CN103558165B - 一种双波长差分甲烷浓度传感器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种双波长差分甲烷浓度传感器，包括光源，光处理模块，信号处理模块和信号分析模块。其中光源用于发出光信号。光处理模块包括一个光电探测器，光处理模块用于过滤光源发出的光信号，使一组第一波长的光信号和一组第二波长的光信号通过，然后周期性的使上述两组光信号分别经过待测气体传送至光电探测器，再由光电探测器将光信号转换为电信号。信号处理模块用于对光处理模块输出的电信号进行滤波和放大。信号分析模块用于对信号处理模块输出的电信号进行分析，得到甲烷的浓度。

Description

一种双波长差分甲烷浓度传感器

技术领域

本申请属于安全生产领域，具体涉及一种基于红外差分检测原理的双波长差分甲烷浓度传感器。

背景技术

甲烷是一种易燃易爆气体，是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分。它广泛存在于地质煤层中，是威胁煤矿安全的第一因素。因此，研究一种检测方法，实时准确地检测甲烷浓度，对煤矿安全运行有重要意义。

到目前为止，检测甲烷气体浓度的方法有很多种，国内使用的检测方法主要有：催化元件法、热传导法、光干涉法和红外光谱吸收法。

催化元件法是利用惠更斯电桥，甲烷在催化物质作用下通过加热使催化原件的电阻发生变化，从而改变了电桥平衡来测量甲烷浓度。这种方法存在着适用寿命短、测量范围小，易中毒和稳定度差这些缺点。

热导原理是利用空气与甲烷的热导率不同来测定甲烷浓度。这种方法的缺点在于它对导热率不同于空气的气体均敏感，在检测甲烷时，某些背景气体会带来一定的误差。

光干涉法是应用光的折射率和测量气体中甲烷的浓度有关来检测甲烷气体的浓度的。这种方法的弊端是选择性差，受温度变化和气压影响会带来误差，还有容易受其他气体的影响等。

红外光谱吸收法是近几年来发展起来的一种新方法，它是由光谱分析技术发展的产物。利用这种原理所研制的瓦斯传感器可以克服现役传感器固有的缺陷，实现反应快、寿命长、调校周期长等技术目标，目前该装置已经广泛运用于甲烷浓度探测当中。双波长差分法为红外光谱吸收法的一种，传统的双波长差分法由于使用了俩个光电探测器，其检测结果必然会存在误差，其采用的普通气室也会存在杂质粒子散射和气室内壁散射的问题，导致检测结果的不准确。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本申请提出了一种双波长差分甲烷浓度传感器，技术方案如下：

包括光源，光处理模块，信号处理模块和信号分析模块；

其中

所述光源用于发出光信号；

所述光处理模块包括一个光电探测器；

所述光处理模块用于过滤光源发出的光信号，使一组第一波长的光信号和一组第二波长的光信号通过，然后周期性的使上述两组光信号分别经过待测气体传送至所述光电探测器，再由所述光电探测器将光信号转换为电信号；

所述信号处理模块用于对所述光处理模块输出的电信号进行滤波和放大；

所述信号分析模块用于对所述信号处理模块输出的电信号进行分析，得到甲烷的浓度。

进一步的，

所述光源是发光二极管LED或半导体激光器。

进一步的，

所述光处理模块还包括凸透镜、圆柱体光室、上滤光片、下滤光片、旋转采光机和气室；

所述凸透镜用于将光源发出的光信号转换为平行光信号；

所述上滤光片和下滤光片设置于所述圆柱体光室的光路径中间截面；

所述上滤光片可以通过中心波长为第一波长的光信号；

所述下滤光片可以通过中心波长为第二波长的光信号；

所述旋转采光机设置于所述圆柱体光室的末端；

所述旋转采光机、气室和光电探测器一起旋转；

所述旋转采光机用于周期性的将第一波长的光信号和第二波长的光信号分别传送到所述气室；

所述气室内流通有待测气体；

光信号经过所述气室传送至所述光电探测器。

进一步的，

所述上滤光片和下滤光片的滤波系数相等。

进一步的，

采用步进电机驱动所述旋转采光机、气室和光电探测器旋转；

所述旋转采光机包括一个通光窗口；

所述旋转采光机每转动一圈，所述通光窗口有上下两个停止位置；

当停止于上面的停止位置时，所述第一波长的光信号从所述通光窗口穿过；

当停止于下面的停止位置时，所述第二波长的光信号从所述通光窗口穿过。

进一步的，

所述气室的入口、出口为楔形棱镜；

所述气室前后两端为两块平面反射镜；

所述气室的上下两端为防尘网结构。

进一步的，

所述光电探测器是光电子发射探测器或光电导探测器或光伏探测器。

进一步的，

所述信号分析模块根据测量到的电信号K，通过以下公式获得甲烷浓度C：

$C=\frac{1}{L[-\∂\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\∂\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]}\mathrm{Ink},$

其中， $k=K\frac{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)*I_0\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)*I_0\left({\mathrm{\λ}}_1\right)},$

λ₁、λ₂分别为所述第一波长和第二波长，I₀(λ₁)、I₀(λ₂)为第一波长光信号和第二波长光信号的初始光强，为待测气体对于第一波长和第二波长的吸收系数函数，L为吸收层厚度，K(λ₁)、K(λ₂)为滤光片滤光系数。

进一步的，

所述第一波长为1.650μm；

所述第二波长为1.620μm。

本申请所提出的双波长差分甲烷浓度传感器，通过结构的改进，消除了不同探测器特性差异带来的误差以及气室散射带来的问题，进一步提高了检测的精度。

附图说明

图1为本申请双波长差分甲烷浓度传感器的基本结构。

图2为光处理模块的结构示意图，

其中，附图标记依次为：凸透镜201、圆柱体光室202、上滤光片203、下滤光片204、旋转采光机205、气室206、光电探测器207。

图3为信号处理模块滤波和放大电路示意图。

具体实施方式

本申请提出的双波长差分甲烷浓度传感器主要由光源，光处理模块，信号处理模块，信号分析模块四部分组成，如图1所示。

其中，光源用于发出光信号；

光处理模块用于对光信号进行处理，并将光信号转换为电信号；

信号处理模块用于对电信号进行处理；

信号分析模块用于对电信号进行分析从而得到甲烷的浓度。

光源可以选择发光二极管LED或半导体激光器LD。

图2为光处理模块的结构示意图，这是整个传感器的核心模块，由凸透镜201、圆柱体光室202、上滤光片203、下滤光片204、旋转采光机205、气室206和光电探测器207组成。

光处理模块对光进行处理的过程如下：由光源发出的光经过凸透镜201后转换为平行光，平行光经过圆柱体光室202，在圆柱体光室202的光路径中间沿截面设置有两块滤光片203、204，上滤光片203可以通过中心波长为λ₁(1.650μm)的光线，下滤光片可以通过中心波长为λ₂(1.620μm)的光线，两块滤光片的滤光系数相等，上述两种波长的光线可以穿过滤光片沿光路径继续传输，而除两块滤光片外，截面的其它部分不透光。光线经过上、下滤光片后一分为二，剩余中心波长为λ₁(1.650μm)和λ₂(1.620μm)的两组光线。

在圆柱体光室202的末端设置有一个旋转采光机205，由步进电机进行驱动，步进电机带动旋转采光机205、气室206和光电探测器207一起旋转。旋转采光机205包括一个通光窗口，旋转采光机205每转动一圈，通光窗口有上下两个停止位置，当停止于上面的停止位置时，波长为λ₁的光线从通光窗口穿过，当停止于下面的停止位置时，波长为λ₂的光线从通光窗口穿过，该旋转采光机205用于将上述两组波长不同的光线在不同的时间段传送到气室206，由同一个光电探测器207来进行检测，从而消除由于光电探测器个体的特性不同给测量结果带来的误差。

气室206中的待测气体对光产生吸收作用。光线传送到气室206后，气室206的入口为楔形棱镜，有利于调整光线的入射角度。气室前后两端为两块平面反射镜，通过调整光线的入射角度，利用反射镜使光路在气室中经过多次反射，能够增加光程，进而可以有效的提高检测的灵敏度。图2气室206中的折线示出了光路。气室206的上下两端为防尘网结构，既有利于空气的流通，又能避免空气中粉尘对测量结果带来的误差。气室206的出口也为楔形棱镜。最后，光线从出口棱镜中射出至光电探测器207，利用光电探测器207将光信号转换为电信号。

光电探测器207可以采用光电子发射探测器、光电导探测器或者光伏探测器。

信号处理模块对光电探测器207输出的电信号进行滤波、放大处理，信号处理模块可以采用各种滤波和放大模块，图3只是示出了一种适用于本申请的滤波器和放大器结构，信号（电信号）从左端输入，经滤波、放大后输出。

最后，信号处理模块将电信号输出至信号分析模块，由信号分析模块根据测量到的电信号K，和下面的差分处理方式对甲烷浓度进行分析。

光电探测器207在一个旋转周期内接收到两组光信号V₁、V₂，

$V_1=I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)=K*K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)*I_0\left({\mathrm{\λ}}_1\right)*e^{[-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)\mathrm{CL}+\mathrm{\β}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)]}+D+B\left(t\right),$

$V_2=I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)=K*K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)*I_0\left({\mathrm{\λ}}_2\right)*e^{[-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\mathrm{CL}+\mathrm{\β}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]}+D+B\left(t\right),$

干扰光信号V₃=D+B(t)，

其中，I(λ₁)、I(λ₂)为经滤光片滤光后的两束光的光强，I₀(λ₁)、I₀(λ₂)为两波长的初始光强，K为测量电信号，为待测气体对于两种波长的吸收系数函数，β(λ₁)、β(λ₂)代表光路干扰效应值，C为甲烷浓度，L为吸收层厚度，D为探测器零漂，B(t)为背景光干扰，K(λ₁)、K(λ₂)为滤光片滤光系数。

由于两次光信号输入的时间非常接近，此时的背景光干扰B(t)可以认为相等，光路干扰效应值β(λ₁)、β(λ₂)也可以忽略不计，初始光强一样且滤光片滤光系数也相等，又因为两组光使用同一光电探测器207，所以探测器零漂D是一样的。

即测量电信号 $K=\frac{V_1-V_3}{V_2-V_3}=\frac{K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)*I_0\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{K({\mathrm{\λ}}_2*I_0\left({\mathrm{\λ}}_2\right))}{e}^{[-a({\mathrm{\λ}}_1-a\left({\mathrm{\λ}}_2\right))]\mathrm{CL}},$

可得甲烷浓度为 $C=\frac{1}{L[-\∂\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\∂\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]}\mathrm{Ink},$

其中， $k=K\frac{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)*I_0\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)*I_0\left({\mathrm{\λ}}_1\right)},$

从而获得待测气体中的甲烷浓度C。

本申请的差分处理方式消除了光源不稳定、光路干扰等因素，探测器零漂和背景光干扰也都被消除掉了，大大提高了检测结果的准确度。

本领域技术人员将理解本发明可以以本文中所述的那些以外的、没有偏离本发明的精神和本质特性的特定形式来执行。因此，所有方面的上述实施方式应当被解释为例示的而不是限制性的。本发明的范围应当由所附权利要求书和它们的法律等同物来确定，而不是由上述描述来确定，并且所有落入所附权利要求书的含义和等同范围之内的改变都将包括进来。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，在所附权利要求书中没有显示地互相引用的权利要求可以组合起来，作为本发明的示例性实施方式，或者被包括而在提交本申请之后通过之后的修改而成为新权利要求。

本发明的方式

以用于执行本发明的最佳方式已经描述了各种实施方式。

工业应用性

如根据上述描述所显而易见的，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以对本发明做出各种修改和变型，而不偏离本发明的精神或范围。因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求书和它们的等同物的范围之内的修改例和变型。

Claims (7)

1.一种双波长差分甲烷浓度传感器，其特征在于：

包括光源，光处理模块，信号处理模块和信号分析模块；

其中

所述光源用于发出光信号；

所述光处理模块包括一个光电探测器；

所述光处理模块用于过滤光源发出的光信号，使一组第一波长的光信号和一组第二波长的光信号通过，然后周期性的使上述两组光信号分别经过待测气体传送至所述光电探测器，再由所述光电探测器将光信号转换为电信号；

所述信号处理模块用于对所述光处理模块输出的电信号进行滤波和放大；

所述信号分析模块用于对所述信号处理模块输出的电信号进行分析，得到待测气体中甲烷的浓度；

所述光处理模块还包括凸透镜、圆柱体光室、上滤光片、下滤光片、旋转采光机和气室；

所述凸透镜用于将光源发出的光信号转换为平行光信号；

所述上滤光片和下滤光片设置于所述圆柱体光室的光路径中间截面；

所述上滤光片可以通过中心波长为第一波长的光信号；

所述下滤光片可以通过中心波长为第二波长的光信号；

所述旋转采光机设置于所述圆柱体光室的末端；

所述旋转采光机、气室和光电探测器一起旋转；

所述旋转采光机用于周期性的将第一波长的光信号和第二波长的光信号分别传送到所述气室；

所述气室内流通有待测气体；

光信号经过所述气室传送至所述光电探测器。

2.根据权利要求1所述的双波长差分甲烷浓度传感器，其中：

所述光源是发光二极管LED或半导体激光器。

3.根据权利要求1所述的双波长差分甲烷浓度传感器，其中：

所述上滤光片和下滤光片的滤波系数相等。

4.根据权利要求1所述的双波长差分甲烷浓度传感器，其中：

采用步进电机驱动所述旋转采光机、气室和光电探测器旋转。

5.根据权利要求1所述的双波长差分甲烷浓度传感器，其中：

所述气室的入口、出口为楔形棱镜；

所述气室前后两端为两块平面反射镜；

所述气室的上下两端为防尘网结构。

6.根据权利要求1所述的双波长差分甲烷浓度传感器，其中：

所述光电探测器是光电子发射探测器或光电导探测器或光伏探测器。

7.根据权利要求1所述的双波长差分甲烷浓度传感器，其中：

所述第一波长为1.650μm；

所述第二波长为1.620μm。