CN101251482B - 矿用瓦斯远程光纤激光检测仪 - Google Patents

Abstract

一种矿用瓦斯远程光纤激光检测仪，它包括光源及与之连接的第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器通过第二光纤与第二耦合器串接，第一耦合器通过第四光纤与参考气室连接，从所述参考气室射出的光通过第五光纤与第三光电探测器连接，第二耦合器一路经第三光纤与瓦斯传感器探头连接，另一路经第六光纤与第一光电探测器连接，从瓦斯传感器探头返回的光经第三光纤和第二耦合器后经第七光纤与第二光电探测器连接，第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器与数据采集卡电连接，并将电信号送至计算机。本发明主要用于煤矿瓦斯检测。

Description

矿用瓦斯远程光纤激光检测仪

技术领域

本发明属于矿井瓦斯浓度监测技术，具体而言是应用于矿井的瓦斯远程光纤激光检测仪。

背景技术

由于煤炭是我国最主要的一次能源，煤炭的安全生产直接影响着国计民生的大事，甲烷爆炸历来都是煤矿的重要灾害之一，所以近几年来一直深受国家和社会关注。光纤气体传感器是80年代前后出现的一种新型传感器，光纤瓦斯气体传感器的研究与应用国内外都有出现，许多方法都得到了实验应用。目前，基于光纤光谱吸收技术的瓦斯检测主要有宽带光源窄带滤波法、谐波法、荧光法等。但是这些方法依然存在一些不足之处，制约了传感器的实际应用。

在光纤甲烷气体检测系统的研究这篇文献中提出的系统框图如图1所示：通过中心波长不同的F₁与F₂两个滤光片实现了光源功率的波动消除。但是这种方法有个缺点就是F₁与F₂的差异性，也会造成温度对其产生的影响不能完全消除；滤光片带宽往往比气体吸收线宽很多倍，往往一个滤光片带宽内覆盖几种气体的吸收峰，因此易产生几种气体交叉干扰现象；另外这种方案中，参考气室与测量气室不可能有同步的污染和损耗变化，因此测量结果不准确。

二次谐波法基本原理是将信号分离，有甲烷与无甲烷气体通入时的信号如图2所示，从信号中分离出一次谐波分量可以看作是参考信号，二次谐波分量为气体吸收信号，二者相对变化值便代表了甲烷气体浓度情况。这种方案检测精度高，往往配合锁相放大器等技术使用能够实现高精度的气体检测，但是存在一个缺点是稳定性差，电子电路的温度特性等容易造成结果的温度漂移，激光光源中心波长的温度特性也会导致不能完全解决温度漂移问题，因次无法做成实际可用的可靠仪器来使用。

荧光光源法使用泵浦Tm^³⁺掺杂光纤产生的光来作为检测气体的光源，由于其光源本身不稳定，因此很难做成一个长期稳定监测的瓦斯监测仪器。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种消除温度影响，长期稳定并且具有自参考功能的矿用瓦斯光纤远程检测仪。

本方案是通过如下技术措施来实现的：它包括光源及与之连接的第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器通过第二光纤与第二耦合器串接，第一耦合器通过第四光纤与参考气室连接，从所述参考气室射出的光通过第五光纤与第三光电探测器连接，第二耦合器一路经第三光纤与瓦斯传感器探头连接，另一路经第六光纤与第一光电探测器连接，从瓦斯传感器探头返回的光经第三光纤和第二耦合器后经第七光纤与第二光电探测器连接，第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器与数据采集卡电连接，并将电信号送至计算机。

这种设计不仅使用参考消除了光路传输等影响，还通过连续扫描和自身参考解决了已有检测方法中存在的温度漂移和零点漂移问题，提高了系统受光路损耗和电路漂移影响的抗干扰能力。

本方案的具体特点还有，所述光源为分布反馈式半导体激光器，所述光源驱动电路为锯齿波光源驱动电路。分布反馈式半导体激光器为中心波长1.6um分布反馈式半导体激光器。选取瓦斯在1.6um波长附近的一条气体吸收峰，使用激光进行扫描来检测瓦斯气体浓度。

所述数据采集卡为USB接口多路数据采集卡。计算机通过所述数据采集卡将信号采集至计算机进行分析，数据采集卡通过USB接口连接计算机。

在所述第三光纤与至少一个瓦斯探头之间设置有光开关，通过数据采集卡输出信号控制光开关选择光通道来实现多路检测。

所述瓦斯传感器探头由单端反射式准直器及防尘防潮以及金属保护外壳构成。所述单端反射式准直器包括在固定支架一端的光纤准直器，及另一端与之对应设置反射镜。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知：

1)采用锯齿波连续波长扫描以及自身参考方法解决了温度对检测结果的影响，使系统更加稳定可靠。

2)使用参考气室来寻找瓦斯气体吸收峰中心，从而能够在低浓度下也能够对吸收位置准确定位。

3)单端反射式传感器探头，加长了有效吸收长度，便于布线和传感器小型化因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。

附图说明

图1滤光片法光纤瓦斯气体检测系统框图；图2二次谐波法通气前后信号对比图；图3矿用瓦斯远程光纤激光检测仪系统框图；

图4为单端反射式准直器结构图；

图5为单端反射式准直器侧视图；

图6为不同浓度瓦斯气体吸收信号图；

图中：1、锯齿波光源驱动电路，2、分布反馈激光器，3、第一耦合器，4、第二光纤，5、第二耦合器，6、第三光纤，7、光开关，8、矿用光缆，9、瓦斯传感器探头，10、第四光纤，11、参考气室，12、第三光电探测器，13、第七光纤，14、第二光电探测器，15、第六光纤，16、第一光电探测器，17、数据采集卡，18、计算机，19、第五光纤，20、固定底座，21、反射镜，22、单端反射式准直器，23、光纤准直透镜。

具体实施方式

矿用瓦斯远程光纤激光检测仪原理图如图3，它包括分布反馈式半导体激光器2、耦合器、光开关7、光电探测器、数据采集卡17、计算机18等。分布反馈式半导体激光器2与第一耦合器3相连，第一耦合器3通过第二光纤4与第二耦合器5连接，第一耦合器3通过第四光纤10与参考气室11连接，从参考气室11射出的光通过第五光纤19与第三光电探测器12连接，第二耦合器2一路经第三光纤6经过光开关7与矿用光缆8、瓦斯传感器探头9连接，另一路经第六光纤15与第一光电探测器16连接，从瓦斯传感器探头9返回的光经光开关7、第三光纤6和第二耦合器5后经第七光纤13与第二光电探测器14连接，第一光电探测器16、第二光电探测器14和第三光电探测器12输出的电信号与数据采集卡17连接，并将信号送至计算机18分析处理显示，数据采集卡17输出信号控制光开关7选择光通道实现多路检测。

从分布反馈式半导体激光器(DFB)发出的光通过气体满足Lambert定律：

I＝I₀*exp(-α(λ)LC)            (1)

式中：I₀、I为吸收前和吸收后光强度，

α为被测气体吸收系数，

L为被测气体吸收腔长度，

C为被测气体浓度，

K为损耗系数，

DFB分布反馈式激光器温度恒定下所发出的光与其驱动电流大小近似成线性关系，因此在锯齿波电路的驱动下发出的光类似于可调激光器，扫描频率与驱动电路锯齿波频率相同，本系统使用扫描频率为14Hz。

整个扫描周期扫过一条瓦斯气体吸收线，在吸收峰波长λ₁(吸收最强处)的信号表示为：

I₁＝I₀*exp(-α(λ₁)LC)                (2)

在瓦斯无气体吸收波长λ₂处信号表示为：

I₂＝I₀*exp(-α(λ₂)LC)                (3)

由于本系统中采用了功率的归一化，从而使得I₀(λ₁)＝I₀(λ₂)

由公式2、公式3可得：

$C=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]*L}[\ln \frac{I_0\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I_0\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}-\ln \frac{I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}]$

$=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]*L}\left[\ln \frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}\right]---\left(4\right)$

对公式4中

进行泰勒展开：

$\ln \frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}=-\ln [1+(\frac{I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}-1)]\≈\frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}---\left(5\right)$

因此得出气体浓度公式：

$C=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]*L}\frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)-I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}---\left(6\right)$

由于[α(λ₁)-α(λ₂)]*L是确定值，因此只需要知道

即可得到气体浓度。从公式6可以看出，信号传输过程中的损耗等影响将被抵消，另外由于此系统中(λ₁)、(λ₂)处所对应的瓦斯吸收信号和参考信号都是来自同一光源信号，完全来自同一光路路径，因此同步性非常好，这也正是解决温度对检测稳定性影响的关键所在。

本系统框图如图3所示，光源发出的光经过第一耦合器3，分出一束光透过参考气室11被第三光电探测器12探测到，参考气室11内部充满高浓度瓦斯气体，主要目的是在被测气体浓度不高的情况下也能够准确地定位瓦斯吸收峰中心位置；另外一束光进入第二耦合器5，第二耦合器5分出的光，一束通过光开关7和一段较长光缆8进入放置于煤矿井下的瓦斯传感器探头9，实现远程检测；另外一束光被第一光电探测器16探测到，直接被用作参比消除锯齿波扫描带来的功率变化。瓦斯传感器探头9使用单端反射式准直器22构成，结构如图4所示，激光进入瓦斯传感器探头9，被末端反射镜21反射原路返回，中间两次被被测气体充分吸收。返回的光携带气体吸收信息原路返回至第二耦合器5被第二光电探测器14探测到。计算机18通过A/D数据采集卡17采集到三个输出信号相除消除锯齿波影响之后的信号如图6所示(分别对应三种不同瓦斯浓度)，在第三光电探测器12帮助定位吸收峰位置之后，找出吸收峰与无吸收波长处的相对比例，便能够得到瓦斯浓度。计算机还通过A/D数据采集卡17控制光开关7进行各路信号的切换，从而非常容易地实现了多点探测。

本发明为矿用光纤激光瓦斯气体远程检测仪，其中光源选择使用中心波长为1.6um的分布反馈式半导体激光器(DFB)、耦合器为通讯用1.5um普通光纤耦合器、光缆为通讯常用波长矿用光缆、光电探测器(PD)、光开关(1×8)、数据采集卡(A/D)为采样频率10KHzUSB接口数据采集卡。实验中，首先对探头用几种不同浓度标准瓦斯气体进行标定并把标定结果写入程序中，然后对其通入不同浓度的瓦斯气体进行测试，测试结果与理想值基本吻合。本发明的高性能瓦斯传感器，该光纤瓦斯传感器在煤矿开采以及其他瓦斯监测领域具有很强的应用前景。

Claims (7)

1.一种矿用瓦斯远程光纤激光检测仪，它包括光源及与之连接的第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器通过第二光纤与第二耦合器串接，第一耦合器通过第四光纤与参考气室连接，从所述参考气室射出的光通过第五光纤与第三光电探测器连接，第二耦合器一路经第三光纤与瓦斯传感器探头连接，另一路经第六光纤与第一光电探测器连接，从瓦斯传感器探头返回的光经第三光纤和第二耦合器后经第七光纤与第二光电探测器连接，第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器与数据采集卡电连接，并将电信号送至计算机，所述光源包括分布反馈式半导体激光器和光源驱动电路。

2.根据权利要求1所述的矿用瓦斯远程光纤激光检测仪，其特征是分布反馈式半导体激光器为中心波长1.6um分布反馈式半导体激光器。

3.根据权利要求1或2所述的矿用瓦斯远程光纤激光检测仪，其特征是所述光源驱动电路为锯齿波光源驱动电路。

4.根据权利要求1所述的矿用瓦斯远程光纤激光检测仪，其特征是计算机通过所述数据采集卡将信号采集至计算机进行分析，数据采集卡通过USB接口连接计算机。

5.根据权利要求1所述的矿用瓦斯远程光纤激光检测仪，其特征是在所述第三光纤与至少一个瓦斯传感器探头之间设置有光开关，计算机通过数据采集卡对光开关进行控制。

6.根据权利要求1所述的矿用瓦斯远程光纤激光检测仪，其特征是所述瓦斯传感器探头由单端反射式准直器和金属保护外壳构成。

7.根据权利要求6所述的矿用瓦斯远程光纤激光检测仪，其特征是所述单端反射式准直器包括在固定支架左端设置光纤准直器，右端与之对应设置反射镜。

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