CN100424495C - 煤矿瓦斯差分吸收式光纤多点监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种煤矿瓦斯差分吸收式光纤多点监测系统，其特点是用一个确定频率的正弦波信号去调制一只超辐射发光管，超辐射发光管发出的光进入第一只环行器的一端，第一只环行器的二端连接一只一点对多点光开关的选择端，光开关的另一侧每一端连接一气室，透过气室的光被一光栅反射器反射，反射光经过气室和光开关后再次进入第一只环行器的二端并由三端输出进入第二只环行器的一端，光线由第二只环行器的二端输出至一只反射光栅，反射回的光经第二只环行器由三端输出到第一只探测器作为信号，由光栅透射的光进入第二只探测器作为参考，两探测器将光信号转化成电信号经带通滤波器滤波后送入数据采集系统处理得到待测气体的浓度。能够进行多点测量。
Description
技术领域：
本发明涉及一种煤矿瓦斯的监测装置，具体地说是关于煤矿瓦斯差分吸收式光纤多点监测系统。
背景技术：
瓦斯爆炸是我国煤矿大型事故的主要安全隐患，瓦斯气体在大气中的爆炸下限为4.9％，上限为15.4％[1]，及时检测矿井中的瓦斯浓度，对于煤矿安全生产，人身安全有着重要意义。然而，现有的瓦斯电子传感器存在着容易中毒、对气体的选择性差、易出现误报、系统需要频繁校准、安全性差等缺点，安全生产急需以本征安全、精度高、稳定、容易多点复用为特色的瓦斯传感系统。
光纤瓦斯传感器具有防燃防爆、防电磁干扰、灵敏度高、相应速度快、动态范围大、容易进行长距离信号传输等其他传感器无法比拟的优点，特别适合于环境恶劣的矿井下瓦斯气体的监测。目前，已有报道的光纤瓦斯传感器有以下三种：
一、基于分布反馈激光器谐波检测的光纤多点甲烷检测系统[1，2，3]，这种方案精度高，但分布反馈激光器价格昂贵，谐波检测技术复杂，因此这种技术很难在我国推广应用。
二、采用宽带光源的差分吸收光谱式气体传感器[4]，这种方案精度可达400ppm[5]，完全可以满足煤矿瓦斯检测的精度，它的最大优点在于成本低、技术简单、环境适应性好，但由于目前所用的发光管功率低，因此只用于单点检测。
三、便携式遥感瓦斯探测器[6，7]，它采用正弦波调制技术对瓦斯进行遥感测量，优点是携带方便，但成本高、技术复杂且只能单点测量，无法组成多点监测网络。
参考文献[1]、[2]提出的煤矿瓦斯检测方案是采用分布反馈激光器和谐波检测技术实现光纤多点的瓦斯测量，这种系统虽然检测精度高，可达5ppm，然而这种方案成本高，技术复杂，难以在我国推广应用。
参考文献[4]提出的方案是采用光纤光栅反射两种波长的光λ1、λ2；其中λ1用于检测气体的吸收情况，λ2用作参考光以消除背景变化带来的误差，经过气体吸收池的光经过分波器进入探测器，从而得到λ2，λ1的光强，再经过差分处理得出气体浓度。这种方式光栅的反射波长要与分波器的分光波长精确一致且只能实现单点测量。
参考文献[6，7]所提出的技术是采用正弦波调制技术对瓦斯进行遥感测量，优点是携带方便，但成本高、技术复杂且只能单点测量，无法组成多点监测网络。
发明内容：
本发明的目的是克服现有光纤瓦斯监测系统的不足，提供一种低成本的瓦斯差分吸收式光纤多点监测系统。
本发明的技术方案是按以下方式实现的：用一个确定频率的正弦波信号去调制一只中心波长在瓦斯吸收峰附近的超辐射发光管，超辐射发光管发出的光进入第一只环行器的一端，第一只环行器的二端连接一只一点对多点光开关的选择端，光开关的另一侧每一端连接一气室，透过气室的光被一中心波长在瓦斯的吸收峰、宽度为2nm的光栅反射器反射，反射光经过气室和光开关后再次进入第一只环行器的二端并由三端输出进入第二只环行器的一端，光线由第二只环行器的二端输出至一只中心波长在瓦斯吸收峰、带宽为0.5nm的反射光栅，反射回的光经第二只环行器由三端输出到第一光探测器作为信号，由光栅透射的光进入第二光探测器作为参考，两探测器将光信号转化成电信号经带通滤波器滤波后送入数据采集系统处理得到待测气体的浓度。
附图说明：
图1、是本发明差分吸收式光纤瓦斯多点监测系统的结构示意图。
图2、是调制光源所用的正弦波产生电路。
图3、是信号滤波电路。
具体实施方式：
如附图1所示，差分式光纤瓦斯多点监测系统由正弦波发生电路1、宽带光源2、光纤环行器3、光开关4、气体吸收池5、光栅反射器6、光纤环行器7、波长选择光栅8、第一光探测器9与第二光探测器10、滤波器电路11与数据采集处理系统12组成。其具体实施方式如下：用一个确定频率的正弦波信号去调制一只中心波长在瓦斯吸收峰附近的超辐射发光管2，超辐射发光管2发出的光进入第一只环行器3的一端，第一只环行器3的二端连接一只一点对多点光开关的选择端，光开关的另一侧的每一端连接一只气室5，透过气室5的光被一中心波长在瓦斯的吸收峰、宽度为2nm的光栅反射器6反射，反射光经过气室和光开关后再次进入环行器3的二端并由三端输出进入环行器7的一端，光线由环行器7的二端输出至一只中心波长在瓦斯吸收峰、带宽为0.5nm的反射光栅8，反射回的光经环行器7由三端输出到第一光探测器9，由光栅8透射的光进入第二光探测器10，两探测器将光信号转化成电信号经带通滤波器11滤波后送入数据采集系统12处理得到待测气体的浓度。由数据采集系统输出信号控制光开关依次接通不同的气室，实现多点测量，这种检测系统的精度可以达到400ppm。
附图2显示了正弦波发生电路的电路图，它采用文氏桥振荡方式，经稳压管限幅输出，振荡频率为1K，稳定度在0.1Hz。附图3显示了带同滤波器11的电路图，它采用三只二阶压控电压源带通滤波器构成六阶巴特沃斯滤波器，Q值可以达到30。
本发明的煤矿瓦斯差分吸收式光纤多点监测系统具有以下优点：
采用光开关和环行器实现了用一只光源和两只探测器进行多点测量，降低了成本。采用宽带光源和差分法，具有技术简单、测试精确，参考光与信号光取自同一光源并经同一光路传播，能有效消除光源和背景变化带来的干扰。采用正弦波调制光源、带通滤波器滤除信号外的噪声，具有信噪比高、抗干扰性能好。测量吸收用的信号光和消除背景变化用的参考光取自一只光栅的反射光和透射光，节约了器件，避免了滤波器与光纤反射波长的精确匹配。所有电子与光学器件均采用成熟的商用器件，容易从市场获得。改变光栅的反射波长，可以方便地实现对不同气体或多组分气体的测量。
参考文献：
1.王玉田等，“甲烷气体多点光纤传感系统的研究”，光电工程，31(2004)，21。
2.Sensor and Actuators B，51(1998)，25-37.
3.王书涛等“一种基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感器”，应用光学，25(2004)，44-47。
4.赵浩等“差分吸收式光纤甲烷气体传感器”，公开号，CN1544918A。
5.林枫等，“红外吸收型瓦斯传感器的研究”，激光与光电子学进展，41(2004)，40。
6.Environmental Geology International Journal of Geosciences，Springer-Verlag2004.
7.贾锁堂等，“激光遥感瓦斯探测器”，ZL 03268476.2
Claims (2)
1. 一种煤矿瓦斯差分吸收式光纤多点监测系统，其特征在于：用一个确定频率的正弦波信号去调制一只中心波长在瓦斯吸收峰附近的超辐射发光管(2)，超辐射发光管(2)发出的光进入第一只环行器(3)的一端，第一只环行器(3)的二端连接一只一点对多点光开关(4)的选择端，光开关(4)的另一侧的每一端连接一只气室(5)，透过气室(5)的光被一中心波长在瓦斯的吸收峰、宽度为2nm的光栅反射器(6)反射，反射光经过气室和光开关后再次进入环行器(3)的二端并由三端输出进入环行器(7)的一端，光线由环行器(7)的二端输出至一只中心波长在瓦斯吸收峰、带宽为0.5nm的反射光栅(8)，反射回的光经环行器(7)由三端输出到第一光探测器(9)，由光栅(8)透射的光进入第二光探测器(10)，两探测器将光信号转化成电信号经带通滤波器(11)滤波后送入数据采集系统(12)处理，得到待测气体的浓度。
2. 根据权利要求1所述的煤矿瓦斯差分吸收式光纤多点监测系统，其特征在于：所述光开关(4)在数据采集系统(12)输出信号的控制下，依次接通不同的气室，实现多点测量。
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