CN103076295B - 多组分气体光纤传感网络 - Google Patents

Abstract

一种多组分气体光纤传感网络。包括微处理器1、1×4光开关、4种不同波长DFB激光器、光电二极管、2个RS232转光纤器件、信号处理电路、微处理器2、2个1×N光开关和N个传感探头。其应用是：微处理器1通过RS232转光纤器件与微处理器2通信，控制两个1×N光开关同步切换，使1#光纤和2#光纤与传感探头1两端光纤连通，同时，1×4光开关切换依次让不同波长DFB激光器发出的激光光谱分时进入到1#光纤送达传感探头1，由2#光纤接收气体浓度信息光信号送回处理分析，实现传感探头1处对多种气体浓度的检测。然后依次循环切换至各个探头处进行多种气体浓度检测。本发明适用于易燃易爆环境下多组分气体检测，经济性好。

Description

多组分气体光纤传感网络

技术领域

本发明属于气体浓度检测技术领域，具体是一种多组分气体光纤传感网络，适用于工业环境中多种气体浓度的实时检测。

技术背景

工业生产过程中所排放的有毒有害、易燃易爆气体，对环境污染和生产安全造成严重的威胁，为了尽可能地减轻这一危害，就必须对多种气体进行实时检测，及时掌握这些气体的泄漏、排放和分布情况，并采取有效的控制措施。

现有的气体浓度检测技术种类很多，传统的电化学气体浓度测量方法存在寿命短、精度低、响应慢、稳定性差、调校困难及对气体选择性差等缺点，而且传感器自身带电，在易燃易爆等工业环境中应用时存在安全隐患。光学气体传感技术是一种新兴的气体检测技术，该技术利用气体的光学特性来检测气体浓度，按机理可划分为：荧光型、折射率变化型、倏逝场型、光声光谱型和光谱吸收型，其中光谱吸收型与其他方式相比，具有很高的测量灵敏度，极高的气体鉴别能力和快速的响应能力等优点。

可调谐激光吸收光谱技术是目前应用最为广泛的一种光谱吸收型气体检测技术，其是利用半导体激光器可调谐和窄线宽的特性，使激光器波长扫描通过目标气体的吸收峰，由探测得到的气体高分辨吸收谱线并利用郎伯比尔（Beer-Lambert）定律推算出待测气体浓度。与传统传感器相比，可调谐激光吸收光谱技术结合光纤传感技术可使无源检测探头与有源仪表分离实现无源布置，具有灵敏度高、鉴别能力强、抗电磁干扰、本质安全等优点，可实现多点远程测量，代表了气体检测技术发展的方向。

然而，由于检测不同气体需要不同波长的激光器，因此现有光纤气体传感器多独自成系统，即检测不同气体使用不同的传感探头，而且自享一套信号处理系统，这种分离式的检测方法不具备经济性，而且安装现场复杂，不利于现场的简易化、规模化。特别是在复杂工况环境下（如煤矿井下），多种气体各自传感检测的操作难度大，多点、远距离传输检测更是加大了前期的投入成本（如铺设数量众多的光缆）和后期的管理难度（如传感器的调校维护）。因此开发高集成度，多种气体一体化测量的光纤传感网络显得意义重大，而且具有非常高的经济效益和实用性。

发明内容

本发明的目的是：提供一种多组分气体光纤传感网络，实现多种气体一体化测量，简化多点、多种气体传感检测系统的复杂度，提高多点、多种气体检测的系统共享度，实现多种气体传感的集约性、经济性。

本发明所采用的技术方案是：

一种多组分气体光纤传感网络，它由气体检测模块、光开关控制模块和传感探头网络三部分组成；所述的气体检测模块包括微处理器1、1×4光开关、4种不同波长DFB（分布反馈式半导体）激光器、光电二极管、1个RS232转光纤器件1和信号处理电路，所述的光开关控制模块包括1个RS232转光纤器件2、微处理器2和2个1×N光开关，所述的传感探头网络有N个传感探头布置在监测现场；其中微处理器1一个接口接4种不同波长DFB激光器，一个接口接1×4光开关，微处理器1由3#光纤通过RS232转光纤器件1及RS232转光纤器件2与微处理器2通信，4种不同波长DFB激光器连接1×4光开关并由1#光纤与1个1×N光开关连通后再通过N芯光缆接N个传感探头一端，N个传感探头另一端由2#光纤通过另1个1×N光开关与光电二极管通信，信号处理电路输入端接光电二极管，输出端接微处理器1，微处理器1接有显示器，微处理器2输出端接2个1×N光开关。

本发明的一种多组分气体光纤传感网络的应用方法，首先，微处理器1通过RS232转光纤器件2与微处理器2通信，控制两个1×N光开关同步切换，使得1#光纤和2#光纤与传感探头1两端光纤连通，同时，控制1×4光开光切换，依次让不同中心波长DFB激光器发出的激光光谱分时进入到1#光纤，送达传感探头1，并由2#光纤接收带有气体浓度信息的光信号，传送回气体检测模块进行处理分析，从而实现在传感探头1处对多种气体浓度的检测；然后，微处理器1发出命令给微处理器2控制两个1×N光开关切换至传感探头2，进行多种气体浓度检测；如此，依次循环进行各个探头处多种气体（CO，CO₂，CH₄，C₂H₂）的浓度检测。

本发明中传感探头网络中的传感探头为空腔圆柱结构，其空腔为气室，两端部各有1个透气孔，传感探头两端装有光纤准直器用以实现光路的准直以及气室与光纤的耦合，在准直器的前端插有斜8°的玻璃窗，在两个透气孔的端部加有两个方向相反的导气栅将气流引入气室内部。

本发明中气体检测模块主要实现3个功能：①驱动检测不同气体的各个不同中心波长的DFB（分布反馈式半导体）激光器，并控制1×4光开关轮流输出各个波长的激光；②接收带有气体浓度信息的光信号，进行分析处理，获取气体浓度值；③利用RS232口转光纤器件2控制光开关控制模块，实现多个传感探头的轮流检测。光开关控制模块通过RS232口转光纤器件2接收气体检测模块的控制信息，实现两个1×N光开关的同步切换。传感探头网络布置在监测现场，获取多个位置、多种气体的浓度信息，并反馈给气体检测模块进行处理。

本发明的有益效果是：该设计系统集成度、共享度高，简化了多种气体一体化测量的复杂度，可实现远程测量，操作简单易实施，经济性好。

附图说明

图1是多组分气体光纤传感网络设计原理图。

图2是传感探头的结构示意图。

图中：1-气室，2-准直器，3-斜8°的玻璃窗，4-导气栅，5-光纤，6-透气孔，MCU1-微处理器1，MCU2-微处理器2，PD-光电二极管，OPT232-1为RS232转光纤器件1，OPT232-2为RS232转光纤器件2。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，多组分气体光纤传感网络由气体检测模块、光开关控制模块和传感探头网络三部分组成。气体检测模块可放置在监控中心，远离监测现场，其中DFB激光器发出与相应气体吸收波长相对应的激光到传感探头，并对采集回的光信号进行光电转换、信号处理以及显示，微处理器1对整个系统的运行进行控制整合等。光开关控制模块可放置在靠近监测现场的安全区域，其主要是：微处理器2通过RS232转光纤器件2（OPT232-2）与微处理器1通信，控制两个1×N光开关同步切换。传感探头网络放置在监测现场，获取气体浓度信息。

图2是传感探头的结构示意图，其为空腔圆柱结构，光通过其中时被气体吸收而使得光强衰减。传感探头两端采用光纤准直器2实现光路的准直以及气室1与光纤5的耦合，在准直器的前端插入斜8°的玻璃窗3，以防止灰尘污染光路而影响传感器的寿命，也便于清理沾附的灰尘。在两个透气孔6的端部加上两个方向相反的导流栅4，以很好的将气流引入气室1内部。

气体浓度检测的具体实施过程如下：当微处理器1发出命令进行气体浓度检测时，其先控制选择1×4光开关的一路导通（如检测CH₄的DFB激光器），激光光谱就通过1#光纤传输到光开关控制模块。与此同时，微处理器1通过RS232转光纤器件1和RS232转光纤器件2发出命令经3#光纤传输给微处理器2，告知其控制两个1×N光开关同步切换进行气体浓度检测，当成功切换到某一检测点（如传感探头1）时，传输回的带有气体浓度信息的光信号就通过2#光纤被送至气体检测模块进行光电转换和信号处理，以获取CH₄气体浓度信息。然后，微处理器1控制1×4光开关切换，选择第2个激光器（如检测C₂H₂的DFB激光器）输出，同理，检测出传感探头1处的C₂H₂气体浓度。当微处理器1控制1×4光开关切换，对传感探头2处的4种气体浓度检测完毕后，发出命令给微处理器2控制两个1×N光开关切换至传感探头2处，进行4种气体浓度检测。如此，依次循环进行各个探头处多种气体的浓度检测。

本发明适用于煤矿、石油、石化、天然气等行业中多组分气体浓度的一体化检测，也适用于其他环境下多种气体的浓度检测。

Claims (3)

1.一种多组分气体光纤传感网络，其特征在于：它由气体检测模块、光开关控制模块和传感探头网络三部分组成；所述的气体检测模块包括微处理器1（MCU1）、1×4光开关、4种不同波长DFB激光器、光电二极管（PD）、1个RS232转光纤器件1（OPT232-1）和信号处理电路，所述的光开关控制模块包括1个RS232转光纤器件2（OPT232-2）、微处理器2（MCU2）和2个1×N光开关，所述的传感探头网络有N个传感探头布置在监测现场；其中微处理器1（MCU1）一个接口接4种不同波长DFB激光器，一个接口接1×4光开关，微处理器1（MCU1）由3#光纤通过RS232转光纤器件1（OPT232-1）及RS232转光纤器件2（OPT232-2）与微处理器2（MCU2）通信，4种不同波长DFB激光器连接1×4光开关并由1#光纤与1个1×N光开关连通后再通过N芯光缆接N个传感探头一端，N个传感探头另一端由2#光纤通过另1个1×N光开关与光电二极管（PD）通信，信号处理电路输入端接光电二极管（PD），输出端接微处理器1（MCU1），微处理器1（MCU1）接有显示器，微处理器2（MCU2）输出端接2个1×N光开关。

2.权利要求1所述的一种多组分气体光纤传感网络的应用，其特征在于：首先，微处理器1（MCU1）由3#光纤通过RS232转光纤器件1（OPT232-1）及RS232转光纤器件2（OPT232-2）与微处理器2（MCU2）通信，控制两个1×N光开关同步切换，使得1#光纤和2#光纤与传感探头1两端光纤连通，同时，控制1×4光开光切换，依次让不同中心波长DFB激光器发出的激光光谱分时进入到1#光纤，送达传感探头1，并由2#光纤接收带有气体浓度信息的光信号，传送回气体检测模块进行处理分析，从而实现在传感探头1处对多种气体浓度的检测；然后，微处理器1（MCU1）发出命令给微处理器2（MCU2）控制两个1×N光开关切换至传感探头2，进行多种气体浓度检测；如此，依次循环进行各个探头处多种气体的浓度检测。

3.根据权利要求1所述的一种多组分气体光纤传感网络，其特征是：所述的传感探头网络中的传感探头为空腔圆柱结构，其空腔为气室（1），两端部各有1个透气孔（6），传感探头两端装有光纤准直器（2）实现光路的准直以及气室与光纤的耦合，在准直器的前端插有斜8o的玻璃窗（3），在两个透气孔（6）的端部加有两个方向相反的导气栅（4）将气流引入气室内部。