CN100590419C - 新型结点式瓦斯浓度实时监测方法及传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型结点式瓦斯浓度实时监测方法及传感器，使用一个近红外波段DFB半导体激光器，利用甲烷在近红外光谱区的特征吸收，通过单模光纤功率耦合器将激光分成多束，用光纤导入到设置于井下特殊设计的各个光纤气体吸收池，经过气体吸收的激光又通过光纤导出到输入光开关，选择信号通过校准池后入射到激光探测器上，采用波长调制技术和二次谐波检测技术，实现高灵敏、高分辨、无干扰气体、快速响应的瓦斯浓度测量。采用背景光强信号拟合的方法消除了光强波动对测量的影响。

Description

新型结点式瓦斯浓度实时监测方法及传感器

技术领域

本发明属于一种气体的激光光谱测量仪器，具体是一种基于近红外半导体激光吸收光谱法的分布式光纤CH₄气体浓度多路监测仪器。

背景技术

煤炭行业是我国工业生产中伤亡事故最严重的行业，煤矿事故年平均死亡6000人以上，百万吨煤死亡率一直在3.0以上，远高于世界其他主要产煤国，所以有人将中国的煤炭工业称为“生命换来的工业”。从事故类型来看，死亡人数在30人以上的特大事故的主要原因是瓦斯爆炸和瓦斯突出。瓦斯是附存于煤层及周围岩层中有害气体的总称，主要成分为甲烷，具有易燃易爆特性，我国46％的煤矿属于高瓦斯矿，采掘时极易发生瓦斯突出现象。严重的生产安全事故不仅造成了人民生命财产损失，而且影响社会安定，损害国家形象。“瓦斯不治，矿无宁日”是煤矿企业经过无数次惨痛教训后得出的共识。因此，提高我国瓦斯监测系统的可靠性，减少或避免矿井瓦斯爆炸事故是非常迫切的任务，对瓦斯气体浓度进行准确、快速、实时监测和预警是治理瓦斯灾害的有效手段。

目前国内外瓦斯的监测还主要采用化学传感器，这类传感器由于采用化学敏感元件，容易受到表面污染，寿命短，稳定性差，而且存在其它气体的干扰。另外，长时间工作时存在零点漂移和灵敏度的变化，影响了监测系统的可靠性。实现瓦斯检测关键技术的突破已经是目前急需解决的问题。研究用于瓦斯检测研究，发展新一代免维护、抗干扰、高灵敏度的瓦斯检测系统，是目前国际上最新的研究动向。

甲烷是瓦斯的主要成分，约占83-89％，它是一种无色、无味、易燃、易爆气体，瓦斯爆炸发生时矿井中氧气浓度18％以上、瓦斯浓度在5～16％范围之内。另外，甲烷还是一种非常重要的温室气体，地球温室效应的20％是由甲烷引起，等量的甲烷对温室效应的作用是二氧化碳的22倍。准确的监测甲烷的浓度对工矿安全生产、人身安全和环境保护有着十分重要的作用。基于激光光谱技术的气体传感技术，能够实现对气体的高灵敏、高分辨、非接触在线检测，不存在中毒问题，仪器维护量低。利用光纤分布式系统可以使用一套系统实现气体的多路测量。因此，基于激光光谱吸收法的气体检测技术在煤矿井下瓦斯在线监测领域有着重要应用前景。

发明内容

本发明提出了一种新型结点式瓦斯浓度实时监测方法及传感器，使用一个近红外波段DFB半导体激光器，利用甲烷在近红外光谱区的特征吸收，通过单模光纤功率耦合器将激光分成多束，用光纤导入到设置于井下特殊设计的各个光纤气体吸收池，经过气体吸收的激光又通过光纤导出到输入光开关，选择信号通过校准池后入射到激光探测器上，采用波长调制技术和二次谐波检测技术，实现高灵敏、高分辨、无干扰气体、快速响应的瓦斯浓度测量。采用背景光强信号拟合的方法消除了光强波动对测量的影响。

本发明的技术方案如下：

结点式瓦斯浓度实时监测方法，其特征在于是利用1.65μm附近的近红外DFB半导体激光器作为CH₄的检测激光光源，利用激光器温度和电流控制模块将激光器输出中心波长调谐到1.65μm附近CH₄的一条吸收线中心，将低频锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过CH₄气体的吸收线，同时将数千赫兹的正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调谐；通过单模光纤功率耦合器将激光分成多束，用光纤导入到设置于井下的各个气体吸收池，穿过气体吸收池的激光信号又通过光纤导出到输入光开关，光开关出射端口有一个充满一个大气压标准浓度CH₄气体的校准吸收池，用于对检测吸收信号的实时校准；光开关在数据采集、处理和控制模块发出的选通信号作用下顺序地将各束激光信号输出，光开关出射光经过自聚焦准直器准直后穿过校准吸收池，由聚焦透镜聚焦到一个红外光电探测器的光敏面上；探测器信号被分为两路，一路送锁相放大器进行二次谐波信号检测，锁相放大器的参考信号来自于前述正弦波信号；另一路直接送数据采集、处理和控制模块，首先进行数字低通滤波，然后对其作线性拟合作为激光光强信号，锁相放大器输出的二次谐波信号利用拟合光强信号进行归一化处理以消除光强波动对浓度检测的影响，归一化后的二次谐波信号经多次累加平均得到一条检测吸收谱，利用预先保存的校准吸收池吸收信号对检测吸收谱进行最小二乘法拟合并扣除校准吸收池气体浓度得到气体的光程积分浓度，光程积分浓度除以总光程得到光程平均气体浓度。

一种结点式瓦斯浓度实时监测传感器，包括有主机箱，主机箱内安装有电源插座、开关、风扇，数据采集、处理和控制模块，其特征在于主机箱内安装有波长在1.65μm附近的半导体DFB激光器及半导体DFB激光器的温度和电流控制模块，锯齿波、正弦波信号发生电路，激光器的尾纤输出通过连接法兰耦合入1×N单模光纤耦合器，1×N单模光纤耦合器的各个信号光输出端口分别通过单模光纤接入多个气体吸收池，从各个气体吸收池分别引出多个单模光纤接入1×N光开关的各个输入端，1×N光开关的出射端口前方安装有聚焦准直器、充满一个大气压标准浓度CH₄气体的校准吸收池，校准吸收池后依次安装有聚焦透镜和红外光电探测器，红外光电探测器信号被分为两路，一路接入锁相放大器，另一路接入数据采集、处理和控制模块；

气体吸收池结构如下：

包括有一个玻璃槽，玻璃槽的两端分别固定有输入、输出自聚焦透镜，接入气体吸收池的单模光纤和引出气体吸收池的单模光纤分别接在输入、输出自聚焦透镜的端面上。

新型结点式瓦斯浓度实时监测传感器，其特征在于所述的玻璃槽上盖有透气薄膜。

本发明利用最新的近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术和分布式光纤技术实现对煤矿井下CH₄浓度的实时、多光路遥测，利用可调谐半导体激光吸收光谱技术高分辨特点消除了环境空气中其它气体成分的干扰，从技术上克服了传统点式仪器响应速度慢、易受干扰、易中毒、寿命短、稳定性差、不能实现连续实时监测以及成本高等缺点，利用一套系统实现多光路多点监测，降低了大范围气体监测的系统成本，对CH₄浓度的检测限低于96ppm，满足了煤矿工业环境安全监测的需要，并且矿井下没有带电设备，真正实现了对矿井瓦斯的安全、高灵敏、大范围、实时在线监测。

图1是本发明结构示意图。

图2是气体吸收池结构示意图。

具体实施方式

参见图1、图2。

图中标号：1、主机箱，2、井下部分，3、主电源开关，4、半导体激光温度电流控制模块，5、信号发生电路，6、近红外DFB半导体激光器，7、1×N(N 1～64可选，由激光器功率和要求测量的点数确定)路单模光纤耦合器，8、输出光纤连接器，9、输入光纤连接器，10、总电源插座，11、风扇，12、直流稳压电源，13、输入1×N光开关，14、输入1×N光开关驱动电路，15、自聚焦透镜准直器，16、校准吸收池，17、聚焦透镜，18、红外光电探测器，19、锁相放大器，20、数据采集、处理和控制模块，21、液晶显示屏。上述所涉及的部件均是安装在机箱1上。22、输出单模光纤，23、气体吸收池，24、输入单模光纤，25、V型槽，26、输出自聚焦透镜，27、5cm长光学路径，28、PTEE隔膜29、输入自聚焦透镜，30、抗震外盒。

本发明采用中心波长为1.65um附近的近红外DFB半导体激光器6作为CH₄的检测激光光源，利用激光器温度和电流控制模块4将激光器输出中心波长调谐到1.65um附近CH₄的一条吸收线中心，信号发生电路5产生的低频锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过CH₄气体的吸收线，信号发生电路5同时产生数千赫兹正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调谐。激光器的尾纤输出首先通过连接法兰耦合入1×N单模光纤耦合器7，1×N单模光纤耦合器7的N个输出信号通过单模光纤传输到外检测光路2，外检测光路即气体吸收池系统，信号光穿过吸收池23后由单模光纤24传输回主机系统。N路返回光信号通过主机箱的光纤连接器9与输入1×N光开关13的N个输入端连接，光开关13在数据采集、处理和控制模块20发出的选通信号作用下顺序地将各检测光路的返回光信号输出。光开关13出射端口有一个充满一个大气压标准浓度CH₄气体的10cm校准吸收池16，用于对检测吸收信号的实时校准。光开关13出射光经过自聚焦准直器15准直后穿过校准吸收池16，由聚焦透镜17聚焦到一个红外光电探测器18的光敏面上。探测器信号被分为两路，一路送锁相放大器19进行二次谐波信号检测，锁相放大器19的参考信号来自于信号发生电路5产生的正弦调制信号。另一路直接送数据采集、处理和控制模块20，首先进行数字低通滤波，然后对其作线性拟合作为激光光强信号，锁相放大器19输出的二次谐波信号利用拟合光强信号进行归一化处理以消除光强波动对浓度检测的影响。归一化后的二次谐波信号经多次累加平均得到一条检测吸收谱，利用预先保存的校准吸收池16吸收信号对检测吸收谱进行最小二乘积拟合并扣除校准池气体浓度得到气体的光程积分浓度，或除以总光程得到光程平均气体浓度。

Claims (3)

1、结点式瓦斯浓度实时监测方法，其特征在于是利用1.65μm附近的近红外DFB半导体激光器作为CH₄的检测激光光源，利用激光器温度和电流控制模块将激光器输出中心波长调谐到1.65μm附近CH₄的一条吸收线中心，将低频锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描过CH₄气体的吸收线，同时将数千赫兹的正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调谐；通过单模光纤功率耦合器将激光分成多束，用光纤导入到设置于井下的各个气体吸收池，穿过气体吸收池的激光信号又通过光纤导出到输入光开关，光开关出射端口有一个充满一个大气压标准浓度CH₄气体的校准吸收池，用于对检测吸收信号的实时校准；光开关在数据采集、处理和控制模块发出的选通信号作用下顺序地将各束激光信号输出，光开关出射光经过自聚焦准直器准直后穿过校准吸收池，由聚焦透镜聚焦到一个红外光电探测器的光敏面上；探测器信号被分为两路，一路送锁相放大器进行二次谐波信号检测，锁相放大器的参考信号来自于前述正弦波信号；另一路直接送数据采集、处理和控制模块，首先进行数字低通滤波，然后对其作线性拟合作为激光光强信号，锁相放大器输出的二次谐波信号利用拟合光强信号进行归一化处理以消除光强波动对浓度检测的影响，归一化后的二次谐波信号经多次累加平均得到一条检测吸收谱，利用预先保存的校准吸收池吸收信号对检测吸收谱进行最小二乘法拟合并扣除校准吸收池气体浓度得到气体的光程积分浓度，光程积分浓度除以总光程得到光程平均气体浓度。

2、一种结点式瓦斯浓度实时监测传感器，包括有主机箱，主机箱内安装有电源插座、开关、风扇，数据采集、处理和控制模块，其特征在于主机箱内安装有波长在1.65μm附近的半导体DFB激光器及半导体DFB激光器的温度和电流控制模块，锯齿波、正弦波信号发生电路，激光器的尾纤输出通过连接法兰耦合入1×N单模光纤耦合器，1×N单模光纤耦合器的各个信号光输出端口分别通过单模光纤接入多个气体吸收池，从各个气体吸收池分别引出多个单模光纤接入1×N光开关的各个输入端，1×N光开关的出射端口前方安装有聚焦准直器、充满一个大气压标准浓度CH₄气体的校准吸收池，校准吸收池后依次安装有聚焦透镜和红外光电探测器，红外光电探测器信号被分为两路，一路接入锁相放大器，另一路接入数据采集、处理和控制模块；

气体吸收池结构如下：

包括有一个玻璃槽，玻璃槽的两端分别固定有输入、输出自聚焦透镜，接入气体吸收池的单模光纤和引出气体吸收池的单模光纤分别接在输入、输出自聚焦透镜的端面上。

3、根据权利要求2所述的结点式瓦斯浓度实时监测传感器，其特征在于所述的玻璃槽上盖有透气薄膜。

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