CN104535529A - 一种分布式气体传感系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式气体传感系统及其控制方法，该系统包括激光器、气体检测主控板、光环形器、多路光开关和至少一个气体检测气室；气体检测主控板用于驱动所述激光器，以及控制多路光开关的选通；光环形器用于将激光器输出的激光信号传送给多路光开关，以及将从多路光开关反馈回来的激光信号传送给气体检测主控板；多路光开关，用于选通一路激光信号；以及至少一个气体检测气室，用于吸收光谱并将激光信号反射回多路光开关；气体检测主控板还用于接收从光环形器的第三端口输出的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算。本发明通过主控板控制多路光开关，实现了一个激光器控制多路进行气体检测，大大降低了系统成本。

Description

一种分布式气体传感系统及其控制方法

技术领域

本发明属于气体传感器领域，涉及一种分布式气体传感系统及其控制方法。

背景技术

气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。其中，基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体传感器是现有的一种测量气体浓度的装置，该气体传感器通过测量激光透过气体后光谱的变化情况来测量该气体的浓度，具有检测精度高、准确度高、响应速度快、本质安全、抗干扰性强的特点。

可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorptionspectroscopy，TDLAS)技术利用可调谐半导体激光器窄线宽和波长可调谐特性检测气体的单根分子吸收谱线，它与波长调制技术及二次谐波检测技术相结合，是一种高灵敏度、高选择性、高可靠性、快速在线、受环境干扰因素较小、非接触测量的气体检测技术，在石油化工、环境监测、冶金、煤炭、燃气管网等领域中得到了广泛应用。

现有技术中的基于可调谐半导体激光吸收光谱技术的气体传感器利用气体近红外吸收光谱技术，筛选了检测气体吸收光谱，采用了DFB(Distributed FeedBack，分布式反馈)激光器作为光源，PIN光电二极管为接收，采用光电结构的气室，激光经光电二极管空间接收后转化为电信号进行信号处理，最终输出气体浓度数据。

但该气体传感器受光源价格的制约，单点测量成本高，组网难度大，不能满足区域性多点测量。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种分布式气体传感系统及其控制方法，目的在于实现多点气体浓度测量，降低系统成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明实施例提供的一种分布式气体传感系统，包括：激光器、气体检测主控板、光环形器、多路光开关和至少一个气体检测气室；

所述气体检测主控板用于驱动所述激光器，以及控制多路光开关的选通；

所述光环形器的第一端口连接所述激光器的输出端，第二端口连接所述多路光开关，第三端口连接所述气体检测主控板，用于将所述激光器输出的激光信号传送给所述多路光开关，以及将从所述多路光开关反馈回来的激光信号传送给所述气体检测主控板；

所述多路光开关用于选通一路激光信号；以及

所述至少一个气体检测气室用于吸收光谱并将激光信号反射回所述多路光开关，且气体检测气室的输入/输出端与所述多路光开关连接；

所述气体检测主控板还用于接收从所述光环形器的第三端口输出的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算。

进一步地，所述系统还包括显示器，用于显示气体浓度计算结果，所述显示器与所述气体检测主控板通过串行通信接口连接。

进一步地，所述气体检测主控板包括：

光电二极管，用于将从所述光环形器的第三端口输出的激光信号转换成电流信号；

跨阻放大器，用于将所述电流信号转换成电压信号，其输入端连接所述光电二极管的输出端；

电压放大器，用于放大所述电压信号，其输入端连接所述跨阻放大器的输出端；

模数转换器，用于采样经所述电压放大器放大后的电压信号，其输入端连接所述电压放大器的输出端；以及

控制器，用于计算反射回来的激光信号对应气体的浓度、驱动激光器和控制多路光开关的选通，其与所述模数转换器的输出端连接。

进一步地，所述气体检测气室包括外管和设置在与所述输入/输出端正对的另一端内侧的全反镜，所述外管壁上开有通气孔。

进一步地，所述外管为铜管或陶瓷管。

进一步地，所述多路光开关选用1×8通道、1×16通道或1×32通道。

另一方面，本发明实施例提供的一种针对上述一方面中任一所述的分布式气体传感系统的控制方法，包括如下步骤：

气体检测主控板控制多路光开关选通一路激光信号；

气体检测主控板驱动激光器进行激光波长调制扫描；

气体检测主控板接收从所述光环形器的第三端口输出的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算。

进一步地，所述接收从所述光环形器的第三端口输出的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算包括：

光电二极管将从所述光环形器的第三端口输出的激光信号转换成电流信号；

跨阻放大器将所述电流信号转换成电压信号；

电压放大器放大所述电压信号；

模数转换器采样放大后的电压信号；

控制器计算选通气体浓度。

进一步地，进行光电转换后进行气体浓度计算之后还包括：对计算出的气体浓度进行滑动平均滤波。

进一步地，还包括显示气体浓度计算结果。

与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：

本发明提供的一种分布式气体传感系统及其控制方法，在基于激光调制吸收光谱技术的气体传感技术的基础上，在激光器输出端依次设置了光环形器和多路光开关，通过气体检测主控板驱动激光器以及控制多路光开关的选通，并接收从气体检测气室反射回来的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算，解决了现有技术中不能满足区域性多点测量的问题和成本高的问题，实现了多点气体浓度测量，降低了系统成本。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其他特征和优点，附图中：

图1为本发明实施例一提供的分布式气体传感系统的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的分布式气体传感系统的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的分布式气体传感系统中的主机结构示意图；

图4为本发明实施例三提供的分布式气体传感系统的控制方法流程图；

图5为本发明实施例三提供的主机的操作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1给出了本发明实施例一提供的分布式气体传感系统的结构示意图，如图1所示，该分布式气体传感系统包括：激光器10、气体检测主控板11、光环形器12、多路光开关13和至少一个气体检测气室14；

其中，气体检测主控板11用于驱动激光器10，以及控制多路光开关13的选通；

光环形器12的第一端口连接激光器10的输出端，第二端口连接多路光开关13，第三端口连接气体检测主控板11，用于将激光器10输出的激光信号传送给多路光开关13，以及将从多路光开关13反馈回来的激光信号传送给气体检测主控板11；

多路光开关13用于选通一路激光信号；以及

至少一个气体检测气室14用于吸收光谱并将激光信号反射回多路光开关13，且气体检测气室14的输入/输出端与多路光开关13连接；

气体检测主控板11还用于接收从光环形器12的第三端口输出的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算。其中，激光光源10可以采用可调谐光纤激光器，也可以采用可调谐半导体激光器；多路光开关11可以选用1×8通道，可以选用1×16通道，也可以选用1×32通道，具体根据轮询时间及用户需求测量数量确定；另外，气体检测气室14分布在不同的位置，以测量不同地点的气体浓度；气体检测主控板11通过串行通信接口驱动激光器10产生不同波长的激光，同时控制选通多路光开关13，实现多路激光的切换，其中串行通信接口可以为RS-232接口。

本实施例中，光环形器12限制激光从光环形器12的第一端口进第二端口出，或者从光环形器12的第二端口进第三端口出，因此，由激光器10输出的激光通过光环形器12送到多路光开关13的输入端，被气体检测气室14反射回来的激光通过光环形器12只能传送到气体检测主控板11，以减小反射激光的损失，同时保护激光器10。

本发明实施例一提供的分布式气体传感系统，在基于激光调制吸收光谱技术的气体传感技术的基础上，在激光器输出端依次设置了光环形器和多路光开关，通过气体检测主控板驱动激光器以及控制多路光开关的选通，并接收从气体检测气室反射回来的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算，解决了现有技术中不能满足区域性多点测量的问题和成本高的问题，实现了多点气体浓度测量，降低了系统成本。

实施例二

图2给出了本发明实施例二提供的分布式气体传感系统的结构示意图，如图2所示，与本发明实施例一有所不同的是，该系统还包括：

显示器20，用于显示气体浓度计算结果，显示器20与气体检测主控板11通过串行通信接口连接。

其中，显示器20可以通过RS-232接口与气体检测主控板11相连，气体检测主控板11通过相应算法计算出气体浓度，通过显示器20展示给用户。

本实施例中，气体检测气室14包括外管和设置在与输入/输出端正对的另一端内侧的全反镜，该全反镜可以将经光谱吸收后的激光全部反射回去，外管壁上开有通气孔，优选地，外管壁上均匀开有通气孔，以使气体均匀进入，使得测量数据接近实际值；该外管可以为铜管，也可以为陶瓷管，优选地，本实施例采用铜管作为气体检测气室14的外管，这是因为铜管不易腐蚀，强度大不易变形，能确保激光的直线传输，相对于陶瓷管，铜管不易碎裂。

另外，本实施例中的激光光源10采用分布式反馈激光器，其扫描波长范围为1369nm到1370nm，这是因为分布式反馈激光器产生的激光的光能量高、波长调谐范围宽、波长易于调节，能够准确地筛选所调波段中的任一波长。

需要说明的是，本实施例中激光光源10输出的激光波长只要满足和被测气体的吸收光谱相一致的条件，可以选择使用任一激光器作为激光光源，例如光纤激光器、半导体激光器。

参考图3，本实施例提供的分布式气体传感系统的气体检测主机包括：

光电二极管30，用于将从光环形器12的第三端口输出的激光信号转换成电流信号；

跨阻放大器31，用于将上述电流信号转换成电压信号，其输入端连接光电二极管30的输出端；

电压放大器32，用于放大上述电压信号，其输入端连接跨阻放大器31的输出端；

模数转换器33，用于采样经上述电压放大器32放大后的电压信号，其输入端连接电压放大器32的输出端；以及

控制器34，用于计算反射回来的激光信号对应气体的浓度、驱动激光器10和控制多路光开关13的选通，其与模数转换器33的输出端连接。

其中，光电二极管30可以为PIN光电二极管，波长响应范围为1200nm～1700nm，该PIN光电二极管的输入端与光环形器12的第三端口相连；显示器20通过串行通信接口与控制器34相连；控制器可以选用arm控制器，本实施例采用cortex-stm32F106控制器。

本发明实施例二提供的分布式气体传感系统，在基于激光调制吸收光谱技术的气体传感技术的基础上，在激光器输出端依次设置了光环形器和多路光开关，通过气体检测主控板驱动激光器以及控制多路光开关的选通，并接收从气体检测气室反射回来的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算，解决了现有技术中不能满足区域性多点测量的问题和成本高的问题，实现了多点气体浓度测量，降低了系统成本；并在控制器上连接显示器，将气体浓度直观地展示给用户，提升了用户体验。

本发明实施例三为方法实施例，本发明方法实施例和系统实施例属于同一构思，在方法实施例中未详尽描述的细节内容，可以参考上述系统实施例。

实施例三

图4给出了本发明实施例三提供的分布式气体传感系统的控制方法流程图，如图4所示，该分布式气体传感系统的控制方法包括如下步骤：

S10、气体检测主控板控制多路光开关选通一路激光信号；

该步骤中，气体检测主控板的控制器可以通过RS232接口向多路光开关发出控制信号指令，以实现多路光开关的切换，其中多路光开关可以选用1×8通道，可以选用1×16通道，也可以选用1×32通道。

S11、气体检测主控板驱动激光光源进行激光调制波长扫描；

该步骤中，气体检测主控板可以通过RS232接口向激光器输出DA控制信号，以驱动激光器输出相应波长的激光，本实施例的激光器可采用分布式反馈激光器，其扫描波长范围为1369nm到1370nm。

本实施例中的激光具体用于：将选通的激光送到气体检测气室中，利用激光吸收光谱技术，在分布式反馈激光器的中心波长附近，以固定的扫描频率不停地扫描吸收线，使激光波长完整地扫描过空气中水汽的一条独立的吸收线。

S12、气体检测主控板接收从光环形器的第三端口输出的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算。

该步骤中，气体检测主控板接收从所述光环形器的第三端口输出的激光信号，处理该路激光信号，根据独立吸收线，通过拟合背景谱线对气体浓度进行计算。计算结束后，等待一段时间，循环上述步骤，对下一地点进行气体测量。

另外，本实施例进行光电转换后进行气体浓度计算之后还包括对计算出的气体浓度进行滑动平均滤波，以多次求平均值，减小误差。

最后，本实施例中的气体检测主控板之后接有显示器，气体检测主控板可以通过RS-232接口连接显示器显示计算结果。

参考图5，上述步骤S12、气体检测主控板接收从光环形器的第三端口输出的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算具体包括：

S20、光电二极管将从所述光环形器的第三端口输出的激光信号转换成电流信号；

该步骤中，气体检测主控板中的光电二极管接收到从所述光环形器的第三端口输出的激光信号，并将激光信号转换成电流信号，其中，光电二极管可以使用PIN光电二极管，波长响应范围为1200nm～1700nm。

S21、跨阻放大器将电流信号转换成电压信号；

该步骤中，跨阻放大器将从PIN光电二极管输出的弱电流信号转换成电压信号，以便后续采集。

S22、电压放大器放大电压信号；

该步骤中，电压放大器对从跨阻放大器输出的电压信号进行放大，以增加激光信号的功率。

S23、模数转换器采样放大后的电压信号；

该步骤中，采用模数转换器对放大后的电压信号进行模数转换，转换成适合微处理器采集的数字信号。

S24、控制器计算气体浓度。

该步骤中，气体检测主控板中的控制器根据独立吸收线，通过拟合背景谱线对气体的浓度进行计算。

本实施例的分布式气体传感系统的控制方法，可以实现对多点的气体测量，每次选通多路光开关的一路激光，将激光送到待检气体处的气体检测气室，通过切换多路光开关，可实现每路激光信号的顺序轮询切换，之后，气体检测主控板接收各路激光信号；一路测量结束后，等待100ms，保证光开关顺利切换成功，开始进行激光器调制波长扫描控制，进行下一组的气体浓度测量。

本实施例中，多路光开关切换速度采用0.5秒/通道，等待0.1秒后开始扫描计算，计算时间约0.2秒，实现0.8秒时间响应。

本发明实施例三提供的分布式气体传感系统的控制方法，在基于激光调制吸收光谱技术的气体传感技术的基础上，通过控制信号选通多路光开关，驱动激光器进行激光调制波长扫描，并配合使用光环形器，解决了现有技术中不能满足区域性多点测量的问题，降低了系统成本，提高了系统的适用性，实现了多点气体浓度测量。

上述仅对本发明中的具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰或等比例放大或缩小等，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种分布式气体传感系统，其特征在于，包括激光器、气体检测主控板、光环形器、多路光开关和至少一个气体检测气室；

所述气体检测主控板用于驱动所述激光器，以及控制多路光开关的选通；

所述光环形器的第一端口连接所述激光器的输出端，第二端口连接所述多路光开关，第三端口连接所述气体检测主控板，用于将所述激光器输出的激光信号传送给所述多路光开关，以及将从所述多路光开关反馈回来的激光信号传送给所述气体检测主控板；

所述多路光开关用于选通一路激光信号；以及

所述至少一个气体检测气室用于吸收光谱并将激光信号反射回所述多路光开关，且气体检测气室的输入/输出端与所述多路光开关连接；

所述气体检测主控板还用于接收从所述光环形器的第三端口输出的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算。

2.根据权利要求1所述的分布式气体传感系统，其特征在于，所述系统还包括显示器，用于显示气体浓度计算结果，所述显示器与所述气体检测主控板通过串行通信接口连接。

3.根据权利要求1所述的分布式气体传感系统，其特征在于，所述气体检测主控板包括：

光电二极管，用于将从所述光环形器的第三端口输出的激光信号转换成电流信号；

跨阻放大器，用于将所述电流信号转换成电压信号，其输入端连接所述光电二极管的输出端；

电压放大器，用于放大所述电压信号，其输入端连接所述跨阻放大器的输出端；

模数转换器，用于采样经所述电压放大器放大后的电压信号，其输入端连接所述电压放大器的输出端；以及

控制器，用于计算反射回来的激光信号对应气体的浓度、驱动激光器和控制多路光开关的选通，其与所述模数转换器的输出端连接。

4.根据权利要求1所述的分布式气体传感系统，其特征在于，所述气体检测气室包括外管和设置在与所述输入/输出端正对的另一端内侧的全反镜，所述外管壁上开有通气孔。

5.根据权利要求4所述的分布式气体传感系统，其特征在于，所述外管为铜管或陶瓷管。

6.根据权利要求1-5任一所述的分布式气体传感系统，其特征在于，所述多路光开关选用1×8通道、1×16通道或1×32通道。

7.一种针对权利要求1-6任一所述的分布式气体传感系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

气体检测主控板控制多路光开关选通一路激光信号；

气体检测主控板驱动激光器进行激光波长调制扫描；

气体检测主控板接收从所述光环形器的第三端口输出的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算。

8.根据权利要求7所述的分布式气体传感系统的控制方法，其特征在于，所述接收从所述光环形器的第三端口输出的激光信号，进行光电转换后进行气体浓度计算包括：

光电二极管将从所述光环形器的第三端口输出的激光信号转换成电流信号；

跨阻放大器将所述电流信号转换成电压信号；

电压放大器放大所述电压信号；

模数转换器采样放大后的电压信号；

控制器计算气体浓度。

9.根据权利要求7所述的分布式气体传感系统的控制方法，其特征在于，所述进行光电转换后进行气体浓度计算之后还包括：对计算出的气体浓度进行滑动平均滤波。

10.根据权利要求7-9任一所述的分布式气体传感系统的控制方法，其特征在于，还包括显示气体浓度计算结果。