CN103592254A - 一种lng探测装置及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LNG探测装置及其探测方法，所述的装置包括激光器、波长切换滤光盘、探测器、放大器和处理器；所述的激光器、波长切换滤光盘、探测器、放大器和处理器集成安装在一个仪器板上，探测器的输出端经放大器后与处理器的输入端连接，处理器的两个输出端分别与计算机和步进电机连接，步进电机通过连轴器与波长切换滤光盘连接。本发明采用1668nm波段的分布反馈激光器作为光源，利用红外光谱法探测甲烷的吸收峰，反射回来的激光具有明显的特征，是目前气体检测快速又精确的方法，可测范围1.6%～100%LNG浓度；可搭载于直升机或固定翼飞机上，完全实现野外实际探测，且激光强度高，探测距离远，可进行全天候探测。

Description

一种LNG探测装置及其探测方法

技术领域

本发明涉及一种LNG探测的装置，尤其涉及一种LNG探测装置及其探测方法。

背景技术

全世界对天然气的需求，使得远距离天然气海上运输业蓬勃发展。通过船舶运输的液化天然气（简称LNG）大多被冷却成为低温液化天然气进行储存和运输。LNG船舶属于危险品船，发生突发事件时，可能会导致液体的意外泄漏。大量的低温LNG液体从液货舱泄漏，与船壳接触会导致船壳的脆性断裂，与海水接触会发生传质传热反应，LNG会吸热沸腾，海域中会有结冰现象发生，同时沸腾产生的LNG聚积在海面上，遇火会发生爆炸或火灾，对船舶和人员产生巨大危害。因此需要有效的手段监测LNG的泄漏和扩散。

现有的检测方法如下：传统的接触燃烧式和半导体吸收式甲烷传感器易受其他气体的干扰；干涉法则会受到气体湿度和压强的影响；电化学法的寿命最短，只有1～2年；而且，现有的检测方法均无法实现远距离探测。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种探测结果准确、可远距离探测的LNG探测装置及其探测方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种LNG探测装置，包括激光器、波长切换滤光盘、探测器、放大器和处理器；所述的激光器、波长切换滤光盘、探测器、放大器和处理器集成安装在一个仪器板上，所述探测器的输出端经放大器后与处理器的输入端连接，所述的处理器的两个输出端分别与计算机和步进电机连接，所述的步进电机通过连轴器与波长切换滤光盘连接；

所述的激光器与波长切换滤光盘垂直设置，即激光器发射端口对准波长切换滤光盘并与波长切换滤光盘垂直；

所述的波长切换滤光盘包括滤光片F1、滤光片F2、反射镜S1、反射镜S2、光电二极管D1、光电二极管D2、光电二极管D3和光电二极管D4，所述的滤光片F1和滤光片F2对称安装于波长切换滤光盘的水平中心线上；所述的反射镜S1和反射镜S2对称安装于波长切换滤光盘的垂直中心线上，且反射镜S1和反射镜S2的镜面与波长切换滤光盘的盘面成45度角；所述的光电二极管D1、光电二极管D2、光电二极管D3和光电二极管D4分别对称安装于波长切换滤光盘的水平中心线上和垂直中心线上；

所述的激光器，采用1668nm波段的分布反馈激光器作为光源，用于向探测物发射激光；

所述的波长切换滤光盘，用于实现时间双波长差分检测来消除系统误差和保持激光的单射性；

所述的探测器，用于实现光信号与电信号转换的装置；

所述的放大器，用于抑制噪声，提高信噪比，得到很高的灵敏度；

所述的处理器，用于对数字信号进行数据处理。

本发明所述的激光器采用垂直腔面发射激光器；所述的探测器采用光伏探测器。

一种LNG探测装置的探测方法，包括以下步骤：

A、通过激光器发射红外激光照射于LNG船舶附近的区域，并同探测器的探测区域保持能够相重叠，当激光器发出红外激光经过准直之后由波长切换滤光盘进行滤光照射于探测物附近，当光束对准光电二极管D1和光电二极管D3时，则波长为λ1、λ2的红外激光通过；当光束对准光电二极管D2和光电二极管D4时，则光束被反射出去；同时探测器接收被气体分子吸收后反射的光，并将反射后的光通过探测器转为电信号，电信号经放大器放大后送入处理器进行数据处理；

B、处理器输出脉冲信号驱动步进电机转动，步进电机带动波长切换滤光盘转动；波长切换滤光盘上的四个光电二极管分别接受到光信号后，控制处理器进行信号采集。

C、从探测器出来的信号依次进行带通滤波电路、放大、交流耦合处理后，送入锁相放大器，然后经过处理器处理传给计算机进行探测结果显示。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用1668nm DFB LD（1668nm波段的分布反馈激光器）作为光源，利用红外光谱法探测甲烷的吸收峰，反射回来的激光具有明显的特征，是目前气体检测快速又精确的方法，可以测量范围1.6%～100%LNG浓度；可搭载于直升机或固定翼飞机上，完全实现野外实际探测，而且激光强度高，探测距离远，可进行远距离全天候探测。采用激光的激光器，避免了检测系统自身火花放电而导致的危险并可以使操作人员远离有毒、危险环境。

2、由于本发明采用了光电二极管，产生激光是非干涉光，使输出功率更加稳定，并且成本低、性能稳定、寿命长。

3、由于本发明采用旋转波长切换滤光盘，实现了时间双波长查分检测和增强了激光的单射性。

4、由于本发明采用了利用光电效应的光子探测器，实现了光信号与电信号的转换。

附图说明

本发明共有附图2张，其中：

图1为本发明的波长切换滤光盘示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图中：1、激光器，2、波长切换滤光盘，3、探测器，4、放大器，5、处理器，6、步进电机，7、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

如图1-2所示，一种LNG探测装置，包括激光器1、波长切换滤光盘2、探测器3、放大器4和处理器5；所述的激光器1、波长切换滤光盘2、探测器3、放大器4和处理器5集成安装在一个仪器板上，所述探测器3的输出端经放大器4后与处理器5的输入端连接，所述的处理器5的两个输出端分别与计算机7和步进电机6连接，所述的步进电机6通过连轴器与波长切换滤光盘2连接；所述的激光器1与波长切换滤光盘2垂直设置，即激光器1发射端口对准波长切换滤光盘2并与波长切换滤光盘2垂直；所述的波长切换滤光盘2包括滤光片F1、滤光片F2、反射镜S1、反射镜S2、光电二极管D1、光电二极管D2、光电二极管D3和光电二极管D4，所述的滤光片F1和滤光片F2对称安装于波长切换滤光盘2的水平中心线上；所述的反射镜S1和反射镜S2对称安装于波长切换滤光盘2的垂直中心线上，且反射镜S1和反射镜S2的镜面与波长切换滤光盘2的盘面成45度角；所述的光电二极管D1、光电二极管D2、光电二极管D3和光电二极管D4分别对称安装于波长切换滤光盘2的水平中心线上和垂直中心线上；所述的激光器1，采用1668nm波段的分布反馈激光器作为光源，用于向探测物发射激光；所述的波长切换滤光盘2，用于实现时间双波长差分检测来消除系统误差和保持激光的单射性；所述的探测器3，用于实现光信号与电信号转换的装置；所述的放大器4，用于抑制噪声，提高信噪比，得到很高的灵敏度；所述的处理器5，用于对数字信号进行数据处理。

本发明所述的激光器1采用垂直腔面发射激光器；所述的探测器3采用光伏探测器。

如图1-2所示，一种LNG探测装置的探测方法，包括以下步骤：

A、通过激光器1发射红外激光照射于LNG船舶附近的区域，并同探测器3的探测区域保持能够相重叠，即将激光器1和探测器3捆绑在一起，使反射回来的激光容易进入探测器3，即激光的路径与探测器3视域平行。当激光器1发出红外激光经过准直之后由波长切换滤光盘2进行滤光照射于探测物附近，当光束对准光电二极管D1和光电二极管D3时，则波长为λ1、λ2的红外激光通过；当光束对准光电二极管D2和光电二极管D4时，则光束被反射出去；同时探测器3接收被气体分子吸收后反射的光，并将反射后的光通过探测器3转为电信号，电信号经放大器4放大后送入处理器5进行数据处理；

B、处理器5输出脉冲信号驱动步进电机6转动，步进电机6带动波长切换滤光盘2转动；波长切换滤光盘2上的四个光电二极管分别接受到光信号后，控制处理器5进行信号采集。

C、从探测器3出来的信号依次进行带通滤波电路、放大、交流耦合处理后，送入锁相放大器4，然后经过处理器5处理传给计算机7进行探测结果显示。

下面通过实施例对本发明进行进一步地描述。

实施1：激光器1发射红外激光通过如图1所示波长切换滤光盘2，步进电机6带动波长切换滤光盘2转动，转动一个周期有四个停止位置，每次转动90度，当转动到光束对准光电二极管D1位置时，波长为λ1的测量光通过；光束对准光电二极管D2位置时，没有光通过，为防止光源过热，光被反射镜反射到与入射光垂直的方向；光束对准光电二极管D3位置时，波长为λ2的参考光通过；同光电二极管D2位置—样，在光电二极管D4位置时，光束被反射出去，没有光通过。光电二极管D1-D4用来将转动位置信号输入处理器5控制信号采集。

实施2：如图2所示的LNG探测装置，包括用于向探测物发射激光的激光器1和波长切换滤光盘2，用于接收探测物受激后反射的光探测器3，从探测器3出来的有用信号是一个叠加在大信号直流+三角波+正弦波上的一个微弱信号，把从探测器3出来的信号依次进行带通滤波电路、放大、交流耦合处理后，送入放大器4。放大器4作为信号处理单元的核心器件，可以有效抑制噪声，提高信噪比，得到很高的灵敏度。放大器4的参考信号来源于调制激光器1的正弦信号。考虑到光路和电路中的延时效应，可以手动调节放大器4参考信号的相位，使输出信号为最佳，再经过放大和低通滤波处理得到一次谐波信号幅度。最后进入数据采集和处理单元。由于扫描的周期性，系统中还有一个与三角波同频的方波信号，作为数据处理部分的数据采集使能信号。这样就可以保证每个周期内的采集信号准确重复，经过多次采样平均保证数据的准确性。

下面对本发明的机载情况做进一步描述：

直升飞机于LNG船舶上观测范围内，如短时间飞行，飞机升空后把飞机舱门打开，把激光器1与探测器3并列放置；如果为长时间的业务运行，可以将激光器1和探测器3固定在一起，方便检测。

具体工作流程如下：待飞机稳定后将飞机底部窗口打开，打开激光器1，预热15分钟，一方面飞机向前飞行，一方面激光器1发射1668nm脉冲激光，扫描LNG船舶，然后被气体吸收反射。飞行高度一般是80米至600米，飞行速度一般是270公里/小时。在300米飞行高度，扫描宽度为100米的二维平面。发射的红激光经反射进入探测器3，从探测器3出来的有用信号依次进行带通滤波电路、放大、交流耦合处理后，送入放大器4。并可通过处理器5进行数据处理。本发明中激光发散角和探测器3能够探测的视域应保持一致，以便获得最高的探测灵敏度。根据实际测量电压结果进行数据处理，然后根据处理后的数据描绘出的测得LNG浓度值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种LNG探测装置，其特征在于：包括激光器（1）、波长切换滤光盘（2）、探测器（3）、放大器（4）和处理器（5）；所述的激光器（1）、波长切换滤光盘（2）、探测器（3）、放大器（4）和处理器（5）集成安装在一个仪器板上，所述探测器（3）的输出端经放大器（4）后与处理器（5）的输入端连接，所述的处理器（5）的两个输出端分别与计算机（7）和步进电机（6）连接，所述的步进电机（6）通过连轴器与波长切换滤光盘（2）连接；

所述的激光器（1）与波长切换滤光盘（2）垂直设置，即激光器（1）发射端口对准波长切换滤光盘（2）并与波长切换滤光盘（2）垂直；

所述的波长切换滤光盘（2）包括滤光片F1、滤光片F2、反射镜S1、反射镜S2、光电二极管D1、光电二极管D2、光电二极管D3和光电二极管D4，所述的滤光片F1和滤光片F2对称安装于波长切换滤光盘（2）的水平中心线上；所述的反射镜S1和反射镜S2对称安装于波长切换滤光盘（2）的垂直中心线上，且反射镜S1和反射镜S2的镜面与波长切换滤光盘（2）的盘面成45度角；所述的光电二极管D1、光电二极管D2、光电二极管D3和光电二极管D4分别对称安装于波长切换滤光盘（2）的水平中心线上和垂直中心线上；

所述的激光器（1），采用1668nm波段的分布反馈激光器作为光源，用于向探测物发射激光；

所述的波长切换滤光盘（2），用于实现时间双波长差分检测来消除系统误差和保持激光的单射性；

所述的探测器（3），用于实现光信号与电信号转换的装置；

所述的放大器（4），用于抑制噪声，提高信噪比，得到很高的灵敏度；

所述的处理器（5），用于对数字信号进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的一种LNG探测装置，其特征在于：所述的激光器（1）采用垂直腔面发射激光器；所述的探测器（3）采用光伏探测器。

3.一种LNG探测装置的探测方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、通过激光器（1）发射红外激光照射于LNG船舶附近的区域，并同探测器（3）的探测区域保持能够相重叠，当激光器（1）发出红外激光经过准直之后由波长切换滤光盘（2）进行滤光照射于探测物附近，当光束对准光电二极管D1和光电二极管D3时，则波长为λ1、λ2的红外激光通过；当光束对准光电二极管D2和光电二极管D4时，则光束被反射出去；同时探测器（3）接收被气体分子吸收后反射的光，并将反射后的光通过探测器（3）转为电信号，电信号经放大器（4）放大后送入处理器（5）进行数据处理；

B、处理器（5）输出脉冲信号驱动步进电机（6）转动，步进电机（6）带动波长切换滤光盘（2）转动；波长切换滤光盘（2）上的四个光电二极管分别接受到光信号后，控制处理器（5）进行信号采集；

C、从探测器（3）出来的信号依次进行带通滤波电路、放大、交流耦合处理后，送入锁相放大器（4），然后经过处理器（5）处理传给计算机（7）进行探测结果显示。

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