CN114062294A - 一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，包括壳体、光纤腔体单元和气室固定座，所述光纤腔体单元包括光学气室架，所述光学气室架垂直设置在气室固定座上，所述光纤腔体单元和气室固定座设置在壳体中，所述光学气室架上设置有光学气室腔，所述光学气室腔前后贯穿光学气室架，所述光学气室腔的一端连接有光纤发射头，所述光纤发射头具有光纤准直作用，另一端连接光纤接收头，所述光纤发射头和光纤接收头通过光纤与外界的光谱分析连接，所述光学气室腔中设置有数处弯折拐点，所述弯折拐点处设置有反射镜，所述光学气室腔与光学气室架的外表面之间设置有贯穿的气室孔。光纤式的甲烷传感器本质安全，适用于易燃易爆及一些恶劣环境中的监测。
Description
技术领域
本发明涉及矿井监测设备领域，具体涉及一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器。
背景技术
甲烷是一种易燃易爆气体,是沼气、天然气和多种液体燃料的主要成分。其在大气中的爆炸下限为4.9％,上限为15.4％。在煤矿井下瓦斯气体中,甲烷所占的比重最大,在80％以上。在我国煤矿安全事故中,瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数50％以上。因此及时、准确的监测空气中的甲烷气体的浓度，对于工矿安全运行、人身安全有着至关重要的作用。
目前，甲烷气体的监测主要采用的化学传感器和电子探测器，化学敏感元件容易受到表面污染,需要定期更换,而且易受其他气体的干扰,长时间工作时存在零点漂移和灵敏度变化,会直接影响监测系统的可靠性，而电子传感器则需要防爆装置，还需要定期检验和校正。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，该光纤式甲烷传感器基于气体近红外光谱吸收原理，结合光纤传感技术，是一种透射式气室结构的光纤甲烷气体传感器，实现了甲烷气体浓度的监测，该基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器本质安全、抗电磁干扰、灵敏度高、动态范围大、响应速度快和不易中毒等优点。
本发明的技术方案如下：
一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，包括壳体、光纤腔体单元和气室固定座，所述光纤腔体单元包括光学气室架，所述光学气室架垂直设置在气室固定座上，所述光纤腔体单元和气室固定座设置在壳体中，所述光学气室架上设置有光学气室腔，所述光学气室腔前后贯穿光学气室架，所述光学气室腔的一端连接有光纤发射头，优选的，所述光纤发射头具有光准直作用，能够将光纤中发散的光变成聚焦准直的光，另一端连接光纤接收头，所述光纤发射头和光纤接收头通过光纤与外界的通讯光缆连接，所述光学气室腔中设置有数处弯折拐点，所述弯折拐点处设置有反射镜，所述光学气室腔与光学气室架的外表面之间设置有贯穿的气室孔。光纤式的基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器本质安全，非常适用于易燃易爆及一些恶劣环境中的监测，与外界光谱分析能够实现远距离测量监测。
如上所述的一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，所述气室固定座在光纤发射头的相对位置设置有贯穿的光纤孔，所述光纤孔中设置有光纤，所述光纤一端与光纤发射头连接，另一端与外界的光谱分析仪连接。甲烷气体分子只能吸收那些能量正好等于两个能级能量之差的光子，不同分子结构的气体，其能级差也是不同的，所以只能吸收不同频率的光子，气体吸收光子后，分子从基态跃迁到激发态，在激发态短暂停留后，又通过自发发射，释放出光子，回到基态。由于分子的不断运动，此时释放光子的出射方向与光子的入射方向不同，这就相当于入射方向上的光子被散射掉了(瑞利散射)。不同的气体其分子结构不同，其吸收谱也互不相同，因此可以用光谱分析仪检测某种特定波长光的吸收光谱情况，对气体浓度进行分析。
如上所述的一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，所述壳体包括上壳和下壳，所述上壳和下壳形状都包括圆柱型，所述上壳和下壳之间进行螺纹连接，来对内部的光纤腔体单元和气室固定座进行密封。
进一步的，所述气室固定座设置在下壳中，围绕所述气室固定座设置有密封槽，优选的，所述密封槽中设置有一圈橡胶密封圈，防止空气和灰尘进入影响传感器的监测结果。所述气室固定座上端设置有朝上的气室槽。
进一步的，所述光学气室架包括矩形块状，所述气室槽的形状与光学气室架下端的形状相同。所述气室槽能够容纳光学气室架放入固定，优选的，所述光学气室架的下端与气室固定座通过螺栓进行连接。
如上所述的一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，所述光学气室腔形状包括C字型，所述光学气室腔的弯折拐点处设置有镜片槽。所述镜片槽能够容纳反射镜放入。
进一步的，所述反射镜采用的是高精度光学反射三棱镜，其设计形状为等腰直角三角形，反射三棱镜材质为精退火光学玻璃(BK-7),斜面上的反射面采用镀铝膜加抛光工艺，其发射率高、稳定性好，特别是对近红外有较高的发射率，其设计的反射面将入射光偏转90度。
进一步的，所述光学气室腔的两侧从内到外设置有光学气室保护膜和滤尘片。所述光学气室保护膜采用纳米材料制作，能够防止除甲烷之外的其他水分子和粉尘等物体进入光学气室腔中影响其工作，所述滤尘片能够吸收空气中的灰尘，防止空气中的大颗粒灰尘进入光学气室腔中影响其工作。
进一步的，所述上壳在气室孔的正上方位置设置有透气孔，所述透气孔与气室孔之间设置有滤尘片。被检测的气体从透气孔中进入，经过气室孔与气室孔之间的滤尘片过滤后，从气室孔中进入光学气室腔中。
进一步的，所述滤尘片采用粉末冶金滤尘片。所述粉末冶金滤尘片采用金属粉末高温复合烧结而成，气孔分布大小一致，强度好公差小。
本发明相对于现有技术所取得的有益效果在于：
本发明一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，所述传感器为无源传感器，不需要接入电源即可进行监测工作，不会引燃煤矿中的易燃气体安全可靠。所述甲烷传感器在光纤气体传感器的理论基础上，针对实验系统存在的问题对气室结构进行了改进，设计了除了一种新颖的反射式开放气室结构。设计了C字形的光学气室腔，利用两个反射镜，使光在气室中往返反射传输，传感器以较小的体积构建了较长的光学气室腔，使射入的光束充分与光学气室腔中的甲烷气体充分反应，有效地增加了气体与光的作用距离，提高了该传感器的检测精度，实现了小型化。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本申请的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
在附图中：
图1为实施例1中一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器的结构示意图；
图2为实施例1中下壳与气室固定座安装示意图；
图3为实施例1中光纤腔体单元与气室固定座安装正视图；
图4为实施例1中光纤腔体单元与气室固定座安装侧视图；
图5为实施例1中光学气室架结构示意图；
图6为实施例1中光学气室架后视图；
图7为实施例1中气室固定座正视图；
图8为实施例1中气室固定座侧视图；
图9为实施例1中一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器的内部结构示意图；
图10为实施例1中甲烷气体不同浓度吸收归一化图；
图中各附图标记所代表的组件为：
1、壳体，11、上壳，111、透气孔，12、下壳，2、光纤腔体单元，21、光学气室架，211、光学气室腔，22、光纤发射头，23、光纤接收头，24、反射镜，25、镜片槽，26、光学气室保护膜，27、滤尘片，28、气室孔，3、气室固定座，31、光纤孔，32、密封槽，33、气室槽。
具体实施方式
下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。
本发明中提及的方位“前后”、“左右”等，仅用来表达相对的位置关系，而不受实际应用中任何具体方向参照的约束。
实施例1
参见图1-图9，一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，包括壳体1、光纤腔体单元2和气室固定座3，所述光纤腔体单元2包括光学气室架21，所述光学气室架21垂直设置在气室固定座3上，所述光纤腔体单元2和气室固定座3设置在壳体1中，所述光学气室架21上设置有光学气室腔211，所述光学气室腔211前后贯穿光学气室架21，所述光学气室腔211的一端连接有光纤发射头22，另一端连接光纤接收头23，本实施例所述光纤接收头23设置在光纤发射头22左侧，优选的，所述光纤发射头22具有光纤准直作用，能够将光纤中发散的光变成聚焦准直的光，所述光纤发射头22和光纤接收头23通过光纤与外界的通讯光缆连接，所述光学气室腔211中设置有数处弯折拐点，所述弯折拐点处设置有反射镜24，所述光学气室腔211与光学气室架21的外表面之间设置有贯穿的气室孔28，待检测甲烷气体通过气室孔28进入光学气室腔211内。光纤式的甲烷传感器本质安全，非常适用于易燃易爆及一些恶劣环境中的监测，与外界光谱分析能够实现远距离测量监测。
优选的，所述传感器与光谱分析仪之间的光缆采用双芯光缆，一根光纤芯用于发射，另一根光纤芯用于接收。
本发明一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器采用光谱吸收法来进行甲烷浓度测定，所述光谱吸收法是通过检测光被气体吸收后的透射光强或反射光强的变化，对气体的浓度进行检测。由上文提到的气体分子的选择吸收理论可知，每种气体分子都有自己的独特的吸收谱特征，光源的发射光谱只有与气体吸收谱重叠时才会产生吸收，从而导致吸收后的光强发生变化。
参见图3、图4和图7，所述气室固定座3在光纤发射头22的相对位置设置有贯穿的光纤孔31，所述光纤孔31中设置有光纤，所述光纤一端与光纤发射头22连接，另一端与外界的光谱分析仪连接。检测甲烷气体浓度原理根据Beer-Lambert定律，当光强为I0的光照射某种气体时，由于发生共振吸收，其入射光强I0和出射光强I之间满足关系：
I(λ)＝I0(λ)exp(-αCL)
其中：α为被测气体吸收系数、该系数和环境温度、压力和光源的波长有关，C为被测气体浓度、L为被测气体探头吸收腔有效长度。考虑到光路等的损耗Beer-Lambert定律可修正为如下公式：
I(λ)＝KI0(λ)exp(-αCL)
其中：K为损耗系数
反解上式可得：
C＝ln(KI0/I)/αL (1)
由上式可知，通过测量入射前后的光强和光程即可测得被测气体的浓度。由于传感器的光程是一固定值，因此只需测量吸收前后光强的变化即可测得被测甲烷的浓度。
参照图6和图3，一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，所述光纤发射头22、两个反射镜24、光纤接收头23组成该传感器光程，光程设计长度为65mm，该长度的光程能充分保证甲烷浓度吸收。在通信激光器的窗口内，甲烷气体在1.33um和1.65um两个波段有吸收峰。所述光纤发射头22、两个反射镜24、光纤接收头23使用1.65nm波段的准直镜和反射膜。
参照10所示，所述一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器在1.65nm吸收峰附近进行扫描，得到甲烷气体吸收光谱，分别对应0％，0.2％，0.5％，1％，3％的瓦斯浓度。
参见图1，所述壳体1包括上壳11和下壳12，所述上壳11和下壳12形状均为圆柱型，所述上壳11和下壳12之间进行螺纹连接，来对内部的光纤腔体单元2和气室固定座3进行密封。
参见图2和图3，所述气室固定座3设置在下壳12中，围绕所述气室固定座3设置有密封槽32，优选的，所述密封槽32中设置有一圈橡胶密封圈，防止空气和灰尘进入影响传感器的监测结果。所述气室固定座3上端设置有朝上的气室槽33。
优选的，所述下壳12的外表面设置有2个贯穿的螺纹孔，所述气室固定座3在其相对位置也设置有对应的螺纹孔，从中旋入螺栓，完成气室固定座3与下壳12的位置限定。
参见图3-图8，所述光学气室架21包括矩形块状，所述气室槽33的形状与光学气室架21下端的形状相同。所述气室槽33能够容纳光学气室架21放入固定，优选的，所述光学气室架21的下端与气室固定座3通过中间穿过的螺栓进行连接。
进一步的，所述气室孔28设置在光学气室架21顶端。
进一步的，所述光学气室腔211为C字型，所述光学气室腔211的弯折拐点处设置有镜片槽25，优选的，所述光学气室腔211设置有两个弯曲拐点，因此也设置有两个反射镜24，分别为右侧顶部的第一反射镜24和左侧顶部的第一反射镜24。所述镜片槽25能够容纳反射镜24放入，优选的，所述镜片槽25为三角形的盲槽。
进一步的，所述反射镜24采用的是高精度光学反射三棱镜，其设计形状为等腰直角三角形，反射三棱镜材质为精退火光学玻璃(BK-7),斜面上的反射面采用镀铝膜加抛光工艺，其发射率高、稳定性好，特别是对近红外有较高的发射率，其设计的反射面将入射光偏转90度。
进一步的，所述光谱分析仪发射出红外光，经过光缆传输到光纤发射头22，经过光纤发射头22准直后发射到光线气室腔中，经过第一反射镜24反射到第二反射镜24上，再由第二反射镜24将光束反射到光纤接收头23上，再经过光缆传回到光谱分析仪中进行分析。
进一步的，所述光学气室腔211的两侧从内到外设置有光学气室保护膜26和滤尘片27。所述光学气室保护膜26采用纳米材料能够防止除甲烷之外的其他水分子和粉尘等物体进入光学气室腔211中影响其工作，所述滤尘片27能够吸收空气中的灰尘，防止空气中的大颗粒灰尘进入光学气室腔211中影响其工作。
进一步的，所述上壳11在气室孔28的正上方位置设置有透气孔111，所述透气孔111与气室孔28之间设置有滤尘片27。被检测的气体从透气孔111中进入，经过透气孔111与气室孔28之间的滤尘片27过滤后，从气室孔28中进入光学气室腔211中。
进一步的，所述滤尘片27采用粉末冶金滤尘片。所述粉末冶金滤尘片采用金属粉末高温复合烧结而成，气孔分布大小一致，强度好公差小。
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，可轻易想到的变化或增减替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，其特征在于，包括壳体、光纤腔体单元和气室固定座，所述光纤腔体单元包括光学气室架，所述光学气室架垂直设置在气室固定座上，所述光纤腔体单元和气室固定座设置在壳体中，所述光学气室架上设置有光学气室腔，所述光学气室腔前后贯穿光学气室架，所述光学气室腔的一端连接有光纤发射头，另一端设置有光纤接收头，所述光纤发射头和光纤接收头通过光纤与外界的光谱分析连接，所述光学气室腔中设置有数处弯折拐点，所述弯折拐点处设置有反射镜，所述光学气室腔与光学气室架的外表面之间设置有贯穿的气室孔。
2.根据权利要求1所述一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，其特征在于，所述气室固定座在光纤发射头和光纤接收头的相对位置设置有贯穿的光纤孔，所述光纤孔中设置有光纤，所述光纤一端与光纤发射头或光纤接收头连接，另一端与外界的光谱分析连接。
3.根据权利要求1所述一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，其特征在于，所述壳体包括上壳和下壳，所述上壳和下壳形状都包括圆柱型，所述上壳和下壳之间进行螺纹连接。
4.根据权利要求3所述一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，其特征在于，所述气室固定座设置在下壳中，围绕所述气室固定座设置有密封槽，所述气室固定座上端设置有朝上的气室槽。
5.根据权利要求4所述一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，其特征在于，所述光学气室架包括矩形块状，所述气室槽的形状与光学气室架下端的形状相同。
6.根据权利要求1所述一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，其特征在于，所述光学气室腔形状包括C字型，所述光学气室腔的弯折拐点处设置有镜片槽，所述镜片槽内放置有反射镜。
7.根据权利要求1所述一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，其特征在于，所述光学气室腔的两侧从内到外设置有光学气室保护膜和滤尘片。
8.根据权利要求3所述一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，其特征在于，所述上壳在气室孔的正上方位置设置有透气孔，所述透气孔与气室孔之间设置有滤尘片。
9.根据权利要求8所述一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器，其特征在于，所述滤尘片采用粉末冶金滤尘片。
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| CN202110876389.6A CN114062294A (zh) | 2021-07-28 | 2021-07-28 | 一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器 |
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| CN202110876389.6A CN114062294A (zh) | 2021-07-28 | 2021-07-28 | 一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器 |
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| CN202110876389.6A Pending CN114062294A (zh) | 2021-07-28 | 2021-07-28 | 一种基于光谱吸收型光纤式甲烷传感器 |
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2021
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