CN101319989A - 气体浓度检测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种用于检测环境中气体浓度的传感器系统中的传感单元，包括：光学头，其包括两端开口的柱形中空部件和设置在其中的准直器，柱形中空部件的一端连接光纤；柱形筒，其一端与光学头的另一端耦合；多个形成在柱形筒侧壁上的气孔；以及至少一个反射装置，其位于柱形筒内，用于反射光束以使光束射向并通过准直器而重新进入光纤，其中，准直器将由光纤传输的光束耦合入柱形筒，以使光束平行于柱形筒的轴向。本发明还包括用于检测环境中气体浓度的传感器系统和利用上述传感器系统检测环境中的气体浓度的方法。

Description

气体浓度检测方法及其装置

技术领域

本发明涉及用于检测环境中的气体浓度的方法及装置，尤其涉及基于光谱学原理检测环境中易燃易爆气体的浓度的方法及装置。

背景技术

易燃易爆气体，如甲烷，历来是煤矿等的重要灾害之一，及时检测所述气体的浓度对于环境安全及人身安全都是非常重要的。

目前检测瓦斯气体的一种方法基于催化燃烧，该方法在存在其它气体和湿度变化时非常容易出现误差，并且由于其自身的测量原理而难于测量高浓度的气体。在另一种气体浓度检测方法中，使用基于光谱学原理的传感器，相比于常规的电离和电化学气体传感器，其具有灵敏度高、响应速度快、测量范围大、不受其它气体干扰等优点，且没有载体催化型传感器中存在的“中毒”等缺陷，因而成为今后气体传感器的发展方向。

中国发明专利200510112136.2公开了一种红外半导体激光吸收式瓦斯气体检测方法及其装置，其中将红外激光射入与矿内瓦斯现场连通的谐振气室，并使其发生谐振，然后通过气室内的红外吸收式气体传感器将测试信号经光电转换后传输给信号处理端，从而获得气体浓度。在该发明中，谐振腔起到了多次反射光路而增加光程的作用，从而可以减小整个检测装置的尺寸，但是谐振腔的制造安装较为复杂，成本较高，其中的光线谐振不可精确控制，即不可精确控制总光程，从而会影响测量精确度，另外，光电转换装置、信号处理装置等装置靠近或位于测量现场，容易引起高浓度甲烷气体等易燃易爆气体发生爆炸，存在安全隐患。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的缺陷，旨在提供一种结构更简单、成本更低、精度更高、安全性更有保障的基于光谱吸收的气体浓度检测方法及其装置。

本发明的一个方面包括一种用于检测环境中气体浓度的传感器系统中的传感单元，包括：光学头，其包括两端开口的柱形中空部件和设置在其中的准直器，所述柱形中空部件的一端连接光纤；柱形筒，其一端与所述光学头的另一端耦合；多个形成在所述柱形筒侧壁上的气孔；以及至少一个反射装置，其位于所述柱形筒内，用于反射所述光束以使所述光束射向并通过所述准直器而重新进入所述光纤，其中，所述准直器将由所述光纤传输的光束耦合入所述柱形筒，以使所述光束平行于所述柱形筒的轴向。

本发明还包括一种用于检测环境中气体浓度的传感器系统，包括至少一个上述传感单元，所述传感器系统还包括监控中心，其包括如下装置：光源，用于发射波长对应于待测气体的吸收带的光束；电子处理装置；以及环行器，其连接第一、第二和第三光纤，所述环行器通过第一光纤接收来自所述光源的光束、通过第二光纤将从第一光纤传输至环行器的所述光束传输给所述传感单元、以及通过第三光纤将从所述第二光纤返回至环行器的所述光束传输给电子处理装置。其中所述第二光纤通过快速光学开关和多路复用器级连多个传感单元。

本发明还包括一种利用上述传感器系统检测环境中的气体浓度的方法，包括以下步骤：将所述传感单元置于含待检测气体的环境中；从所述光源发出光束，所述光束具有基本对应于待测气体的吸收带的波长；通过所述第一光纤将所述光束传输到所述环行器；通过所述第二光纤将通过第一光纤传输至所述环行器的光束传输到传感单元中；通过所述第三光纤将通过第二光纤返回至所述环行器的所述光束传输给电子处理装置进行处理，从而获得气体浓度。其中通过快速光学开关和多路复用器将多个传感单元级连到所述第二光纤。

在根据本发明的方案中，仅通过一根光纤在监控中心和传感单元之间传输信号，在待测气体附近没有电连接，因此消除了点燃易燃易爆气体的隐患，并且可以实现远程检测，装置可靠性高并抗电磁辐射；本发明中的传感单元对光程的精确控制、以及光纤传导的低损耗提供了更好的测量精度、灵敏度以及信噪比；本发明的传感单元的结构简单，容易制造，并且与传导光纤的连接也足够简单，这大大降低了本发明的成本；同时本发明的传感单元的特别结构允许其尺寸进一步减小，更实现了小型、便携的要求。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的用于传感器系统中的传感单元的结构示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的用于传感器系统中的传感单元内的反射装置的示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的用于传感器系统中的传感单元的结构示意图。

图4是根据本发明一个实施例的用于检测甲烷气体浓度的传感器系统的结构示意图；

图5是用于检测气体在多个位置的浓度分布的网状传感器系统的示意图；以及

图6是根据本发明一个实施例的用于检测甲烷气体浓度的传感器系统的测量结果曲线图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的实施例。应当理解，这些实施例只是说明性的，而不是限制性的，本发明还包括本领域技术人员根据本发明而可以想到的其它修改、替换、组合等。

本发明基于如公式(1)所示的Beer-Lambert定律检测气体浓度，

I(v)＝I₀(v)exp{-α(v)LP_气体}    (1)

其中I(v)表示波数为v的光波的出射光光强，I₀(v)表示入射光光强，L是光通过气体的有效光程，α(v)表示光吸收系数，P_气体表示气体的分压(atm)。从而，通过测量光以一定光程通过气体之后的出射光强，即可以根据上述Beer-Lambert定律测得气体的浓度。

图1示出了传感单元的一个实例的结构示意图。如图1所示，该传感单元101包括：光学头102，其包括两端开口的柱形中空部件和设置在其中的准直器103，柱形中空部件的左端连接光纤107、右端与柱形筒105的左端整体形成，所述柱形筒105的右端可以是封闭的；多个穿透所述柱形筒105的侧壁的气孔104，其使得将被检测的气体可以自由进入所述筒，气孔104不限定于特定形状和分布，只要其在保证传感单元的机械强度的同时可以允许足够的气体进入筒即可，例如，气孔104可以是圆形、椭圆形或者长条形或者其它规则或不规则的形状；以及，反射镜106，其可以为镜片或例如，金涂层或其它反射性材料的涂层，反射镜106被设置在所述柱形筒内与准直器103相对的一端，用于将所述光束沿所述柱形筒的轴向反射回所述准直器103并使其通过所述准直器103重新进入所述光纤107。所述准直器103可以为例如梯度折射率透镜，其用于将由所述光纤107传输的光耦合入所述柱形筒105以使其平行于所述柱形筒的轴向，当然也可以采用其它形式的准直器。

在测量不同浓度的气体的情况下，根据Beer-Lambert定律可以得出，浓度越低的气体，适宜使用越长的光程来测量，反之亦然。在该实施例中，由于光线在传感单元中经过了一次反射，因此有效光程是柱形筒长度的两倍。为了增加有效光程，可以通过改变柱形筒的长度实现。例如可以将柱形筒设置为长度可调的构造，以更方便地直接适用于不同浓度的气体测量，从而可以进一步提高精度。所述构造例如可以是自动的或手动的多层套管的机械构造，套管与套管的重叠必须确保与外界连通的气孔的通畅，并且设置准直器及反射镜，使光线在对应于直径最小的套管的截面内传输，以防止光线在套管内射到管壁上而损耗。当然，本发明并不限于此，本领域技术人员可以想到多种其它方式，例如，可以通过螺钉螺母装置连接多个套管而增加套管的总长度。

图2示出了本发明的另一个实施例。如图2所示，传感单元的构造与图1所示实施例基本相同，不同之处在于，在传感单元内部设置了多个反射镜，以进行多次反射，从而进一步增加光程。如图2所示，在柱形筒内部成角度设置反射镜206、206’和206”，使得光线经过三次反射后又射回准直器，这种设置可以进一步减小传感单元的长度。当然，根据柱形筒的长度不同可以考虑设置不同数量的反射装置，以达到增加有效光程的目的。根据实际应用的需要，传感单元的长度可以为20mm至150mm，内径为4-6mm，外径为5-8mm，稍大的直径有助于增大传感单元的强度。这样尺寸的传感单元小巧轻便，便于携带，也便于操作使用。

图3示出了本发明的另一个实施例。在该实施例中，传感单元的构造与上述两个实例基本相同，不同之处在于，光学头与柱形筒是两个分离的部件，柱形筒被可拆卸地接合在光学头上。如图3所示，柱形筒305和光学头302通过连接端308相连。图3的右侧示出了连接端308的截面图。在该实例中，光学头302和柱形筒305在彼此相对的端部都具有径向延伸超出柱形筒边缘的连接端片，在连接端片上大于柱形筒半径的圆周上等间隔地设置若干个螺孔309，通过螺钉螺母装置穿过所述螺孔309将两个连接端片接合在一起，从而将柱形筒305与光学头302接合在一起。这样，可以准备不同长度的柱形筒，在不同情况下通过卸下已有的柱形筒，而灵活地更换为更合适的柱形筒来达到携带方便而又可以根据不同应用情况而增加或减少有效光程的目的。当然，对于可拆卸地接合柱形筒与光学头，本领域技术人员可以想到其它多种方式，因此本发明并不限于这里所述的方式。

由于传感单元用于地下矿井等苛刻的环境中，为了使传感单元更加稳定耐用，使用耐待测气体腐蚀的材料制成传感单元，例如在测量甲烷气体的情况下使用不锈钢。在例如矿井的环境中还充满了灰尘和水蒸气，为了保护传感单元中的光学元件不受污染以使测量精度更高，还可以在传感单元上涂敷防水膜或防尘防湿涂层，例如在本发明中使用热塑性聚氨酯(TPU)型防水膜。在所述膜或涂层外还可以覆有用于进一步防尘的微孔金属膜，其中所述膜、涂层和微孔金属膜都允许空气自由透过，例如，所述膜具有5000g/m²/24小时至10000g/m²/24小时的气体通过率。另外，通过在准直器上涂敷增透层，以及使用成角度抛光连接器(APC)进行光纤连接，可以显著降低干涉噪音，从而增大测量精度。

下面参照附图，以对甲烷气体的浓度进行检测为例描述本发明的传感器系统，但是本发明并不限于检测甲烷的气体的浓度，而是还可以检测其它各种易燃易爆气体的浓度，如C₃H₈、C₂H₄等。众所周知，甲烷的吸收谱线覆盖中红外区(波长约为3微米)和近红外区(约1.33微米和1.66微米)。由于在近红外区的光源比较容易从市场获得，因此通常选择近红外区的谱线来测量甲烷气体的浓度，在本发明中优选1.66微米的谱线，因为其吸收系数较大，谱线更宽，并且1.33微米谱线与水的吸收线重合，使用1.66微米的谱线更有利于排除测量现场中存在的水对测量结果的影响。

图4示出了根据本发明优选实施例的用于检测甲烷气体浓度的传感器系统。该系统利用例如分布反馈(DFB)型半导体激光器作为光源，但本发明并不限于使用DFB激光器，而是可以使用其它任何合适的激光器，例如二极管激光器。DFB激光器的频率可以通过调节温度或电流来调节，在本发明中，通过调节该激光器的输入电流而正弦调节该激光器的频率(波长)，以发出近红外激光束。通过光纤411将激光束传输到三端环行器，三端环行器的另外两端分别通过光纤连接到根据本发明的传感单元401和电子处理装置412，这里使用的光纤为单模低损耗光纤。传感单元401被置于含待测气体的环境中，并与环境连通，从而在传感单元中充满待测气体，当光束进入传感单元且随后射出传感单元之后，传感单元中的气体对相应谱线的光进行了吸收。环行器用于允许在单个光纤407中多路传输射入和返回的光束，射入传感单元的光束经反射后射出并再次进入光纤407，并到达环行器。环行器将从传感单元返回的光束通过光纤传输到电子处理装置中的光电检测器，在此处利用光电二极管将光信号转换为电信号，并利用前置放大器放大所述电信号。光电检测器连接到处理电路，在此处从所述电信号获得测量数据，其中，为了增加信噪比，可以使用例如差分检测、频率调制等公知技术。最后利用嵌入式计算装置从处理电路获取数据并进行数字处理，从而计算出甲烷气体的浓度并显示该浓度。在必要时，根据计算获得的甲烷气体浓度值，可以触发警报。

从图4可以看出，该系统中放入测量现场的部件可以只是光纤407和传感单元401，同时，图中的其它部件可以都设置在远离测量现场的监控中心410中，由于光纤407采用单模低损耗的光纤，因此可以实现远程检测，并且其中的电子处理装置位于远离测量现场的监控中心410中，这大大加大了安全性，另外，该系统在测量现场进行的操作简单易行，也大大降低了检测成本。

所述系统可以变化为连接多个位于不同位置的传感单元，从而可以检测一片区域的气体浓度分布。如图5所示，其中示出了一种网状传感器系统，用于在多个位置同时测量气体的浓度分布。在图5所示的网状传感器系统中，监控中心510同样可以包括光源、环行器以及计算装置，该监控中心可以通过快速光学开关和多路复用器级连多个传感单元。从而如图5所示，多根用于连接传感单元501的光纤507上可以串联或并联多个传感单元，从而可以覆盖大范围区域并提供增加的信息。所述光学开关具有微秒级的速度，其连续扫描连接到各个位置的多个传感单元的光纤。所述多路复用器例如为，波长分割多路复用器(WDM)、时间分割多路复用器(TDM)或空间分割多路复用器(SDM)，这是本领域技术人员所公知的。例如，在光源是脉冲激光的情况下，时间分割多路复用器可以是这样的装置，其中通过在各个传感单元与所述光纤的连接之间再连接不同长度的光纤，而不同程度地延长传输时间，从而达到分时传输的目的。

在本发明的浓度检测系统及系统网络中，还可以使用：例如二极管激光器的激光源、例如Fabry-Perot激光器的可调激光源或例如放大自发辐射光源(ASE)、发光二极管(LED)或超发射发光二极管(SLED)的宽带光源，所述可调激光源和宽带光源需结合带宽小于1nm的窄带滤光器。通过选择与待测气体的吸收带对应的波长，从而可以监测其它易燃易爆气体，例如C₃H₈、C₂H₄、C₂H₂、CO、CO₂、O₂、和H₂S中的一种或多种。

在使用二极管激光器测量CH₄气体浓度的情况下，相关于近红外谱带的振动分支，R支和P支相比于Q支具有窄得多的谱线宽度，从而要求更小的调谐范围，很好地匹配了二极管激光器的电流调谐，因此，本发明优选采用波长在1645nm的R(6)振动线进行操作，同时由于该谱线远离水蒸汽的吸收带，从而还可以排除测量现场中的水蒸气对测量结果的干扰。因此，该谱线的选择增强了本发明传感器系统的灵敏度。

在具体操作中，二极管激光器的输出波长可以由工作温度和输入电流共同确定。通常保持温度恒定而扫描输入电流。在本发明中，通过精调激光器的温度和输入电流，将二极管激光器的发射波长集中在CH₄的R(6)吸收线附近。在该情况中，将温度保持在预设的工作温度，利用给定的调节振幅以给定的频率周期性地调节输入电流。其中的一个激光模式在每次扫描中将扫过所述吸收线。为了便于信号处理，将吸收模式调节为与调制信号的最小电流点一致，从而，在吸收带以外的光信号将非常强以至于充满处理电路并形成背景噪声。利用本领域技术人员公知的噪声抑制技术消除该背景噪声，从而获得对由计算机记录的吸收信号的准确而高精度的测量。

图6示出了利用根据本发明的系统测得的光吸收强度与甲烷气体浓度的关系的曲线图，并示出了根据Beer-Lambert定律绘出的指数图，图中虽然只示出了低浓度的情况，但是本发明已经证实适用于检测0-100％的全范围的气体浓度。从图6中可见，根据本发明的系统对气体浓度的测量与理论值基本符合，在该情况中，可检测的最低浓度比率为0.1％，精度达到0.01％，可见本发明的精确度非常高。

虽然已经在优选实施例中说明了本发明的基本新颖特征，但是应当理解，在不脱离本发明的精神下，本领域技术人员可以对所述的装置和方法的形式和细节进行多种修改、省略或替代等。

Claims (24)

1.一种用于检测环境中气体浓度的传感器系统中的传感单元，包括：

光学头，其包括两端开口的柱形中空部件和设置在其中的准直器，所述柱形中空部件的一端连接光纤；

柱形筒，其一端与所述光学头的另一端耦合；

多个形成在所述柱形筒侧壁上的气孔；以及

至少一个反射装置，其位于所述柱形筒内，用于反射所述光束以使所述光束射向并通过所述准直器而重新进入所述光纤，

其中，所述准直器将由所述光纤传输的光束耦合入所述柱形筒，以使所述光束平行于所述柱形筒的轴向。

2.根据权利要求1的传感单元，其中所述柱形筒可拆卸地接合在所述光学头上，且所述柱形筒的长度恒定。

3.根据权利要求1的传感单元，其中所述柱形筒与所述光学头整体形成，且所述柱形筒的长度恒定。

4.根据权利要求1-3之一的传感单元，其中所述反射装置由三个分离的反射镜构成，其中一个所述反射镜被成角度地设置在所述柱形筒的靠近准直器的一端、并与所述准直器在径向上隔开，另外两个所述反射镜被成角度地设置在所述柱形筒的与所述光学头相对的一端并在径向上彼此隔开，从而使得所述光束在经过所述三个反射镜的反射后射回所述准直器。

5.根据权利要求1的传感单元，其中所述柱形筒与所述光学头整体形成，且所述柱形筒的长度可以自动或手动调节。

6.根据权利要求1-3和5中的任一项的传感单元，其中所述柱形筒的外壁上涂敷有防水膜或防尘防湿涂层，所述膜和涂层允许空气自由透过。

7.根据权利要求4的传感单元，其中所述柱形筒的外壁上涂敷有防水膜或防尘防湿涂层，所述膜和涂层允许空气自由透过。

8.根据权利要求6的传感单元，其中所述膜或涂层外还覆有用于进一步防尘的微孔金属膜，所述微孔金属膜允许空气自由透过。

9.根据权利要求7的传感单元，其中所述膜或涂层外还覆有用于进一步防尘的微孔金属膜，所述微孔金属膜允许空气自由透过。

10.根据权利要求1-3、5和8中任一项的传感单元，其中所述反射装置为设置在所述柱形筒内的与所述光学头相对的一端的反射镜面。

11.根据权利要求6的传感单元，其中所述反射装置为设置在所述柱形筒内的与所述光学头相对的一端的反射镜面。

12.一种用于检测环境中气体浓度的传感器系统，包括至少一个根据权利要求1-11之一的传感单元，所述传感器系统还包括监控中心，所述监控中心包括：

光源，用于发射波长对应于待测气体的吸收带的光束；

电子处理装置；以及

环行器，其连接第一、第二和第三光纤，所述环行器通过第一光纤接收来自所述光源的光束、通过第二光纤将从第一光纤传输至环行器的所述光束传输给所述传感单元、以及通过第三光纤将从所述第二光纤返回至环行器的所述光束传输给电子处理装置。

13.根据权利要求12的传感器系统，其中所述第二光纤通过快速光学开关和多路复用器级连多个传感单元。

14.根据权利要求12或13的传感器系统，其中所述气体是易燃易爆的气体，包括CH₄、C₃H₈、C₂H₄、C₂H₂、CO、CO₂、O₂、和H₂S中的一种或多种。

15.根据权利要求12或13的传感器系统，其中所述光源选自于如下一种或多种：二极管激光器、DFB激光器、带有窄带滤光器的Fabry-Perot激光器、以及带有窄带滤光器的宽带光源，所述窄带滤光器具有小于1nm的带宽、并且其通过的光的波长对应于待测气体的吸收带。

16.根据权利要求15的传感器系统，其中所述宽带光源是选自于发光二极管、超发射发光二极管和放大自发辐射光源中的一种或多种。

17.根据权利要求15的传感器系统，其中在使用二极管激光器检测CH₄气体的浓度的情况下，选择1645nm的谱线进行测量。

18.根据权利要求12或13的传感器系统，其中所述电子处理装置包括：

光电检测器，其包括

光电二极管，其用于将光信号转换为电信号，和

前置放大器，用于放大所述电信号；

处理电路，用于从所述电信号获得测量数据；以及

计算装置，用于数字处理来自所述处理电路的数据，并根据Beer-Lambert定律计算出气体浓度。

19.一种利用根据权利要求12-18之一的传感器系统检测环境中的气体浓度的方法，包括以下步骤：

将所述传感单元置于含待检测气体的环境中；

从所述光源发出光束，所述光束具有基本对应于待测气体的吸收带的波长；

通过所述第一光纤将所述光束传输到所述环行器；

通过所述第二光纤将通过第一光纤传输至所述环行器的光束传输到传感单元中；

通过所述第三光纤将通过第二光纤返回至所述环行器的所述光束传输给电子处理装置进行处理，从而获得气体浓度。

20.根据权利要求19的检测环境中的气体浓度的方法，其中通过快速光学开关和多路复用器将多个传感单元级连到所述第二光纤。

21.根据权利要求19或20的检测环境中的气体浓度的方法，其中所述气体是易燃易爆的气体，包括CH₄、C₃H₈、C₂H₄、C₂H₂、CO、CO₂、O₂、和H₂S中的一种或多种。

22.根据权利要求19或20的检测环境中的气体浓度的方法，其中所述光源选自于如下一种或多种：二极管激光器、DFB激光器、带有窄带滤光器的Fabry-Perot激光器、带有窄带滤光器的宽带光源，所述窄带滤光器具有小于1nm的带宽、并且其通过光波长对应于待测气体的吸收带。

23.根据权利要求22的传感器系统，其中所述宽带光源是选自于发光二极管、超发射发光二极管和放大自发辐射光源中的一种或多种。

24.根据权利要求22的检测环境中的气体浓度的方法，其中在使用二极管激光器检测CH₄气体的浓度的情况下，选择1645nm的谱线进行测量。

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