CN112304900B - 一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪 - Google Patents

一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，其穿戴式壳体上设有甲烷检测模组，甲烷检测模组包括可调谐半导体激光器、光学腔、光电探测模块以及数据采集及处理模块；还包括压力传感器、TEC半导体制冷器、显示模块、报警模块以及与光学腔的内部空间相连通的被测气体体积调节腔，被测气体体积调节腔内设有活塞，活塞与螺杆的一端相铰接，螺杆上螺接有螺母，螺母外周所设的第一啮合齿和齿轮相啮合，齿轮与步进电机的输出轴连接；光学腔上的被测气体进气接口与换气泵的出气口连接。本发明相对于现有技术TDLAS甲烷浓度检测装置其简化了检测装置的复杂结构，使得不需要更高精度的光学腔即可实现较高检测精度的甲烷浓度测量值。

Description

一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪
技术领域
本发明属于甲烷气体检测领域，具体涉及一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪。
背景技术
甲烷是一种可燃气体，是继煤炭、石油后又一重要天然燃料。由于甲烷在空气含量超过5.3％，遇火就会发生爆炸，因此又是一种易爆气体，煤矿瓦斯(主要成分是甲烷)或天然气爆炸会给国民经济及人民安全带来重大的损失。因此必须严格预防井下煤矿的瓦斯爆炸及天然气泄漏的问题，尤其对于井下瓦斯爆炸防范问题，最好由专门检测人员携带检测设备进行定时巡检，以及时发现瓦斯浓度水平是否较高或攀升显著，从而做到及早防范瓦斯爆炸的问题。
可调谐半导体激光吸收光谱技术(简称TDLAS技术)的原理是：物质对不同频率的电磁波有不同的吸收，因此可将吸收谱线作为识别不同气体分子的“指纹”，根据吸收谱线的位置和强度确定分子的成分和浓度。TDLAS技术以可调谐半导体激光器作为光源，具有很高的光谱分辨率和可调谐性，利用这些特点对甲烷气体分子在该光谱范围内的一条振转线的光谱吸收进行测量，从而可实现对甲烷气体浓度的探测。在采用TDLAS测量法测量甲烷气体浓度时，待测气体包含甲烷气体成分，甲烷气体成分具有特定波长的吸收特性。因此，在将具有特定频率f的入射激光导入待测气体时，入射激光在该待测气体的甲烷气体成分的特定频率f附近被强烈吸收。获取入射激光被甲烷气体成分吸收的强度，并参照入射激光的强度，可以反演计算出待测气体中甲烷气体成分的浓度。
现有的腔增强型TDLAS气体检测装置在检测测量气室中的浓度较低甲烷气体时，一般仅单纯的依靠增加激光吸收光程来提高检测精度，为了增加激光吸收光程往往使检测激光在测量气室(光学腔)中进行若干次反射，以尽可能增加气体吸收效果，然而由于气室中的甲烷浓度较低，甲烷气体对激光的吸收具有较大的偶然性再加之激光的反复反射所造成的光能反射损失，则难以显著减小气体浓度测量的误差，同时由于待测甲烷浓度较低难以有效的监测环境中甲烷浓度的变化状况，不能做到及时预警。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术中存在的问题，提供一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，能够在较少的激光反复反射吸收光程下，通过增大甲烷气体浓度的方法来补偿所减少的激光吸收光程，当测出被压缩体积后的被测气体中的甲烷浓度后，通过体积换算，再将该甲烷浓度转换为未被压缩体积时的被测气体下的甲烷气体浓度，并取一次被测气体样品中的多次体积压缩下的甲烷气体浓度测量值的平均值作为当前甲烷浓度测量的最终甲烷气体浓度值，能够保证甲烷检测的稳定性和可靠性。
本发明的技术方案是：一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，包括甲烷检测模组，所述甲烷检测模组包括可调谐半导体激光器、光学腔、光电探测模块以及数据采集及处理模块，其中所述可调谐半导体激光器发出甲烷检测用激光，所述激光经准直后输入所述光学腔，光学腔使所述激光在其两块凹球面高反镜之间经过若干次反射并被光学腔内的甲烷气体吸收，光电探测模块接收从光学腔出射的激光后，将光信号转换成电信号并输送给数据采集及处理模块，数据采集及处理模块通过分析和计算，得到当前光学腔内甲烷气体的浓度值，所述甲烷检测模组设置在一穿戴式壳体上，所述穿戴式壳体用于穿戴在人的肩背部，便于人在移动中随时检测所在环境中的甲烷气体浓度，其中穿戴式壳体上连接有用于与人体相固定的束缚带，所述甲烷检测模组还包括：
被测气体体积调节腔，与所述光学腔的内部空间相连通，所述被测气体体积调节腔内部滑动密封连接有活塞，活塞与螺杆的一端相铰接，螺杆上螺纹连接有螺母，螺母的外壁上沿螺母的周向设有第一啮合齿，螺母通过第一啮合齿与齿轮相啮合，齿轮与步进电机的输出轴轴连接，步进电机固定于被测气体体积调节腔的外壁上；所述光学腔的侧壁设有被测气体进气接口，被测气体体积调节腔的侧壁上设有被测气体出气接口，其中被测气体进气接口和被测气体出气接口均设有电磁阀；所述步进电机转动带动齿轮和螺母转动，进而带动螺杆转动，使得活塞能够左右移动，当活塞向左移动时，使得填充于被测气体体积调节腔和光学腔中的被测气体得到压缩；
压力传感器，设置于活塞的面向被测气体体积调节腔内部一侧的面上，用于测量被测气体体积调节腔内的被测气体的压力值；
TEC半导体制冷器，数量为多个，设于光学腔的侧壁以及被测气体体积调节腔的侧壁上，其中设于光学腔侧壁上的TEC半导体制冷器的冷端面向光学腔内部，设于被测气体体积调节腔侧壁上的TEC半导体制冷器的冷端面向活塞前方的被测气体体积调节腔内部；各TEC半导体制冷器用于给被压缩的被测气体降温；
换气泵，其出气口与所述被测气体进气接口通过供气管连接，用于向光学腔和被测气体体积调节腔内部泵入环境中的被测气体；
微处理器，用于控制所述步进电机转动，使得活塞按照要求的位移进行移动，使得被测气体体积调节腔和光学腔中的气体总体体积被压缩达到设定的体积量V；同时微处理器接收压力传感器所测量到的被压缩的被测气体的压力值，当该压力值高于被测气体未被压缩时的压力值时，微处理器控制所述TEC半导体制冷器给被测气体体积调节腔和光学腔中的被压缩的被测气体降温，直至被测气体体积调节腔和光学腔中的被测气体体积达到设定的体积量V、且压力传感器检测到的被测气体的压力值等于被测气体未被压缩时的压力值时，所述微处理器控制所述TEC半导体制冷器停止给光学腔中的被压缩的被测气体降温；微处理器还用于接收所述数据采集及处理模块所得到的对应于所述设定的体积量V、且压强值与被压缩前的压强值相等时的甲烷浓度值n，并根据公式n0＝(n*V)/V0，得到被测气体未被压缩时的甲烷浓度值n0，其中V0为被测气体体积调节腔和光学腔的总容积；所述被测气体最终的甲烷浓度值取所述活塞按照多次设定的相应位移进行移动后所获得的多个未被压缩时的甲烷浓度值n0的平均值
Figure GDA0003915706740000041
所述微处理器还用于计算当前甲烷浓度检测所获得的实际甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000042
与相邻的上一次甲烷浓度检测所获得的实际甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000043
相比所得到的比值，所述微处理器每隔设定的时间检测一次甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000044
且每次检测当前甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000045
前均会开启两个所述电磁阀并通过所述换气泵向光学腔和被测气体体积调节腔的内部重新泵入被测气体，使得光学腔和被测气体体积调节腔内部的被测气体更新成当前外界环境中的气体成分，当所述换气泵运行达到设定的时长后，默认为光学腔和被测气体体积调节腔内部的被测气体更新完成，则所述微处理器关闭换气泵及两个电磁阀；
显示模块，用于接收并显示所述微处理器所获得的被测气体的实际甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000046
以及所述比值；
报警模块，用于发出第一报警声和第二报警声，当所述被测气体的甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000047
超过设定的浓度值时发出第一报警声，当所述比值超过设定的数值时发出第二报警声；
电源模块，用于向所述甲烷检测模组、显示模块、微处理器、报警模块以及换气泵供电。
上述可调谐半导体激光器的激光输出端与激光导出光纤连接，并通过第一准直透镜将所导出的激光输入所述光学腔，所述光电探测模块的光输入端与激光导出光纤连接，并通过第二准直透镜将从光学腔输出的激光通过激光导出光纤输送至所述光电探测模块。
上述被测气体体积调节腔的内部设有用于阻止所述活塞继续朝被测气体体积调节腔和光学腔的连接端移动的活塞限位块。
上述被测气体体积调节腔上还设有阻止所述螺母左右移动的螺母限位结构。
上述螺母限位结构包括杆体，杆体的左端与所述被测气体体积调节腔相固定，杆体的右端设有用于将螺母的一侧伸入其中的限位凹槽。
上述可调谐半导体激光器包括信号发生模块、激光驱动模块以及激光信号发生模块，其中所述信号发生模块、激光驱动模块均与所述微处理器信号连接。
上述设定的比值为1.2，即当所述比值超过1.2时，所述报警模块发出第二报警声。
上述被测气体体积调节腔的容积大于0.3升小于0.5升，所述光学腔的容积是被测气体体积调节腔容积的1.5倍。
本发明的有益效果：本发明提供了一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，通过环境取样得到被测气体，通过被测气体的体积压缩来增大被测气体中甲烷的浓度，从而能够在较少的激光反复反射吸收光程下，通过增大甲烷气体浓度的方法来补偿所减少的激光吸收光程，当测出被压缩体积后的被测气体中的甲烷浓度后，通过体积换算，再将该甲烷浓度转换为未被压缩体积时的被测气体下的甲烷气体浓度，为了减小测量偶然性并增加测量的稳定性和准确性，本发明取一次被测气体样品中的多次体积压缩下的甲烷气体浓度测量值的平均值作为当前甲烷浓度测量的最终甲烷气体浓度值，采取平均值方法其计算方法简单，系统计算执行效率高，且计算结果稳定性好，能够保证甲烷检测的可靠性，同时本发明的检测方法还能够对两次检测时甲烷浓度的升高进行及时预警。本发明的步进电机配合螺母以及螺杆使得活塞的移动更稳定，能够稳定精确的控制活塞左右移动，从而精准的得到所需的被测气体压缩体积。本发明相对于现有技术TDLAS甲烷浓度检测装置，其降低了检测装置的作为测量气室的光学腔的精度要求，使得光学腔不需要为实现更长的吸收光程而制造的更加精密，本发明通过气体压缩系统配合光学腔来进行甲烷浓度的检测，使得不需要更高精度的光学腔即可实现较高检测精度及稳定度的甲烷浓度测量值，能够显著的降低现有技术甲烷检测装置成本，有利于大规模生产制造和应用普及，本发明装置适合单人携带在煤矿井下进行实时、反复的甲烷浓度巡检用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的电系统连接框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
参见图1-图2，本实施例提供了一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，包括甲烷检测模组，所述甲烷检测模组包括可调谐半导体激光器3、光学腔1、光电探测模块22以及数据采集及处理模块21，其中所述可调谐半导体激光器3发出甲烷检测用激光，所述激光经准直后输入所述光学腔1，光学腔1使所述激光在其两块凹球面高反镜1-1之间经过若干次反射并被光学腔1内的甲烷气体吸收，光电探测模块22接收从光学腔1出射的激光后，将光信号转换成电信号并输送给数据采集及处理模块21，数据采集及处理模块21通过分析和计算，得到当前光学腔1内甲烷气体的浓度值，所述甲烷检测模组设置在一穿戴式壳体上，所述穿戴式壳体用于穿戴在人的肩背部，便于人在移动中随时检测所在环境中的甲烷气体浓度，其中穿戴式壳体上连接有用于与人体相固定的束缚带。
所述甲烷检测模组还包括被测气体体积调节腔2、压力传感器24、TEC半导体制冷器25、换气泵12、微处理器18、显示模块17、报警模块19以及电源模块20等，其中被测气体体积调节腔2与所述光学腔1的内部空间相连通，所述被测气体体积调节腔2内部滑动密封连接有活塞15，活塞15与螺杆8的一端相铰接，螺杆8上螺纹连接有螺母7，螺母7的外壁上沿螺母7的周向设有第一啮合齿，螺母7通过第一啮合齿与齿轮6相啮合，齿轮6与步进电机5的输出轴轴连接，步进电机5固定于被测气体体积调节腔2的外壁上，被测气体体积调节腔2用于方便的改变整个被测气体体积调节腔2和光学腔1内部的被测气体体积，具体通过电机带动螺母、螺杆转动进而带动活塞左右移动来改变被测气体体积；所述光学腔1的侧壁设有被测气体进气接口10，被测气体体积调节腔2的侧壁上设有被测气体出气接口14，其中被测气体进气接口10和被测气体出气接口14均设有电磁阀，通过被测气体进气接口10和被测气体出气接口14来更新光学腔1和被测气体体积调节腔2内部的被测气体，从而进行下一次的甲烷浓度检测；所述步进电机5转动带动齿轮6和螺母7转动，进而带动螺杆8转动，使得活塞15能够左右移动，当活塞15向左移动时，使得填充于被测气体体积调节腔2和光学腔1中的被测气体得到压缩；压力传感器24设置于活塞15的面向被测气体体积调节腔2内部一侧的面上，用于实时测量被测气体体积调节腔2内的被测气体的压力值；TEC半导体制冷器25的数量为多个，设于光学腔1的侧壁以及被测气体体积调节腔2的侧壁上，其中设于光学腔1侧壁上的TEC半导体制冷器25的冷端面向光学腔1内部，设于被测气体体积调节腔2侧壁上的TEC半导体制冷器25的冷端面向活塞15前方的被测气体体积调节腔2内部，各TEC半导体制冷器25用于给被压缩的被测气体降温以便降低被压缩后的被测气体的气压值；换气泵12的出气口与所述被测气体进气接口10通过供气管11连接，用于向光学腔1和被测气体体积调节腔2内部泵入环境中的被测气体，从而实现更新被测气体的目的；微处理器18用于控制所述步进电机5转动，使得活塞15按照要求的位移进行移动，使得被测气体体积调节腔2和光学腔1中的气体总体体积被压缩达到设定的体积量V；同时微处理器18接收压力传感器24所测量到的被压缩的被测气体的压力值，当该压力值高于被测气体未被压缩时的压力值时，微处理器18控制所述TEC半导体制冷器25给被测气体体积调节腔2和光学腔1中的被压缩的被测气体降温，直至被测气体体积调节腔2和光学腔1中的被测气体体积达到设定的体积量V、且压力传感器24检测到的被测气体的压力值等于被测气体未被压缩时的压力值时，所述微处理器18控制所述TEC半导体制冷器25停止给光学腔1中的被压缩的被测气体降温，进而开始对被压缩的被测气体中的甲烷进行浓度检测；本发明之所以要在压缩被测气体的过程中根据压力传感器所检测到的气体压力值对被测气体进行降温(通过TEC半导体制冷器25降温)，从而使得被测气体分子活跃性降低，使得被压缩的被测气体的压力值恢复至未压缩时的压力值，这是因为如果不对被压缩的气体进行降压(降低分子碰撞率)，则会由于被测气体被压缩后使得被测气体密度升高，导致气体分子的自由程减小，气体分子之间的碰撞率会增加，会对增加测量信号的噪声，导致测量信号的信噪比降低，故在压缩被测气体的同时必须对被测气体降压使得气体分子之间的碰撞率降低，从而避免测量信号信噪比降低；所述微处理器18进一步接收所述数据采集及处理模块21所得到的对应于所述设定的体积量V、且压强值与被压缩前的压强值相等时的甲烷浓度值n，并根据公式n0＝n*V/V0，得到被测气体未被压缩时的甲烷浓度值n0，其中V0为被测气体体积调节腔2和光学腔1的总容积；所述被测气体最终的甲烷浓度值取所述活塞15按照多次设定的相应位移进行移动(对应一次甲烷浓度检测中的多个被测气体压缩体积)后所获得的多个未被压缩时的甲烷浓度值n0的平均值
Figure GDA0003915706740000091
本实施例取一次被测气体样品中的多次体积压缩下的甲烷气体浓度测量值的平均值作为当前甲烷浓度测量的最终甲烷气体浓度值，能够减小测量偶然性并增加测量的稳定性和准确性，并且采取平均值方法其计算方法简单，系统计算执行效率高，且计算结果稳定性好，能够保证甲烷检测的可靠性；所述微处理器18还用于计算当前甲烷浓度检测所获得的实际甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000092
与相邻的上一次甲烷浓度检测所获得的实际甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000093
相比所得到的比值，所述微处理器18每隔设定的时间检测一次甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000094
且每次检测当前甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000095
前均会开启两个所述电磁阀并通过所述换气泵12向光学腔1和被测气体体积调节腔2的内部重新泵入被测气体，使得光学腔1和被测气体体积调节腔2内部的被测气体更新成当前外界环境中的气体成分，当所述换气泵12运行达到设定的时长后，默认为光学腔1和被测气体体积调节腔2内部的被测气体更新完成，则所述微处理器18关闭换气泵12及两个电磁阀；显示模块17用于接收并显示所述微处理器18所获得的被测气体的实际甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000096
以及所述比值；报警模块19用于发出第一报警声和第二报警声，当所述被测气体的甲烷浓度值
Figure GDA0003915706740000097
超过设定的浓度值时发出第一报警声；当所述比值超过设定的数值时发出第二报警声，通过对同一环境下相邻两次检测时甲烷浓度的升高达到设定比值进行报警能够使巡检人员及时发现甲烷浓度升高的趋势，有利于及时发现甲烷泄露隐患，并采取相应措施；所述电源模块20用于向所述甲烷检测模组、显示模块17、微处理器18、报警模块19以及换气泵12供电。
进一步地，所述可调谐半导体激光器3的激光输出端与激光导出光纤连接，并通过第一准直透镜4将所导出的激光输入所述光学腔1，所述光电探测模块22的光输入端与激光导出光纤连接，并通过第二准直透镜23将从光学腔1输出的激光通过激光导出光纤输送至所述光电探测模块22。
进一步地，所述被测气体体积调节腔2的内部设有用于阻止所述活塞15继续朝被测气体体积调节腔2和光学腔1的连接端移动的活塞限位块16，通过活塞限位块16能够避免被测气体的体积被过度压缩。
进一步地，所述被测气体体积调节腔2上还设有阻止所述螺母7左右移动的螺母限位结构，避免螺母左右移动而与齿轮脱离。具体地，所述螺母限位结构包括杆体，杆体的左端与所述被测气体体积调节腔2相固定，杆体的右端设有用于将螺母7的一侧伸入其中的限位凹槽。
进一步地，所述可调谐半导体激光器包括信号发生模块、激光驱动模块以及激光信号发生模块，其中所述信号发生模块、激光驱动模块均与所述微处理器信号连接。
进一步地，所述设定的比值为1.2，即当所述比值超过1.2时，所述报警模块19发出第二报警声，即在同一环境下，下一次检测到的甲烷浓度比相邻的上一次检测到的浓度高出20％时进行报警，该实施例能够让巡检人员及时发现环境中甲烷浓度升高的趋势。
进一步地，所述被测气体体积调节腔2的容积大于0.3升小于0.5升，所述光学腔1的容积是被测气体体积调节腔2容积的1.5倍，该实施例提供了一个被测气体体积调节腔2和光学腔1的内部容积的较佳比例，在该容积比例下以及室温检测环境下，通过实验得到，本发明装置在测量气室的光学腔激光吸收光程不变的前提下，通过增加被测气体体积调节腔并采用本发明方法所检测的气体浓度值较未增加被测气体体积调节腔时所检测的气体浓度值的精准度高出至少35％以上。
综上所述，本发明提供了一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，通过环境取样得到被测气体，通过被测气体的体积压缩来增大被测气体中甲烷的浓度，从而能够在较少的激光反复反射吸收光程下，通过增大甲烷气体浓度的方法来补偿所减少的激光吸收光程，当测出被压缩体积后的被测气体中的甲烷浓度后，通过体积换算，再将该甲烷浓度转换为未被压缩体积时的被测气体下的甲烷气体浓度，为了减小测量偶然性并增加测量的稳定性和准确性，本发明取一次被测气体样品中的多次体积压缩下的甲烷气体浓度测量值的平均值作为当前甲烷浓度测量的最终甲烷气体浓度值，采取平均值方法其计算方法简单，系统计算执行效率高，且计算结果稳定性好，能够保证甲烷检测的可靠性，同时本发明的检测方法还能够对两次检测时甲烷浓度的升高进行及时预警。本发明的步进电机配合螺母以及螺杆使得活塞的移动更稳定，能够稳定精确的控制活塞左右移动，从而精准的得到所需的被测气体压缩体积。本发明相对于现有技术TDLAS甲烷浓度检测装置，其降低了检测装置的作为测量气室的光学腔的精度要求，使得光学腔不需要为实现更长的吸收光程而制造的更加精密，本发明通过气体压缩系统配合光学腔来进行甲烷浓度的检测，使得不需要更高精度的光学腔即可实现较高检测精度及稳定度的甲烷浓度测量值，能够显著的降低现有技术甲烷检测装置成本，有利于大规模生产制造和应用普及，本发明装置适合单人携带在煤矿井下进行实时、反复的甲烷浓度巡检用。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，包括甲烷检测模组，所述甲烷检测模组包括可调谐半导体激光器(3)、光学腔(1)、光电探测模块(22)以及数据采集及处理模块(21)，其中所述可调谐半导体激光器(3)发出甲烷检测用激光，所述激光经准直后输入所述光学腔(1)，光学腔(1)使所述激光在其两块凹球面高反镜(1-1)之间经过若干次反射并被光学腔(1)内的甲烷气体吸收，光电探测模块(22)接收从光学腔(1)出射的激光后，将光信号转换成电信号并输送给数据采集及处理模块(21)，数据采集及处理模块(21)通过分析和计算，得到当前光学腔(1)内甲烷气体的浓度值，其特征在于，所述甲烷检测模组设置在一穿戴式壳体上，所述穿戴式壳体用于穿戴在人的肩背部，便于人在移动中随时检测所在环境中的甲烷气体浓度，其中穿戴式壳体上连接有用于与人体相固定的束缚带，所述甲烷检测模组还包括：
被测气体体积调节腔(2)，与所述光学腔(1)的内部空间相连通，所述被测气体体积调节腔(2)内部滑动密封连接有活塞(15)，活塞(15)与螺杆(8)的一端相铰接，螺杆(8)上螺纹连接有螺母(7)，螺母(7)的外壁上沿螺母(7)的周向设有第一啮合齿，螺母(7)通过第一啮合齿与齿轮(6)相啮合，齿轮(6)与步进电机(5)的输出轴轴连接，步进电机(5)固定于被测气体体积调节腔(2)的外壁上；所述光学腔(1)的侧壁设有被测气体进气接口(10)，被测气体体积调节腔(2)的侧壁上设有被测气体出气接口(14)，其中被测气体进气接口(10)和被测气体出气接口(14)均设有电磁阀；所述步进电机(5)转动带动齿轮(6)和螺母(7)转动，进而带动螺杆(8)转动，使得活塞(15)能够左右移动，当活塞(15)向左移动时，使得填充于被测气体体积调节腔(2)和光学腔(1)中的被测气体得到压缩；
压力传感器(24)，设置于活塞(15)的面向被测气体体积调节腔(2)内部一侧的面上，用于测量被测气体体积调节腔(2)内的被测气体的压力值；
TEC半导体制冷器(25)，数量为多个，设于光学腔(1)的侧壁以及被测气体体积调节腔(2)的侧壁上，其中设于光学腔(1)侧壁上的TEC半导体制冷器(25)的冷端面向光学腔(1)内部，设于被测气体体积调节腔(2)侧壁上的TEC半导体制冷器(25)的冷端面向活塞(15)前方的被测气体体积调节腔(2)内部；各TEC半导体制冷器(25)用于给被压缩的被测气体降温；
换气泵(12)，其出气口与所述被测气体进气接口(10)通过供气管(11)连接，用于向光学腔(1)和被测气体体积调节腔(2)内部泵入环境中的被测气体；
微处理器(18)，用于控制所述步进电机(5)转动，使得活塞(15)按照要求的位移进行移动，使得被测气体体积调节腔(2)和光学腔(1)中的气体总体体积被压缩达到设定的体积量V；同时微处理器(18)接收压力传感器(24)所测量到的被压缩的被测气体的压力值，当该压力值高于被测气体未被压缩时的压力值时，微处理器(18)控制所述TEC半导体制冷器(25)给被测气体体积调节腔(2)和光学腔(1)中的被压缩的被测气体降温，在被测气体体积调节腔(2)和光学腔(1)中的被测气体体积为设定的体积量V的条件下，当压力传感器(24)检测到的被测气体的压力值等于被测气体未被压缩时的压力值时，所述微处理器(18)控制所述TEC半导体制冷器(25)停止给光学腔(1)中的被压缩的被测气体降温；微处理器(18)还用于接收所述数据采集及处理模块(21)所得到的对应于所述设定的体积量V、且压强值与被压缩前的压强值相等时的甲烷浓度值n，并根据公式n0＝(n*V)/V0，得到被测气体未被压缩时的甲烷浓度值n0，其中V0为被测气体体积调节腔(2)和光学腔(1)的总容积；所述被测气体最终的甲烷浓度值取所述活塞(15)按照多次设定的相应位移进行移动后所获得的多个未被压缩时的甲烷浓度值n0的平均值
Figure FDA0003915706730000031
所述微处理器(18)还用于计算当前甲烷浓度检测所获得的实际甲烷浓度值
Figure FDA0003915706730000032
与相邻的上一次甲烷浓度检测所获得的实际甲烷浓度值
Figure FDA0003915706730000033
相比所得到的比值，所述微处理器(18)每隔设定的时间检测一次甲烷浓度值
Figure FDA0003915706730000034
且每次检测当前甲烷浓度值
Figure FDA0003915706730000035
前均会开启两个所述电磁阀并通过所述换气泵(12)向光学腔(1)和被测气体体积调节腔(2)的内部重新泵入被测气体，使得光学腔(1)和被测气体体积调节腔(2)内部的被测气体更新成当前外界环境中的气体成分，当所述换气泵(12)运行达到设定的时长后，默认为光学腔(1)和被测气体体积调节腔(2)内部的被测气体更新完成，则所述微处理器(18)关闭换气泵(12)及两个电磁阀；
显示模块(17)，用于接收并显示所述微处理器(18)所获得的被测气体的实际甲烷浓度值
Figure FDA0003915706730000036
以及所述比值；
报警模块(19)，用于发出第一报警声和第二报警声，当所述被测气体的甲烷浓度值
Figure FDA0003915706730000037
超过设定的浓度值时发出第一报警声，当所述比值超过设定的数值时发出第二报警声；
电源模块(20)，用于向所述甲烷检测模组、显示模块(17)、微处理器(18)、报警模块(19)以及换气泵(12)供电。
2.如权利要求1所述的一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，其特征在于，所述可调谐半导体激光器(3)的激光输出端与激光导出光纤连接，并通过第一准直透镜(4)将所导出的激光输入所述光学腔(1)，所述光电探测模块(22)的光输入端与激光导出光纤连接，并通过第二准直透镜(23)将从光学腔(1)输出的激光通过激光导出光纤输送至所述光电探测模块(22)。
3.如权利要求1所述的一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，其特征在于，所述被测气体体积调节腔(2)的内部设有用于阻止所述活塞(15)继续朝被测气体体积调节腔(2)和光学腔(1)的连接端移动的活塞限位块(16)。
4.如权利要求1所述的一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，其特征在于，所述被测气体体积调节腔(2)上还设有阻止所述螺母(7)左右移动的螺母限位结构。
5.如权利要求4所述的一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，其特征在于，所述螺母限位结构包括杆体，杆体的左端与所述被测气体体积调节腔(2)相固定，杆体的右端设有用于将螺母(7)的一侧伸入其中的限位凹槽。
6.如权利要求1所述的一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，其特征在于，所述可调谐半导体激光器包括信号发生模块、激光驱动模块以及激光信号发生模块，其中所述信号发生模块、激光驱动模块均与所述微处理器信号连接。
7.如权利要求1所述的一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，其特征在于，所述设定的比值为1.2，即当所述比值超过1.2时，所述报警模块(19)发出第二报警声。
8.如权利要求1所述的一种肩背式吸收光谱甲烷检测仪，其特征在于，所述被测气体体积调节腔(2)的容积大于0.3升小于0.5升，所述光学腔(1)的容积是被测气体体积调节腔(2)容积的1.5倍。
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