CN107703075A - 基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置 - Google Patents
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Abstract
基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置，属于气体浓度检测领域，解决了现有的煤矿井下固装式甲烷气体探测器安全性差的问题。所述装置：激光滤波及耦合单元对激光光源发出的脉冲激光进行滤波，将得到的1644nm激光和1654nm激光耦合进光纤隔离器。输入侧耦合器、传感气室与输出侧耦合器构成传感网络，该网络设置在光纤隔离器与激光滤波器之间的光路上。光电探测器将激光滤波器发来的1644nm激光和1654nm激光转换为第一、第二电信号。信号处理单元根据除法器发来的第一、第二电信号的比值得到甲烷气体浓度值并根据所述比值对应的脉冲所在的时间序列以及所述检测装置的光路的总长度，确定该甲烷气体浓度值对应的传感气室。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体浓度检测装置，属于气体浓度检测领域。
背景技术
近年来，我国煤矿井下瓦斯爆炸事故时有发生，造成了严重的人员伤亡和巨大的财产损失。煤矿井中瓦斯气体的主要成分为甲烷，其约占瓦斯气体总体积的85％～97％。因此，对煤矿井下甲烷气体的浓度进行实时检测能够有效地减少煤矿井下瓦斯爆炸事故的发生，是煤矿井下安全生产的重要保证。
现有的甲烷气体探测器主要分为手持式甲烷气体探测器和固装式甲烷气体探测器两种。手持式甲烷气体探测器虽然具有体积小巧、便于携带和灵活性高的优点，但也同时存在着探测精度低、因采用电池供电而有效工作时间短、需要人员下井探测和无法同时对多点进行探测的问题。与手持式甲烷气体探测器相比，固装式甲烷气体探测器的探测精度较高，通过在井下多个探测点设置固装式甲烷气体探测器，能够有效地解决现有手持式甲烷气体探测器存在的需要人员下井探测和无法同时对多点进行探测的问题。现有的固装式甲烷气体探测器通常采用供电电路进行供电，解决了现有手持式甲烷气体探测器有效工作时间短的问题。然而，现有的固装式甲烷气体探测器因采用有源气体传感器而可能对井下工作人员造成电击伤害。更为严重的是，有源气体传感器在工作过程中可能会产生电火花，这不利于煤矿井下的安全生产。
发明内容
本发明为解决现有的煤矿井下固装式甲烷气体探测器的安全性差的问题，提出了一种基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置。
本发明所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置包括激光光源、激光滤波及耦合单元、光纤隔离器、N个传感气室、N个输入侧耦合器、N个输出侧耦合器、激光滤波器、光电探测器、除法器、激光调制器和信号处理单元；
信号处理单元用于通过激光调制器对激光光源进行脉宽调制；
激光滤波及耦合单元用于对激光光源发出的激光进行滤波，得到波长1644nm的激光和波长1654nm的激光，并在将二者耦合后发射至光纤隔离器；
N个传感气室分别设置在N个甲烷气体浓度待测点，传感气室透气设置；
N个输入侧耦合器均为1×2耦合器，N个输出侧耦合器均为2×1耦合器；
光纤隔离器的输出端与第一输入侧耦合器的输入端相连；
对于第一输入侧耦合器～第N输入侧耦合器，前者的第一输出端与后者的输入端相连；
每个传感气室的激光输入端和激光输出端分别与同一序号的输入侧耦合器的第二输出端和同一序号的输出侧耦合器的第一输入端相连；
对于第一输出侧耦合器～第N输出侧耦合器，前者的第二输入端与后者的输出端相连；
激光滤波器用于过滤掉第一输出侧耦合器的出射激光中除波长1644nm的激光和波长1654nm的激光外的干扰光；
光电探测器用于将激光滤波器发来的波长1644nm的激光和波长1654nm的激光分别转换为第一电信号和第二电信号；
除法器用于获得第一电信号与第二电信号的比值；
信号处理单元还用于根据所述比值得到相应的甲烷气体浓度值，并根据所述比值对应的脉冲所在的时间序列以及所述检测装置的光路的总长度，确定该甲烷气体浓度值对应的传感气室。
优选的是，所述检测装置还包括第一放大器和第二放大器，第一放大器的输入端和输出端分别与光电探测器的第一电信号输出端和除法器的第一输入端相连，第二放大器的输入端和输出端分别与光电探测器的第二电信号输出端和除法器的第二输入端相连。
优选的是，激光光源为宽带光源，其输出激光的波长范围为1500nm～1700nm。
优选的是，所述检测装置的各个功能器件之间的光路均采用单模光纤实现。
优选的是，对于第一输入侧耦合器～第N输入侧耦合器，前者与后者之间的单模光纤的长度均相等，对于第一输出侧耦合器～第N输出侧耦合器，前者与后者之间的单模光纤的长度均相等，每个传感气室与同一序号的输入侧耦合器之间的单模光纤的长度均相等，每个传感气室与同一序号的输出侧耦合器之间的单模光纤的长度均相等。
优选的是，传感气室避光设置。
优选的是，输入侧耦合器的第一输出端与第二输出端的分光比为90:1。
优选的是，激光调制器为声光调制器。
优选的是，激光光源发出的激光脉冲信号的脉宽为10ns～50ns。
本发明所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置基于甲烷气体浓度谐波检测原理：经输入侧耦合器进入传感气室的耦合激光包含波长1644nm激光和波长1654nm激光。其中，波长1644nm激光因不被甲烷气体吸收而为参照光，波长1654nm激光因甲烷气体对其吸收能力强而作为检测光。波长1644nm激光和波长1654nm激光在传感气室内发生多次反射，并经输出侧耦合器耦合进入激光滤波器。激光滤波器对入射的波长1644nm与波长1654nm耦合光中的干扰光进行过滤，并将其发送至光电探测器。光电探测器将入射的波长1644nm激光和波长1654nm激光分别转换为第一电信号和第二电信号。除法器将第一电信号与第二电信号的比值发送至信号处理单元。信号处理单元根据其接收到的比值计算得到传感气室内的甲烷气体对1654nm激光的吸收量，并根据该吸收量计算得到传感气室内的甲烷气体浓度。
本发明所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置的有益效果为：所述检测装置采用光学器件作为无源传感单元，不会对井下工作人员造成电击伤害，也不会在工作过程中可能会产生电火花，有利于煤矿井下的安全生产。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置进行更详细的描述，其中：
图1为实施例所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置作进一步说明。
实施例：下面结合图1详细地说明本实施例。
本实施例所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置包括激光光源1、激光滤波及耦合单元2、光纤隔离器3、第一输入侧耦合器4～第三输入侧耦合器6、第一传感气室7～第三传感气室9、第一输出侧耦合器10～第三输出侧耦合器12、激光滤波器13、光电探测器14、除法器17、激光调制器19和信号处理单元18；
信号处理单元18用于通过激光调制器19对激光光源1进行脉宽调制；
激光滤波及耦合单元2用于对激光光源1发出的激光进行滤波，得到波长1644nm激光和1654nm激光，并在将二者耦合后发射至光纤隔离器3；
第一传感气室7～第三传感气室9均透气设置，且分别设置煤矿井下的三个甲烷气体浓度待测点；
第一输入侧耦合器4～第三输入侧耦合器6均为1×2耦合器，第一输出侧耦合器10～第三输出侧耦合器12均为2×1耦合器；
光纤隔离器3的输出端与第一输入侧耦合器4的输入端相连，第一输入侧耦合器4的第一输出端和第二输出端分别与第二输入侧耦合器5的输入端和第一传感气室7的激光输入端相连，第二输入侧耦合器5的第一输出端和第二输出端分别与第三输入侧耦合器6的输入端和第二传感气室8的激光输入端相连，第三输入侧耦合器6的第一输出端为空闲端，其第二输出端与第三传感气室9的激光输入端相连，第三传感气室9的激光输出端与第三输出侧耦合器12的第一输入端相连，其第一输入端为空闲端，第三输出侧耦合器12的输出端与第二输出侧耦合器11的第二输入端，第二输出侧耦合器11的第一输入端和输出端分别与第二传感气室8的激光输出端和第一输出侧耦合器10的第二输入端相连，第一输出侧耦合器10的第一输入端和输出端分别与第一传感气室7的激光输出端和激光滤波器13的输入端相连；
激光滤波器13用于过滤掉第一输出侧耦合器10的出射激光中除波长1644nm激光和波长1654nm激光外的干扰光；
光电探测器14用于将激光滤波器13发来的波长1644nm激光和波长1654nm激光分别转换为第一电信号和第二电信号；
除法器17用于获得第一电信号与第二电信号的比值；
信号处理单元18还用于根据所述比值得到相应的甲烷气体浓度值，并根据所述比值对应的脉冲所在的时间序列以及所述检测装置的光路的总长度，确定该甲烷气体浓度值对应的传感气室。
本实施例的检测装置还包括第一放大器15和第二放大器16，第一放大器15的输入端和输出端分别与光电探测器14的第一电信号输出端和除法器17的第一输入端相连，第二放大器16的输入端和输出端分别与光电探测器14的第二电信号输出端和除法器17的第二输入端相连。本实施例通过第一放大器15和第二放大器16分别对第一电信号和第二电信号进行放大，提高了除法器17计算得到的比值的精度，进而提高了所述检测装置的检测准确性。
本实施例采用红外发光二极管作为宽带红外光源，本实施例的激光滤波及耦合单元2采用光纤无源器件实现。
本实施例的检测装置中，各个功能器件之间的光路均采用单模光纤实现。在实际应用中，可以采用多模光纤替代单模光纤，并更换相应的激光滤波及耦合单元、激光滤波器和光电探测器来实现对多种有害气体的检测。
在本实施例中，对于第一输入侧耦合器4～第三输入侧耦合器6，前者与后者之间的单模光纤的长度均相等，对于第一输出侧耦合器10～第三输出侧耦合器12，前者与后者之间的单模光纤的长度均相等，每个传感气室与同一序号的输入侧耦合器之间的单模光纤的长度均相等，每个传感气室与同一序号的输出侧耦合器之间的单模光纤的长度均相等。如此设置，使得本实施例的信号处理单元确定甲烷气体浓度值对应的传感气室的计算过程更加简便。
本实施例的第一输入侧耦合器4～第三输入侧耦合器6、第一传感气室7～第三传感气室9和第一输出侧耦合器10～第三输出侧耦合器12构成甲烷气体传感网络。在实际应用中，可以通过在第一输入侧耦合器4～第三输入侧耦合器6设置光纤延迟线来调节甲烷气体传感网络的排列间隔。
本实施例的第一传感气室7～第三传感气室9避光、防尘、防水及防撞击设置。
本实施例的激光调制器19为声光调制器。与光源的直接调制技术相比，声光调制技术能够获得更高的调制频率。与电光调制技术相比，声光调制技术具有更高的消光比、更低的驱动功率、更优良的温度稳定性以及更好的光点质量。与机械调制技术相比，声光调制技术具有更小的体积、重量及更好的输出波形。
本实施例的激光光源发出的激光脉冲信号的脉宽为10ns～50ns，激光脉冲信号的重复频率与传输光纤的长度有关，当传输光纤的长度为10km时，激光脉冲信号的重复频率的上限为10kHZ。
本实施例所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置能够在甲烷气体浓度为5％LEL的环境下，达到0.8％的检测水平，该检测水平完全满足工况需要。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，在形式和细节上可以对本发明做出各种变化。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，所述检测装置包括激光光源、激光滤波及耦合单元、光纤隔离器、N个传感气室、N个输入侧耦合器、N个输出侧耦合器、激光滤波器、光电探测器、除法器、激光调制器和信号处理单元；
信号处理单元用于通过激光调制器对激光光源进行脉宽调制；
激光滤波及耦合单元用于对激光光源发出的激光进行滤波，得到波长1644nm的激光和波长1654nm的激光，并在将二者耦合后发射至光纤隔离器；
N个传感气室分别设置在N个甲烷气体浓度待测点，传感气室透气设置；
N个输入侧耦合器均为1×2耦合器，N个输出侧耦合器均为2×1耦合器；
光纤隔离器的输出端与第一输入侧耦合器的输入端相连；
对于第一输入侧耦合器～第N输入侧耦合器，前者的第一输出端与后者的输入端相连；
每个传感气室的激光输入端和激光输出端分别与同一序号的输入侧耦合器的第二输出端和同一序号的输出侧耦合器的第一输入端相连；
对于第一输出侧耦合器～第N输出侧耦合器，前者的第二输入端与后者的输出端相连；
激光滤波器用于过滤掉第一输出侧耦合器的出射激光中除波长1644nm的激光和波长1654nm的激光外的干扰光；
光电探测器用于将激光滤波器发来的波长1644nm的激光和波长1654nm的激光分别转换为第一电信号和第二电信号；
除法器用于获得第一电信号与第二电信号的比值；
信号处理单元还用于根据所述比值得到相应的甲烷气体浓度值，并根据所述比值对应的脉冲所在的时间序列以及所述检测装置的光路的总长度，确定该甲烷气体浓度值对应的传感气室。
2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括第一放大器和第二放大器，第一放大器的输入端和输出端分别与光电探测器的第一电信号输出端和除法器的第一输入端相连，第二放大器的输入端和输出端分别与光电探测器的第二电信号输出端和除法器的第二输入端相连。
3.根据权利要求2所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，激光光源为宽带光源，其输出激光的波长范围为1500nm～1700nm。
4.根据权利要求3所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，所述检测装置的各个功能器件之间的光路均采用单模光纤实现。
5.根据权利要求4所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，
对于第一输入侧耦合器～第N输入侧耦合器，前者与后者之间的单模光纤的长度均相等，对于第一输出侧耦合器～第N输出侧耦合器，前者与后者之间的单模光纤的长度均相等，每个传感气室与同一序号的输入侧耦合器之间的单模光纤的长度均相等，每个传感气室与同一序号的输出侧耦合器之间的单模光纤的长度均相等。
6.根据权利要求5所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，传感气室避光设置。
7.根据权利要求6所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，输入侧耦合器的第一输出端与第二输出端的分光比为90:1。
8.根据权利要求7所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，激光调制器为声光调制器。
9.根据权利要求8所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置，其特征在于，激光光源发出的激光脉冲信号的脉宽为10ns～50ns。
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