CN114216878A - 一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于甲烷浓度检测技术领域，公开了一种基于可谐调激光光谱技术的甲烷遥测仪，包括CPU，可调谐激光器、光接收器、信号处理电路、存储模块、无线模块和显示模块，所述可调谐激光器的控制端与所述CPU的输出端连接，所述光接收器的信号输出端通过所述信号处理电路与所述CPU连接，所述存储模块、无线模块和显示模块均与所述CPU连接；所述信号处理器用于将所述光接收器接收的信号进行调理后发送至所述CPU，所述CPU用于信号处理器发送的信号计算甲烷浓度，并将浓度数据发送至存储模块、发送至显示模块显示，以及通过所述无线模块发送至上位机。本发明可以实现甲烷气体浓度的精确检测。

Description

一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪

技术领域

本发明一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，属于甲烷浓度检测技术领域。

背景技术

随着社会及企业对矿山、安全监管、石油气、地下管网、燃气管道安全及环保的日益重视，煤矿巷道瓦斯、燃气、抽放、石油气管道瓦斯的安全巡检，瓦斯检测越来越显得重要。现有的便携式检漏仪都要求探头置于有燃气的环境中，与燃气直接接触，实际现场中，常遇到管道或设施难以到达，甚至不能到达（例如煤矿井下巷道隅角、悬空的天然气管道、高楼外立管、长距离传输管道、无人的房间里面等）的情况，这就使得泄漏巡检效率不高或对某些地方放弃巡检，给甲烷气体泄漏安全带来隐患。目前大部分矿井井下测量巷道隅角瓦斯浓度均使用光干涉式甲烷测定器，是将光干涉式甲烷测定器放置在被测气体的环境中，这种测量方式受地理条件所限，对于高处、狭窄区域无法及时准确测量。针对这一现象，激光甲烷遥测仪应运而生。激光甲烷遥测仪基于可调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术，依据朗伯比尔定律，激光发射甲烷气体特征波长的光，光经过反射后被接收，测量该过程中甲烷气体对光强的吸收可测得甲烷气体浓度，可以实现远距离非接触测量待测气体浓度，且测量结果准确，不受环境因素影响。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，以实现基于可调谐激光器的甲烷测定，提高测量距离和测量精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，包括CPU，可调谐激光器、光接收器、信号处理电路、存储模块、无线模块和显示模块，所述可调谐激光器的控制端与所述CPU的输出端连接，所述光接收器的信号输出端通过所述信号处理电路与所述CPU连接，所述存储模块、无线模块和显示模块均与所述CPU连接；所述信号处理器用于将所述光接收器接收的信号进行调理后发送至所述CPU ，所述CPU用于信号处理器发送的信号计算甲烷浓度，并将浓度数据发送至存储模块、发送至显示模块显示，以及通过所述无线模块发送至上位机。

所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，还包括声光报警模块，所述声光报警模块用于根据CPU模块发送的信号进行声光报警。

所述声光报警模块包括MOS管Q3、MOS管Q2、振动马达，LED灯和蜂鸣器，所述MOS管Q3和MOS管Q2的G极与CPU连接，S极接地，D极分别经振动马达和蜂鸣器与电源正极连接，所述LED灯的正极与电源正极连接，负极经电阻R7与CPU连接。

所述光接收器包括第一光接收器和第二光接收器；所述信号处理电路包括放大器U10，放大器U12、放大器U14和放大器U13；所述第一光接收器的两个输出端分别连接放大器U10的同相输入端和反向输入端，所述放大器U10的输出端与CPU连接；所述第二光接收器的的两个输出端分别连接放大器U12、放大器U14的反向输入端，放大器U12和放大器U14的同相输入端接地，所述放大器U12DE 输出端分别通过电阻R23与放大器U13的+IN端子连接，放大器U14的输出端通过电阻R24与放大器U13的-IN端子连接，所述放大器U13的输出端与所述CPU连接。

所述放大器U10、放大器U12和放大器U14的型号为AD8628,所述放大器U13的型号为AD627；所述放大器U10，放大器U12、放大器U14的输出端与反向输入端之间连接有并联的反馈电阻和电容，所述放大器U13的引脚1和引脚8之间连接有电阻。

所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，还包括按键电路，所述按键电路的输出端与所述CPU 连接，用于输入操作信号。

所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，还包括时钟模块，所述时钟模块的主芯片为DS1302，用于给所述CPU 提供时钟信号。

所述CPU的型号为STM32F030CCT6，所述无线通信模块的型号为CYRF6936。

所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，还包括电源电路，所述电源电路包括电池，充电电路和电源转换电路；

所述充电电路包括电池管理芯片TP4056，用于给所述电池充电，仅限于井上使用；所述电源转换电路的主芯片为TPS73733，用于将电池输出电压转换为3.3V后给各个模块供电。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明非接触式测量待测气体浓度，远程测量、能对不易接近的危险区域监测，降低人员操作的危险性，工作人员可在安全区域内有效的检测难以到达甚至不能到达的区域的泄漏情况。

2、本发明采用可谐调激光光谱(TDLAS)技术，以可调谐激光器作为光源，具有高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光谱吸收强度进行测量，检测精度可达100ppm.m甚至更低，从而实现气体浓度的精确检测。

3、本发明响应时间快，只需0.1 秒即可获知检测结果；工作寿命长、不受交叉气体干扰、无高浓甲烷气体中毒影响等多方面的性能优势。

4、本发明整机防尘、防水，有功耗低、重量轻、体积小、携带方便、免校准维护的优点，可支持长时间的持续测量任务，支持蓝牙、WiFi、数据存储等传输方式。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪的结构框图；

图2为本发明实施例中的电源电路的部分电路原理图；

图3为本发明实施例中的电源电路的另一部分电路原理图；

图4是本发明实施例中的实时时钟模块的电路原理图；

图5是本发明实施例中的显示模块的电路原理图；

图6是本发明实施例中的信号处理电路的电路原理图；

图7是本发明实施例中的按键电路的电路原理图；

图8是本发明实施例中的报警模块的电路原理图；

图9是本发明实施例中的CPU最小系统的电路原理图；

图10是本发明实施例中的无线通信模块的电路原理图；

图11是本发明实施例中的软件工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，包括CPU，可调谐激光器、光接收器、信号处理电路、存储模块、无线模块和显示模块，所述可调谐激光器的控制端与所述CPU的输出端连接，所述光接收器的信号输出端通过所述信号处理电路与所述CPU连接，所述存储模块、无线模块和显示模块均与所述CPU连接；所述信号处理器用于将所述光接收器接收的信号进行调理后发送至所述CPU ，所述CPU用于信号处理器发送的信号计算甲烷浓度，并将浓度数据发送至存储模块、发送至显示模块显示，以及通过所述无线模块发送至上位机。

具体地，本实施例的基于可谐调激光器的甲烷遥测仪还包括电源电路，用于给各个模块供电。如图2和图3所示，电源电路包括可充电电池，充电电路和电源转换电路；所述充电电路包括电池管理芯片TP4056，电池管理芯片采用分离IC芯片，体积小、器件少，焊接简单便利，当外部充电接入时系统使用外部电源供电，同时为内置电池充电；当外部充电移除时，系统使用内部电池供电。系统使用超低静态功耗LDO输出具备电压稳定、压降小和纹波噪声小等优点。电池管理芯片用于给所述可充电电池充电，仅限于井上使用；所述电源转换电路的主芯片为TPS73733，用于将电池输出电压转换为3.3V后给各个模块供电。

具体地，本实施例的基于可谐调激光器的甲烷遥测仪还包括时钟模块，如图4所示，所述时钟模块的主芯片为DS1302，用于给所述CPU 提供时钟信号。实时时钟模块作为系统的时间管理，为日志系统提供记录时间戳、为报警模块提供报警时间点、为各种操作事件提供时间依据。实时时钟采用DS1302时钟芯片，该芯片一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.0V～5.5V。采用I2C串行总线与CPU通讯。

如图5所示，本实施例中，显示模块可以为高清、高亮度、自发光OLED显示屏。基于显示模块，系统实现了一整套显示菜单系统包括：充电电量显示、充电电压、CH4浓度、日志、参数设置等功能。OLED显示屏采用柔性FPC与主板相连。

如图6所示，本实施例中，所述光接收器包括第一光接收器和第二光接收器；所述信号处理电路包括放大器U10，放大器U12、放大器U14和放大器U13；所述第一光接收器的两个输出端分别连接放大器U10的同相输入端和反向输入端，所述放大器U10的输出端与CPU连接；所述第二光接收器的的两个输出端分别连接放大器U12、放大器U14的反向输入端，放大器U12和放大器U14的同相输入端接地，所述放大器U12DE 输出端分别通过电阻R23与放大器U13的+IN端子连接，放大器U14的输出端通过电阻R24与放大器U13的-IN端子连接，所述放大器U13的输出端与所述CPU连接。

具体地，本实施例中，所述放大器U10、放大器U12和放大器U14的型号为AD8628,所述放大器U13的型号为AD627；所述放大器U10，放大器U12、放大器U14的输出端与反向输入端之间连接有并联的反馈电阻和电容，所述放大器U13的引脚1和引脚8之间连接有电阻。本实施例中，通过两个光接收器进行信号接收，并分别进行信号处理后发送至CPU，可以实现不同量程的测量。

本实施例中，控制电路调制激光器电流控制激光器发出一定频率的激光，遇到空气中甲烷时吸收甲烷气体，光接收器检测到的激光强度将发生变化，甲烷浓度越高，变化量越大。光接收器检测到的信号经信号处理电路进行处理后发送至CPU进行计算得到甲烷浓度信息并进行存储。

如图7所示，本实施例的基于可谐调激光器的甲烷遥测仪还包括按键电路，所述按键电路的输出端与所述CPU 连接，用于输入操作信号。当按键开关S1或S2闭合时，其与电阻R14或R15之间的电压升高，该信号输入CPU，则CPU可以接收按键信号，进行相应操作。本实施例中，所有对设备的操作都是通过二个按键的组合操作实现。

具体地，本实施例的基于可谐调激光器的甲烷遥测仪还包括声光报警模块，所述声光报警模块用于根据CPU模块发送的信号进行声光报警。如图8所示，所述声光报警模块包括MOS管Q3、MOS管Q2、振动马达，LED灯和蜂鸣器，所述MOS管Q3和MOS管Q2的G极与CPU连接，S极接地，D极分别经振动马达和蜂鸣器与电源正极连接，所述LED灯的正极与电源正极连接，负极经电阻R7与CPU连接。当甲烷浓度超过设定的报警值时，CPU 发出信号，控制仪器声光报警模块发出声、光及振动报警信号。

如图9~10所示，本实施例中，所述CPU的型号为STM32F030CCT6，所述无线通信模块的型号为CYRF6936。STM32F030CCT6是32-位ARM Cortex-M0处理器，具备丰富的外设功能包括：GPIO、CRC、ADC、DAC、COMP、CAN、I2C、IrDA、LIN、SPI、UART/USART、USB 连通性，DMA外围设备，电机控制PWM，PDR，POR，PVD，PWM，CPU包含WDT温度传感器，程序存储器容量为256K，工作电压为2 V ~ 3.6 V，内部具有振荡器型，工作温度宽为-40°C ~ 85°C，采用100-LQFP封装。

如图11所示，为本发明的软件工作流程图，系统开机后延时1S等待电源稳定，先初始化led、各参数模块，再初始化电源管理、菜单显示系统，判断是否有充电插入，如果有充电插入，先处理充电进程，如果没有充电插入，则进行正常的菜单处理及传感器处理。嵌入式软件主要功能OLED显示驱动、按键菜单、电压采集、实时时钟、传感模块通讯、参数设置、浓度显示、充电处理、电量显示等功能。硬件为软件提供平台，软件在硬件上运行，二者关系紧密。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，其特征在于，包括CPU，可调谐激光器、光接收器、信号处理电路、存储模块、无线模块和显示模块，所述可调谐激光器的控制端与所述CPU的输出端连接，所述光接收器的信号输出端通过所述信号处理电路与所述CPU连接，所述存储模块、无线模块和显示模块均与所述CPU连接；

所述信号处理器用于将所述光接收器接收的信号进行调理后发送至所述CPU ，所述CPU用于信号处理器发送的信号计算甲烷浓度，并将浓度数据发送至存储模块、发送至显示模块显示，以及通过所述无线模块发送至上位机。

2.根据权利要求1所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，其特征在于，还包括声光报警模块，所述声光报警模块用于根据CPU模块发送的信号进行声光报警。

3.根据权利要求2所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，其特征在于，所述声光报警模块包括MOS管Q3、MOS管Q2、振动马达，LED灯和蜂鸣器，所述MOS管Q3和MOS管Q2的G极与CPU连接，S极接地，D极分别经振动马达和蜂鸣器与电源正极连接，所述LED灯的正极与电源正极连接，负极经电阻R7与CPU连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，其特征在于，所述光接收器包括第一光接收器和第二光接收器；所述信号处理电路包括放大器U10，放大器U12、放大器U14和放大器U13；

所述第一光接收器的两个输出端分别连接放大器U10的同相输入端和反向输入端，所述放大器U10的输出端与CPU连接；

所述第二光接收器的的两个输出端分别连接放大器U12、放大器U14的反向输入端，放大器U12和放大器U14的同相输入端接地，所述放大器U12DE 输出端分别通过电阻R23与放大器U13的+IN端子连接，放大器U14的输出端通过电阻R24与放大器U13的-IN端子连接，所述放大器U13的输出端与所述CPU连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，其特征在于，所述放大器U10、放大器U12和放大器U14的型号为AD8628,所述放大器U13的型号为AD627；

所述放大器U10，放大器U12、放大器U14的输出端与反向输入端之间连接有并联的反馈电阻和电容，所述放大器U13的引脚1和引脚8之间连接有电阻。

6.根据权利要求1所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，其特征在于，还包括按键电路，所述按键电路的输出端与所述CPU 连接，用于输入操作信号。

7.根据权利要求1所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，其特征在于，还包括时钟模块，所述时钟模块的主芯片为DS1302，用于给所述CPU 提供时钟信号。

8.根据权利要求1所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，其特征在于，所述CPU的型号为STM32F030CCT6，所述无线通信模块的型号为CYRF6936。

9.根据权利要求1所述的一种基于可谐调激光器的甲烷遥测仪，其特征在于，还包括电源电路，所述电源电路包括电池，充电电路和电源转换电路；

所述充电电路包括电池管理芯片TP4056，用于给所述电池充电，仅限于井上使用；所述电源转换电路的主芯片为TPS73733，用于将电池输出电压转换为3.3V后给各个模块供电。

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