CN108548644A - 一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置 - Google Patents

一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置 Download PDF

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CN108548644A CN201810268748.8A CN201810268748A CN108548644A CN 108548644 A CN108548644 A CN 108548644A CN 201810268748 A CN201810268748 A CN 201810268748A CN 108548644 A CN108548644 A CN 108548644A
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董凤忠
孙鹏帅
张志荣
庞涛
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Abstract

本发明公开了一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，包括激光器驱动、传感器和光电探测器，所述激光器左侧连接有激光器驱动和信号发生模块，所述激光器右侧通过环形器与光开关连接，所述前置放大器通过数据采集卡与控制中心连接，所述控制中心与光开关下端连接，本发明结构科学合理，使用安全方便，成本低、结构简单、可大范围普及安装，有利于各种可燃气体站场长时间无人监测，而且通过光信号进行传递，提高了反应速度，并且通过冶金粉末套管可以防止水分子进入光纤氧气传感器中，通过氧气的振动固有频率在760纳米的氧气分子吸收光谱，整体传感结构无源，不带电，防止了传统传感器中有电磁干扰造成安全隐患。

Description

一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置
技术领域
本发明涉及连通石油储罐区域VOC泄漏安全监测技术领域，具体涉及一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置。
背景技术
对于联通储罐，气相联通，通常情况下，储罐内VOC不会泄漏，导致环境造污染，然而由于联通管道阀门，腐蚀等因素，会造成VOC和空气直接接触，极易引发爆炸，通过检测氧气的浓度，可反应联通储罐密封的效果的好坏，为储罐安全运行提供保障，而用于天然气泄漏检测的传感器主要是包括半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器等，这类传感器普遍具有响应速度慢、容易受到其它气体成分的干扰及维护频繁、测量精度低等缺点，难以实现远程、实时、在线监测，这类传感器最大的缺点就是自身带电，在易燃易爆等特殊环境中应用时存在安全隐患，近几年来，国内外在这一领域的研究发展迅速，特别是以激光吸收光谱技术为基础的光学检测方法对天然气泄漏进行监测，包括非分散红外吸收法(NDIR)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪以及可调谐半导体激光器光谱技术(TDLAS)，具有响应速度快、检测效率高等优点，但是NDIR和FTIR是利用近红外波段的分子吸收光谱带来进行检测的，空气中CO2和H2O等气体的影响，使得测量信号背景大，精度低且不宜实现遥测，而可调谐半导体激光器光谱技术(TDLAS)具有高灵敏、高分辨、快速响应可实现远程、在线、原位监测的优点，已成为新型天然气泄漏监测仪器的主要技术，并且，在国外已有采用该技术的手持式甲烷气体遥测仪产品上市，灵敏度可以达到ppm量级，响应时间为0.1s，但测量距离不足10m，同时也有相关的车载和机载泄漏监测设备进行现场实验，一些抽取式可燃气体探测装置已经被一些公司开发，但是这种抽取式设备必须对现场气体进行抽取采样，检测的时间增长，不适合在隧道、天然气站场这种危险场合使用，针对该应用环境下氧气的监测，目前尚无有效的监测手段。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，可以有效解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，它包含激光器驱动、信号发生模块、激光器、环形器、光开关、传感器、光电探测器、前置放大器、数据采集卡、控制中心、分束器，所述激光器左侧连接有激光器驱动、信号发生模块，激光器右侧通过环形器与光开关连接，光开关右侧连接有五个传感器，环形器左侧通过光电探测器与前置放大器连接，前置放大器通过数据采集卡与控制中心连接，控制中心与光开关下端连接，通过光开关51使激光分时地通过5个测量位置的传感器6，其反射回来的光都通过同一个环形器4传输到光电探测器7进行信号的转化解调等过程；具备激光能量充足，实现远距离测量，所用器件较少，容易安装，多点分时测量的特点。
根据上述技术方案，一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，它包含激光器驱动、信号发生模块、激光器、环形器、分束器、传感器、光电探测器、前置放大器、数据采集卡、控制中心，所述激光器左侧连接有激光器驱动、信号发生模块，激光器右侧连接有分束器，分束器右侧连接有五个环形器，环形器右侧连接有传感器，每个环形器左侧连接有光电探测器，每个光电探测器与前置放大器连接，前置放大器连接通过数据采集卡与控制中心连接。激光通过分束器均分为条光束，分别经环形器传输传感器，反射后再由环形器出射端口传输到光电探测器，转换为电信号，信号经前置放大器后，由数据采集卡传输到信号在线处理系统，完成五个测量位置的浓度计算。
根据上述技术方案，所述传感器包括FP腔、FP腔镜面、单模光纤、谐振腔、谐振腔镜面、出射端、入射端、固定法兰、冶金粉末套管、固定通孔、不锈钢套管、保护罩和固定支柱，所述FP腔镜面中部开设有FP腔，所述FP腔内侧贯穿有单模光纤，所述单模光纤顶部套接有谐振腔镜面，所述谐振腔镜面与单模光纤连接处开设有谐振腔，所述谐振腔镜面一端安装有出射端，且谐振腔镜面另一端安装有入射端，所述谐振腔镜面外侧套接有冶金粉末套管，所述冶金粉末套管顶端安装有固定法兰，所述固定法兰四角均开设有固定通孔，且固定法兰外侧安装有保护罩，所述保护罩四角与固定通孔通过固定支柱连接，所述固定法兰底端安装有不锈钢套管，然后经光电探测器，将光信号变成电信号送计算机处理；为了提高耦合效率，大数值孔径的光纤准直头通常可以固定在光斑出射谐振腔面的位置；在使用过程中，为保证光缆的抗拉能力以及机械性能，需要采用铠装光缆；在加工时采用铠装光缆直接与入射端和出射端相连接。
根据上述技术方案，所述FP腔镜面、振腔镜面上同时设置有出射端或入射端或者只单独设置其中一个。
根据上述技术方案，所述单模光纤为三角形排列。
根据上述技术方案，所述保护罩为一种防水级别为IP67的材质构件，且保护罩高度为15cm。
根据上述技术方案，所述冶金粉末套管与固定法兰通过螺纹连接，且冶金粉末套管顶端设置有缓冲垫，便于后期使用者拆卸冶金粉末套管。
根据上述技术方案，所述FP腔镜面和谐振腔镜面均为玻璃材质的构件，且FP腔镜面和谐振腔镜面内部均嵌入有抗静电颗粒。
根据上述技术方案，所述出射端和入射端为光纤准直GRIN透镜，具有大数值孔径，可以提高光纤的耦合效率。
根据上述技术方案，所述传感器安装在储罐顶部，且传感器通过固定法兰打孔安装，传感器6可以放4个到8个传感器。
根据上述技术方案，石油储罐监测装置传感器监测算法，它包含如下步骤：通过氧气的振动固有频率在760纳米的氧气分子吸收光谱，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术，简称为TDLAS，根据物质对不同波长有不同的吸收特征，吸收谱线可作为识别不同气体分子的“指纹”，吸收谱线的位置和强度可以确定分子的成分和浓度，其理论是以Beer-Lambert定理为基础，即一束频率为υ的单色光通过混合气体吸收介质，透过光强It与入射光强Io的比率τ(υ)与该频率处吸收气体的线强S[cm-2atm-1]，摩尔分数C，吸收路径长度L[cm]，总的气体压强P[atm]，以及线型函数φ(υ)的乘积成指数关系：
对式(1)进行光频率积分可得到直接吸收法所测量的吸收面积值：
基于直接吸收所得到的原始信号及拟合得到的吸收面积，由式(3)可反演得到激光路径上所测的目标气体的摩尔分数值：
根据上述技术方案，所述直接吸收法进行吸收信号的解调提取时，由于受到光源、光路中不定因素引起的光强变化、电路及探测器引入的噪声干扰等因素，在对基线进行拟合时，会引入较大的误差，极大地影响了系统的最低测量极限，为提高信号检测灵敏度，将微弱信号检测中调制技术应用到了TDLAS中，即，在低频的扫描信号上叠加了高频的调制信号，通过锁相放大器解调出特定频率来获得吸收信号，根据添加的高频调制频率的不同可将调制技术分为波长调制和频率调制，波长调制频率较低，在几十Hz到几MHz，频率调制的频率一般要在几百MHz以上，频率调制的检测灵敏度比波长调制要高两个数量级，但成本和技术要求较高，而波长调制技术可满足大多数需求，且技术相对频率调制简单，因此，目前波长调制技术是应用最多的调制技术。
根据上述技术方案，所述波长调制技术在扫描信号上叠加了角频率为ω的正弦高频调制电流，同时将其加载到激光器电流驱动板上，得到调制后的激光输出频率v(t)和强度I0(t)可表示为：
其中，φ是强度调制与波长调制的相位差，a和i0分别是频率和强度的调制幅度，默认为激光强度和波长的变化与所加的驱动电流值呈线性关系[10]，经调制后的透过率τ(v)，是一个周期为wt的偶函数，通过傅里叶级数展开为：
其中Hk为透过率级数k的傅里叶系数，可表示为：
为获得谐波信号，将探测器接收的光信号转换为电信号输入锁相放大器，即：把得到的信号与参考信号输入相敏检波器，再通过低通滤波器得到直流信号，若所加参考信号角频率为2w，可以得到透过光强的二阶信息，结合式(9)、(10)和
(11)，便可计算得到二次谐波信号表达式：
该式中忽略了光强调制与频率调制的相位差，在锁相过程中通过调节相敏检波器可以使该相位差趋近于零，同时也去掉了调制引起光强的非线性项，因为该项在低调制深度时没有很大意义，一般情况下可以通过扣除背景的方法去掉，在洛伦兹线型下对锁相放大器输出的二次谐波波形的数值仿真结果，其中包含了一阶、三阶的和频、差频分量的贡献，由于傅里叶级数展开的偶数项在中心频率处达到最大值，奇数项在谱线中心频率处的值为零，故二次谐波信号的峰值只有H2贡献。
根据上述技术方案，所述二次谐波信号通常包含光强信号、背景信号、非线性光强调制等信息，为得到纯粹的吸收信号，可通过扣除背景信号和一次谐波信号归一化处理，由此可通过处理的二次谐波信号峰值和双吸收谱线的谐波信号比值，进行气体浓度和温度的测量，其测量过程方法与直接吸收测量过程相似。
根据上述技术方案，所述谐波信号中用到的电路为数字锁相放大电路，所述谐波信号中用到的电路为数字锁相放大电路，该解调系统通过4G协议与上位机通信因此，1秒内最快可检测两个位置的氧气浓度，但由于平均时间显示，通常小于该频率，最大扫描频率为30Hz，较其它锁相版，该板子包含了信号发生和解调两个功能，参数设置都采用数字形式，所以具有高集成，易操作等优点。
根据上述技术方案，针对不同浓度的氧气分别进行连续的测量，验证样机的测试灵敏度及分辨率，向标气池中分别冲入浓度为1.12％和4.99％的氧气，并保持3min左右，该过程中不仅验证系统测量的响应速度，还测量了不同浓度下实验系统的稳定性，结果表明，系统在1.02％、4.99％和空气(21％)均有良好的稳定性，测量稳定准确度均在3％以内。
在实际应用过程中，传感器实在纯氮气环境下，通过检测氧气浓度变化来反应是否有微弱的泄漏，因此在是实验中，将传感器外侧加以密闭的腔体，实验过程中第一阶段：向腔体内冲入N2，约3min腔体内已完全为氮气，氧气浓度显示为0；第二阶段：稳定5min左右，氧气浓度一直为0；第三阶段：打开腔体上的小孔，模拟实际的泄漏情况，发现氧气浓度逐渐上升，说明空气通过小孔扩散进入腔体内部，其中有一段氧气突变为0，是通过切换通道，来检测通道之间的相互干扰情况，结果表明，相邻通道的数据相互独立，没有影响；空气扩散速度与小孔大小和空气流速有关，为验证传感器6的响应速度，通过微型换气泵加大小孔的空气流速，发现氧气浓度上升速度明显高于之前的自由扩散，经20min左右氧气浓度上升为21％左右，说明腔体内已经完全置换为空气。
本发明的工作原理：通过光开关使激光分时地通过五个个测量位置的传感器，其反射回来的光都通过同一个环形器传输到光电探测器进行信号的转化解调等过程；具备激光能量充足，实现远距离测量，所用器件较少，容易安装，多点分时测量的特点；激光通过分束器均分为条光束，分别经环形器传输传感器，反射后再由环形器出射端口传输到光电探测器，转换为电信号，信号经前置放大器后，由数据采集卡传输到信号在线处理系统，完成五个测量位置的浓度计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果：使用安全方便，成本低、结构简单、可大范围普及安装，有利于各种可燃气体站场长时间无人监测，而且通过光信号进行传递，提高了反应速度，并且通过冶金粉末套管可以防止水分子进入光纤氧气传感器中，通过氧气的振动固有频率在760纳米的氧气分子吸收光谱，整体传感结构无源，不带电，防止了传统传感器中有电磁干扰造成安全隐患。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中传感器的结构示意图；
图3是本发明中入射端的结构示意图；
图4是本发明中固定法兰安装的结构示意图；
图5是本发明中冶金粉末套管安装的结构示意图；
图6是本发明中传感器主视图；
图7是本发明中保护罩的结构示意图；
图8是本发明中二次谐波信号的构成示意图；
图9是本发明中不同浓度的氧气连续测量图；
图10是本发明中模拟泄漏过程中氧气浓度变化图；
图11是本发明中不同浓度二次谐波信号图；
图12是本发明中实施例1的结构示意图；
图13是本发明中实施例2的结构示意图；
图14是本发明中信号传输的结构示意图；
附图标记说明：1、激光器驱动；2、信号发生模块；3、激光器；4、环形器；51、光开关；6、传感器；7、光电探测器；8、前置放大器；9、数据采集卡；10、控制中心；52、分束器；61、FP腔；62、FP腔镜面；63、单模光纤；64、谐振腔；65、谐振腔镜面；66、出射端；67、入射端；68、固定法兰；69、冶金粉末套管；610、固定通孔；611、不锈钢套管；612、保护罩；613、固定支柱。
具体实施方式
实例1
参看图1-图14所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含激光器驱动1、信号发生模块2、激光器3、环形器4、光开关51、传感器6、光电探测器7、前置放大器8、数据采集卡9、控制中心10，激光器3左侧连接有激光器驱动1、信号发生模块2，激光器3右侧通过环形器4与光开关51连接，光开关51右侧连接有五个传感器6，环形器4左侧通过光电探测器7与前置放大器8连接，前置放大器8通过数据采集卡9与控制中心10连接，控制中心10与光开关51下端连接。通过光开关51使激光分时地通过5个测量位置的传感器6，其反射回来的光都通过同一个环形器4传输到光电探测器7进行信号的转化解调等过程；具备激光能量充足，实现远距离测量，所用器件较少，容易安装，多点分时测量的特点。
传感器6包括FP腔61、FP腔镜面62、单模光纤63、谐振腔64、谐振腔镜面65、出射端66、入射端67、固定法兰68、冶金粉末套管69、固定通孔610、不锈钢套管611、保护罩612和固定支柱613，FP腔镜面62中部开设有FP腔61，FP腔61内侧贯穿有单模光纤63，为了增加单模光纤63的稳定性，单模光纤63为三角形排列，单模光纤63顶部套接有谐振腔镜面65，为了增加FP腔镜面62和谐振腔镜面65使用范围，本实施例中，优选的，FP腔镜面62和谐振腔镜面65均为玻璃材质的构件，且FP腔镜面62和谐振腔镜面65内部均嵌入有抗静电颗粒，谐振腔镜面65与单模光纤63连接处开设有谐振腔64，谐振腔镜面65一端安装有出射端66，且谐振腔镜面65另一端安装有入射端67，为了增加传感器6的使用范围，FP腔镜面62、振腔镜面65上同时设置有出射端67或入射端66或者只单独设置其中一个，谐振腔镜面65外侧套接有冶金粉末套管69，为了便于使用者更换冶金粉末套管69，冶金粉末套管69与固定法兰68通过螺纹连接，且冶金粉末套管69顶端设置有缓冲垫，冶金粉末套管69顶端安装有固定法兰68，固定法兰68四角均开设有固定通孔610，且固定法兰68外侧安装有保护罩612，为了增加保护罩612的防水性，保护罩612为一种防水级别为IP67的材质构件，且保护罩612高度为15cm，保护罩612四角与固定通孔610通过固定支柱613连接，固定法兰68底端安装有不锈钢套管，然后经光电探测器7，将光信号变成电信号送计算机处理；为了提高耦合效率，大数值孔径的光纤准直头通常可以固定在光斑出射谐振腔面的位置；在使用过程中，为保证光缆的抗拉能力以及机械性能，需要采用铠装光缆；在加工时采用铠装光缆直接与入射端和出射端相连接，为了防止传感器6的信号衰减，本实施例中，优选的，传感器6每隔1KM使用半导体光SOA放大器增强光信号的传播，为了便于安装传感器6，本实施例中，优选的，传感器6安装在储罐顶部，且传感器6通过固定法兰68打孔安装。
用于石油储罐泄漏监测的光纤氧气传感器制作方法，它包含如下步骤：
通过氧气的振动固有频率在760纳米的氧气分子吸收光谱，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术，简称为TDLAS，根据物质对不同波长有不同的吸收特征，吸收谱线可作为识别不同气体分子的“指纹”，吸收谱线的位置和强度可以确定分子的成分和浓度，其理论是以Beer-Lambert定理为基础，即一束频率为υ的单色光通过混合气体吸收介质，透过光强It与入射光强Io的比率τ(υ)与该频率处吸收气体的线强S[cm-2atm-1]，摩尔分数C，吸收路径长度L[cm]，总的气体压强P[atm]，以及线型函数φ(υ)的乘积成指数关系：
对式(1)进行光频率积分可得到直接吸收法所测量的吸收面积值：
基于直接吸收所得到的原始信号及拟合得到的吸收面积，由式(3)可反演得到激光路径上所测的目标气体的摩尔分数值：
直接吸收法进行吸收信号的解调提取时，由于受到光源、光路中不定因素引起的光强变化、电路及探测器引入的噪声干扰等因素，在对基线进行拟合时，会引入较大的误差，极大地影响了系统的最低测量极限，为提高信号检测灵敏度，将微弱信号检测中调制技术应用到了TDLAS中，即，在低频的扫描信号上叠加了高频的调制信号，通过锁相放大器解调出特定频率来获得吸收信号，根据添加的高频调制频率的不同可将调制技术分为波长调制和频率调制，波长调制频率较低，在几十Hz到几MHz，频率调制的频率一般要在几百MHz以上，频率调制的检测灵敏度比波长调制要高两个数量级，但成本和技术要求较高，而波长调制技术可满足大多数需求，且技术相对频率调制简单，因此，目前波长调制技术是应用最多的调制技术。
波长调制技术在扫描信号上叠加了角频率为ω的正弦高频调制电流，同时将其加载到激光器电流驱动板上，得到调制后的激光输出频率v(t)和强度I0(t)可表示为：
其中，φ是强度调制与波长调制的相位差，a和i0分别是频率和强度的调制幅度，默认为激光强度和波长的变化与所加的驱动电流值呈线性关系[10]，经调制后的透过率τ(v)，是一个周期为wt的偶函数，通过傅里叶级数展开为：
其中Hk为透过率级数k的傅里叶系数，可表示为：
为获得谐波信号，将探测器接收的光信号转换为电信号输入锁相放大器，即：把得到的信号与参考信号输入相敏检波器，再通过低通滤波器得到直流信号，若所加参考信号角频率为2w，可以得到透过光强的二阶信息，结合式(9)、(10)和
(11)，便可计算得到二次谐波信号表达式：
该式中忽略了光强调制与频率调制的相位差，在锁相过程中通过调节相敏检波器可以使该相位差趋近于零，同时也去掉了调制引起光强的非线性项，因为该项在低调制深度时没有很大意义，一般情况下可以通过扣除背景的方法去掉，在洛伦兹线型下对锁相放大器输出的二次谐波波形的数值仿真结果，其中包含了一阶、三阶的和频、差频分量的贡献，由于傅里叶级数展开的偶数项在中心频率处达到最大值，奇数项在谱线中心频率处的值为零，故二次谐波信号的峰值只有H2贡献。
二次谐波信号通常包含光强信号、背景信号、非线性光强调制等信息，为得到纯粹的吸收信号，可通过扣除背景信号和一次谐波信号归一化处理，由此可通过处理的二次谐波信号峰值和双吸收谱线的谐波信号比值，进行气体浓度和温度的测量，其测量过程方法与直接吸收测量过程相似。
谐波信号中用到的电路为数字锁相放大电路，所述谐波信号中用到的电路为数字锁相放大电路，该解调系统通过4G协议与上位机通信，可通过上位机向锁相板发送24字节设置命令，用于设置数据更新速率，扫描频率，调节相位和时间常数等参数，锁相版向上位机发送2052字节数据包，每包包含4个字节同步码和一个扫描周期内的1024个取值点，每点为16-bit数据，高字节在前；该数字锁相版数据最大更新速率为400ms，因此，1秒内最快可检测两个位置的氧气浓度，但由于平均时间显示，通常小于该频率，最大扫描频率为30Hz，较其它锁相版，该板子包含了信号发生和解调两个功能，参数设置都采用数字形式，所以具有高集成，易操作等优点。
针对不同浓度的氧气分别进行连续的测量，验证样机的测试灵敏度及分辨率，向标气池中分别冲入浓度为1.12％和4.99％的氧气，并保持3min左右，该过程中不仅验证系统测量的响应速度，还测量了不同浓度下实验系统的稳定性，结果表明，系统在1.02％、4.99％和空气(21％)均有良好的稳定性，测量稳定准确度均在3％以内。
在实际应用过程中，传感器6实在纯氮气环境下，通过检测氧气浓度变化来反应是否有微弱的泄漏，因此在是实验中，将传感器6外侧加以密闭的腔体，实验过程中第一阶段：向腔体内冲入N2，约3min腔体内已完全为氮气，氧气浓度显示为0；第二阶段：稳定5min左右，氧气浓度一直为0；第三阶段：打开腔体上的小孔，模拟实际的泄漏情况，发现氧气浓度逐渐上升，说明空气通过小孔扩散进入腔体内部，其中有一段氧气突变为0，是通过切换通道，来检测通道之间的相互干扰情况，结果表明，相邻通道的数据相互独立，没有影响；空气扩散速度与小孔大小和空气流速有关，为验证传感器6的响应速度，通过微型换气泵加大小孔的空气流速，发现氧气浓度上升速度明显高于之前的自由扩散，经20min左右氧气浓度上升为21％左右，说明腔体内已经完全置换为空气。
实例2
参看图8，一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，它包含激光器驱动1、信号发生模块2、激光器3、环形器4、分束器52、传感器6、光电探测器7、前置放大器8、数据采集卡9、控制中心10，激光器3左侧连接有激光器驱动1、信号发生模块2，激光器3右侧连接有分束器52，分束器52右侧连接有五个环形器4，环形器4右侧连接有传感器6，每个环形器4左侧连接有光电探测器7，每个光电探测器7与前置放大器8连接，前置放大器8连接通过数据采集卡9与控制中心10连接。激光通过分束器52均分为5条光束，分别经环形器4传输传感器6，反射后再由环形器4出射端口传输到光电探测器7，转换为电信号，信号经前置放大器8后，由数据采集卡9传输到信号在线处理系统，完成五个测量位置的浓度计算。其它组成、算法与连接关系与实例1相同。
本发明的工作原理：通过光开关51使激光分时地通过5个测量位置的传感器6，其反射回来的光都通过同一个环形器4传输到光电探测器7进行信号的转化解调等过程；具备激光能量充足，实现远距离测量，所用器件较少，容易安装，多点分时测量的特点；激光通过分束器52均分为5条光束，分别经环形器4传输传感器6，反射后再由环形器4出射端口传输到光电探测器7，转换为电信号，信号经前置放大器8后，由数据采集卡9传输到信号在线处理系统，完成五个测量位置的浓度计算。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (17)

1.一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄露监测装置，其特征在于：它包含激光器驱动(1)、信号发生模块(2)、激光器(3)、环形器(4)、光开关(51)、传感器(6)、光电探测器(7)、前置放大器(8)、数据采集卡(9)、控制中心(10)、分束器(52)，所述激光器(3)左侧连接有激光器驱动(1)、信号发生模块(2)，激光器(3)右侧通过环形器(4)与光开关(51)连接，光开关(51)右侧连接有五个传感器(6)，环形器(4)左侧通过光电探测器(7)与前置放大器(8)连接，前置放大器(8)通过数据采集卡(9)与控制中心(10)连接，控制中心(10)与光开关(51)下端连接。
2.一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄露监测装置，它包含激光器驱动(1)、信号发生模块(2)、激光器(3)、环形器(4)、分束器(52)、传感器(6)、光电探测器(7)、前置放大器(8)、数据采集卡(9)、控制中心(10)，所述激光器(3)左侧连接有激光器驱动(1)、信号发生模块(2)，激光器(3)右侧连接有分束器(52)，分束器(52)右侧连接有五个环形器(4)，环形器(4)右侧连接有传感器(6)，每个环形器(4)左侧连接有光电探测器(7)，每个光电探测器(7)与前置放大器(8)连接，前置放大器(8)连接通过数据采集卡(9)与控制中心(10)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄露监测装置，其特征在于：所述传感器(6)包括FP腔(61)、FP腔镜面(62)、单模光纤(63)、谐振腔(64)、谐振腔镜面(65)、出射端(66)、入射端(67)、固定法兰(68)、冶金粉末套管(69)、固定通孔(610)、不锈钢套管(611)、保护罩(612)和固定支柱(613)，其特征在于：所述FP腔镜面(62)中部开设有FP腔(61)，所述FP腔(61)内侧贯穿有单模光纤(63)，所述单模光纤(63)顶部套接有谐振腔镜面(65)，所述谐振腔镜面(65)与单模光纤(63)连接处开设有谐振腔(64)，所述谐振腔镜面(65)一端安装有出射端(66)，且谐振腔镜面(65)另一端安装有入射端(67)，所述谐振腔镜面(65)外侧套接有冶金粉末套管(69)，所述冶金粉末套管(69)顶端安装有固定法兰(68)，所述固定法兰(68)四角均开设有固定通孔(610)，且固定法兰(68)外侧安装有保护罩(612)，所述保护罩(612)四角与固定通孔(610)通过固定支柱(613)连接，所述固定法兰(68)底端安装有不锈钢套管(611)。
4.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，其特征在于：所述FP腔镜面(62)、振腔镜面(65)上同时设置有出射端(67)或入射端(66)或者只单独设置其中一个。
5.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，其特征在于：所述单模光纤(63)为三角形排列。
6.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，其特征在于：所述保护罩(612)为一种防水级别为IP67的材质构件，且保护罩(612)高度为15cm。
7.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，其特征在于，所述冶金粉末套管(69)与固定法兰(68)通过螺纹连接，且冶金粉末套管(69)顶端设置有缓冲垫。
8.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，其特征在于，所述FP腔镜面(62)和谐振腔镜面(65)均为玻璃材质的构件，且FP腔镜面(62)和谐振腔镜面(65)内部均嵌入有抗静电颗粒。
9.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，其特征在于，所述出射端(66)和入射端(67)为光纤准直GRIN透镜，具有大数值孔径，可以提高光纤的耦合效率。
10.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，其特征在于，所述传感器(6)安装在储罐顶部，且传感器(6)通过固定法兰(68)打孔安装，传感器(6)可以放4个到8个传感器。
11.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，其特征在于，所述传感器(6)每隔1KM使用半导体光SOA放大器增强光信号的传播。
12.根据权利要求1和2所述的一种基于光纤氧气传感的联通石油储罐泄漏监测装置，其特征在于，所述传感器(6)可以与信息处理单元通过无线传输。
13.石油储罐泄漏监测的光纤氧气传感器制作方法，其特征在于，它包含如下步骤：通过氧气的振动固有频率在760纳米的氧气分子吸收光谱，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术，简称为TDLAS，根据物质对不同波长有不同的吸收特征，吸收谱线可作为识别不同气体分子的“指纹”，吸收谱线的位置和强度可以确定分子的成分和浓度，其理论是以Beer-Lambert定理为基础，即一束频率为υ的单色光通过混合气体吸收介质，透过光强It与入射光强Io的比率τ(υ)与该频率处吸收气体的线强S[cm-2atm-1]，摩尔分数C，吸收路径长度L[cm]，总的气体压强P[atm]，以及线型函数φ(υ)的乘积成指数关系：
对式(1)进行光频率积分可得到直接吸收法所测量的吸收面积值：
基于直接吸收所得到的原始信号及拟合得到的吸收面积，由式(3)可反演得到激光路径上所测的目标气体的摩尔分数值：
14.根据权利要求13所述的用于石油储罐泄漏监测的光纤氧气传感器制作方法，其特征在于，所述直接吸收法进行吸收信号的解调提取时，由于受到光源、光路中不定因素引起的光强变化、电路及探测器引入的噪声干扰等因素，在对基线进行拟合时，会引入较大的误差，极大地影响了系统的最低测量极限，为提高信号检测灵敏度，将微弱信号检测中调制技术应用到了TDLAS中，即，在低频的扫描信号上叠加了高频的调制信号，通过锁相放大器解调出特定频率来获得吸收信号，根据添加的高频调制频率的不同可将调制技术分为波长调制和频率调制，波长调制频率较低，在几十Hz到几MHz，频率调制的频率一般要在几百MHz以上，频率调制的检测灵敏度比波长调制要高两个数量级，但成本和技术要求较高，而波长调制技术可满足大多数需求，且技术相对频率调制简单，因此，目前波长调制技术是应用最多的调制技术。
15.根据权利要求14所述的用于石油储罐泄漏监测的光纤氧气传感器制作方法，其特征在于，所述波长调制技术在扫描信号上叠加了角频率为ω的正弦高频调制电流，同时将其加载到激光器电流驱动板上，得到调制后的激光输出频率v(t)和强度I0(t)可表示为：
其中，是强度调制与波长调制的相位差，a和i0分别是频率和强度的调制幅度，默认为激光强度和波长的变化与所加的驱动电流值呈线性关系[10]，经调制后的透过率τ(v)，是一个周期为wt的偶函数，通过傅里叶级数展开为：
其中Hk为透过率级数k的傅里叶系数，可表示为：
为获得谐波信号，将探测器接收的光信号转换为电信号输入锁相放大器，即：把得到的信号与参考信号输入相敏检波器，再通过低通滤波器得到直流信号，若所加参考信号角频率为2w，可以得到透过光强的二阶信息，结合式(9)、(10)和(11)，便可计算得到二次谐波信号表达式：
该式中忽略了光强调制与频率调制的相位差，在锁相过程中通过调节相敏检波器可以使该相位差趋近于零，同时也去掉了调制引起光强的非线性项，因为该项在低调制深度时没有很大意义，一般情况下可以通过扣除背景的方法去掉，在洛伦兹线型下对锁相放大器输出的二次谐波波形的数值仿真结果，其中包含了一阶、三阶的和频、差频分量的贡献，由于傅里叶级数展开的偶数项在中心频率处达到最大值，奇数项在谱线中心频率处的值为零，故二次谐波信号的峰值只有H2贡献。
16.根据权利要求15所述的用于石油储罐泄漏监测的光纤氧气传感器制作方法，其特征在于，所述二次谐波信号通常包含光强信号、背景信号、非线性光强调制等信息，为得到纯粹的吸收信号，可通过扣除背景信号和一次谐波信号归一化处理，由此可通过处理的二次谐波信号峰值和双吸收谱线的谐波信号比值，进行气体浓度和温度的测量，其测量过程方法与直接吸收测量过程相似。
17.根据权利要求16所述的用于石油储罐泄漏监测的光纤氧气传感器制作方法，其特征在于，所述谐波信号中用到的电路为数字锁相放大电路，该解调系统通过4G协议与上位机通信。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109375677A (zh) * 2018-10-09 2019-02-22 宋正男 一种利于人们健康的空气优化和频谱养生波组合装修系统
CN110231374A (zh) * 2019-06-28 2019-09-13 浙江工业大学 一种基于疏水吸油材料的油污在线监测方法
CN110879276A (zh) * 2019-10-31 2020-03-13 青岛崂应海纳光电环保集团有限公司 气体分析仪器滤波方法
CN111579532A (zh) * 2020-06-03 2020-08-25 北京航空航天大学 一种基于频分复用和主峰扫描的激光吸收光谱层析成像方法
CN114460039A (zh) * 2022-01-07 2022-05-10 南京科远智慧科技集团股份有限公司 用于tdlas煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201194005Y (zh) * 2008-04-03 2009-02-11 浙江大学 多源层析激光测量烟气、颗粒浓度和温度分布的装置
CN103207162A (zh) * 2013-03-19 2013-07-17 石家庄供电公司 基于光纤传感的电缆隧道多种气体浓度在线监测系统
CN107741399A (zh) * 2017-09-06 2018-02-27 武汉理工大学 一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201194005Y (zh) * 2008-04-03 2009-02-11 浙江大学 多源层析激光测量烟气、颗粒浓度和温度分布的装置
CN103207162A (zh) * 2013-03-19 2013-07-17 石家庄供电公司 基于光纤传感的电缆隧道多种气体浓度在线监测系统
CN107741399A (zh) * 2017-09-06 2018-02-27 武汉理工大学 一种基于光电探测器的光纤氢气检测装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109375677A (zh) * 2018-10-09 2019-02-22 宋正男 一种利于人们健康的空气优化和频谱养生波组合装修系统
CN110231374A (zh) * 2019-06-28 2019-09-13 浙江工业大学 一种基于疏水吸油材料的油污在线监测方法
CN110231374B (zh) * 2019-06-28 2022-03-18 浙江工业大学 一种基于疏水吸油材料的油污在线监测方法
CN110879276A (zh) * 2019-10-31 2020-03-13 青岛崂应海纳光电环保集团有限公司 气体分析仪器滤波方法
CN111579532A (zh) * 2020-06-03 2020-08-25 北京航空航天大学 一种基于频分复用和主峰扫描的激光吸收光谱层析成像方法
CN114460039A (zh) * 2022-01-07 2022-05-10 南京科远智慧科技集团股份有限公司 用于tdlas煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法
CN114460039B (zh) * 2022-01-07 2024-02-02 南京科远智慧科技集团股份有限公司 用于tdlas煤粉锅炉炉膛气体测量的发射光功率管理方法

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