻 阻值。说　明　书 1/5 页 3 CN 115046962 B 3