一種適用農業種養殖環境的可攜式雷射二氧化碳檢測裝置的製作方法

2023-12-01 16:37:01

本實用新型屬於檢測技術領域，具體涉及一種適用農業種養殖環境的可攜式雷射二氧化碳檢測裝置，特別適用於農業種養殖環境內的二氧化碳含量檢測，也適用於其他場合的空氣中二氧化碳含量測量。

背景技術：

通常的可攜式二氧化碳檢測儀都是採用電化學原理，由電化學內的特定化學物質和氣體環境中的二氧化碳發生化學反應，產生電流，通過檢測該電流信號實現對氣體濃度的測量。由於探頭內的化學物質在工作時發生不可逆的化學反應從而產生消耗，使得這種原理的的探頭在農業種養殖環境這種二氧化碳濃度較高的場合壽命較短，並且在濃度過高的場合下會導致探頭內的有效化學成分迅速失效，造成探頭中毒的後果。

基於光譜吸收原理的雷射氣體檢測方法，是常用的氣體檢測方法，主要是利用半導體雷射器的波長可調諧以及光譜寬度窄的特性，通過選擇待測氣體的吸收波長進行測量，可排除被測氣體外的氣體幹擾，實現氣體濃度的快速檢測。基於光譜吸收原理的雷射氣體檢測裝置，由於雷射器的正常工作時間可達5年以上，同時是一種無損檢測，可大大提高檢測裝置的使用壽命，並且可以顯著增大探頭的測量濃度範圍。

基於雷射原理的氣體測量裝置通常採用DFB分布式反饋雷射器作為光源，這種光源發光功率大，可在空間距離很長的路徑下工作，獲得較高的測量解析度，這種雷射光源更適用於尺寸較大的固定式氣體分析裝置中，而不實用於有對低功耗要求的可攜式氣體檢測裝置中。

技術實現要素：

本實用新型所要解決的技術問題是提供一種適用農業種養殖環境的可攜式雷射二氧化碳檢測裝置。該裝置可以提高探頭的使用壽命，擴大探頭測量氣體的濃度範圍，更加適合於使用在農業種養殖環境這種二氧化碳含量較高的場合。另外，本裝置使用VCSEL垂直腔面發射雷射器作為雷射光源，這種雷射器工作電流極低，更適合適用於低功耗的可攜式氣體檢測裝置中。

本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現：

一種適用農業種養殖環境的可攜式雷射二氧化碳檢測裝置，包括VCSEL雷射器，所述VCSEL雷射器分別與半導體製冷器和恆流電源連接，所述VCSEL雷射器發出雷射通過單模光纖與光功率分配器連接，從光功率分配器輸出的一路由單模光纖與自聚焦準直透鏡連接，通過自聚焦準直透鏡發出信號由第一光電探測器接收，所述自聚焦準直透鏡和第一光電探測器同時固定於石英板上，所述自聚焦準直透鏡、第一光電探測器和石英板同時處於被測氣體氛圍中；

從光功率分配器輸出的另一路通過單模光纖與第二光電探測器連接，所述第二光電探測器與第一光電探測器型號相同，所述第一光電探測器和第二光電探測器依次與模數轉換器、單片機連接，所述單片機與LCD顯示屏連接。

本實用新型與現有技術相比，具有以下優點：

（1）由於採用了雷射光譜吸收法，避免了高濃度二氧化碳環境下傳感器探頭壽命短和容易超量程中毒的問題，使得使用壽命可提高至5年以上。

（2）由於採用光譜吸收技術，使用特定的波長檢測特定的氣體，不受其他無關氣體的幹擾，特別是不受空氣中的水氣幹擾。

（3）使用垂直腔面發射雷射器VCSEL作為雷射光源，比通常用於氣體分析的雷射氣體分析儀功耗顯著降低，更加適用於可攜式設備。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構示意圖；附圖中，各部件的標號如下。

1、恆流電源， 2、 VCSEL雷射器， 3、半導體製冷器 4、光功率分配器 5、自聚焦準直透鏡， 6、第一光電探測器， 7、石英板， 8、模數轉換器， 9、單片機，10、LCD液晶屏，11，第二光電探測器，12、單模光纖。

具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型的技術方案作進一步詳細描述。

如圖1所示，一種適用農業種養殖環境的可攜式雷射二氧化碳檢測裝置，包括VCSEL雷射器，所述VCSEL雷射器分別與半導體製冷器和恆流電源連接，所述VCSEL雷射器發出雷射通過單模光纖與光功率分配器連接，從光功率分配器輸出的一路由單模光纖與自聚焦準直透鏡連接，通過自聚焦準直透鏡發出信號由第一光電探測器接收，所述自聚焦準直透鏡和第一光電探測器同時固定於石英板上，所述自聚焦準直透鏡、第一光電探測器和石英板同時處於被測氣體氛圍中；

從光功率分配器輸出的另一路通過單模光纖與第二光電探測器連接，所述第二光電探測器與第一光電探測器型號相同，所述第一光電探測器和第二光電探測器依次與模數轉換器、單片機連接，所述單片機與LCD顯示屏連接。

其中，所述VCSEL雷射器2為發射的雷射波長為1.57微米，所述光功率分配器4功率分配比為50％：50%，通光波長範圍為1.51微米至1.59微米。所述自聚焦準直透鏡5焦距為10cm，匹配光纖類型為單模光纖。

所述模數轉換器8 採用16位AD8328雙通道電流型模數轉換晶片，所述單片機9採用STM32F103VCT6，所述的LCD液晶屏10為LCD12864，當然並不限於這些型號。

採用本實用新型提供的可攜式雷射二氧化碳檢測裝置的具體工作過程為：

由恆流電源1產生穩定的直流電流輸入到VCSEL雷射器2，半導體製冷器3調節VCSEL雷射器2的工作溫度保持在25℃，VCSEL雷射器2在穩定的工作溫度和電流條件下時發出功率和波長穩定的雷射信號，由單模光纖12輸出；雷射信號輸入到光功率分配器4後，光信號被分為功率等於輸入信號一半的兩等份。

從光功率分配器4輸出的其中一路信號通過自聚焦準直透鏡5發出，經過一定距離後，由第一光電探測器6接收；另一路信號通過單模光纖12進入第二光電探測器11，自聚焦準直透鏡5和第一光電探測器6同時固定於石英板7上。自聚焦準直透鏡5、第一光電探測器6和石英板7同時處於被測氣體環境中，光線可以穿過被測氣體。從光功率分配器4輸出的另一路信號輸入到同型號的第二光電探測器11上。

兩個光電探測器同時把接受到的光信號轉換為對應的光電流信號。通過模數轉換器8對兩路電流信號進行採集，其採集結果由數位訊號形式輸出到單片機9中，單片機對兩路數字量結果進行比例運算，計算的比值可以表徵光信號被氣體吸收的程度，也就是對應的氣體濃度。單片機將計算結果顯示到LCD液晶屏12中。

整個系統通過鋰電池進行供電。

本實用新型提供的一種可攜式二氧化碳檢測裝置，採用雷射光譜吸收檢測的方式對空氣中二氧化碳體積比含量進行測量，不受除二氧化碳意外的其他氣體影響，不會因二氧化碳濃度過高而失效。雷射檢測方式為無損檢測，避免了因化學反應引起的探頭壽命短的問題，大大提高了檢測裝置的使用周期。使用垂直腔面發射雷射器VCSEL代替分布式反饋DFB雷射器作為光源，是的整個裝置的功耗顯著下降，使得檢測裝置能使用鋰電池供電，降低了檢測裝置的重量，提高了戶外連續工作時間。因此使得這種可攜式二氧化碳檢測裝置非常適用於農業種養殖環境內的二氧化碳測量。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明進行作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。