CN115219446A - 激光甲烷探测模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光甲烷探测模组，包括气室、激光器、光电探测器和MCU主控芯片。所述气室设有开口和空腔，所述开口将所述空腔与外界连通；所述激光器和所述光电探测器安装在所述气室上；所述MCU主控芯片与所述激光器和所述光电探测器电连接；工作时，所述MCU主控芯片控制所述激光器产生脉冲激光，所述脉冲激光在所述空腔中传播射到所述光电探测器，使得所述光电探测器产生探测信号，所述探测信号为甲烷吸收光谱积分面积，所述MCU主控芯片利用吸收光谱积分面积浓度解调法对所述探测信号进行处理，得到所述空腔中甲烷浓度。本发明探测功耗低、精度高。

Description

激光甲烷探测模组

技术领域

本发明涉及地下相邻空间燃气泄漏探测技术领域，尤其是涉及一种激光甲烷探测模组。

背景技术

甲烷(CH4)是城市燃气管网和工业化工园区等领域天然气的主要组成部分，在空气中的爆炸极限为5％～15％，在9.5％左右爆炸最为剧烈。近年来，针对严重的燃气爆炸事故，确定合肥、沈阳、南京、青岛等18个城市作为国家城市安全风险综合监测预警工作体系建设试点，未来，预计在全国300个以上的城市(区)进行推广应用。

城市地下相邻空间燃气泄漏探测环境恶劣，如温度变化范围大、高湿、易腐蚀和氧化等，且燃气泄漏监测仪需采用电池供电，要满足可连续使用三年以上不更换电池。传统的甲烷气体检测模组如半导体式气体探测、电化学式、接触式气敏传感等，它们固有的缺点诸如检测灵敏度低、精度低、响应慢、寿命短(通常寿命1-2年)、不耐腐蚀和抗氧化等，在城市地下相邻空间燃气泄漏实时在线探测中，难以满足其恶劣环境条件应用要求。激光甲烷探测模组基于激光吸收光谱技术采用DFB激光器作为探测光源并结合低功耗调制技术，可实现低功耗，长寿命(六年以上)，高灵敏，高精度等甲烷探测，但目前，市面上现有的这类激光甲烷探测模组功耗较高，不耐腐蚀和抗氧化，此外，高灵敏和高精度激光甲烷探测产品尺寸大，结构不紧凑，无法满足目前城市地下相邻空间恶劣环境条件下燃气泄漏实时在线探测的应用需求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种激光甲烷探测模组，探测方便、功耗低、精度高。

根据本发明实施例的激光甲烷探测模组，包括：

气室，所述气室设有开口和空腔，所述开口将所述空腔与外界连通；

激光器，所述激光器安装在所述气室上；

光电探测器，所述光电探测器安装在所述气室上；

MCU主控芯片，所述MCU主控芯片与所述激光器和所述光电探测器电连接；

工作时，所述MCU主控芯片控制所述激光器产生脉冲激光，所述脉冲激光在所述空腔中传播射到所述光电探测器，使得所述光电探测器产生探测信号，所述探测信号为甲烷吸收光谱积分面积，所述MCU主控芯片利用吸收光谱积分面积浓度解调法对所述探测信号进行处理，得到所述空腔中甲烷浓度。

根据本发明实施例的激光甲烷探测模组，具有如下的优点：第一、所述气室采用开方式结构，可以方便外界气体进入所述空腔中进行甲烷浓度探测；第二、由于所述MCU 主控芯片实时控制所述激光器产生脉冲激光，相对于传统激光甲烷探测模组中激光器产生的连续激光而言，可以大大地降低激光甲烷探测模组的功耗，也就是说，本实施例的激光甲烷探测模组实现了低功耗探测，可以有效地延长供电电池使用时间，能满足激光甲烷探测模组的供电电池可连续使用三年以上；第三、由于采用甲烷吸收光谱积分面积作为探测信号，相比吸收光谱的峰值作为探测信号而言，甲烷吸收光谱积分面积作为探测信号的波动及噪声小，利用吸收光谱积分面积浓度解调法对探测信号进行处理，得到的所述空腔中甲烷浓度的精度更高，即本实施例的激光甲烷探测模组探测精度高。由此，本发明实施例的激光甲烷探测模组的探测方便、功耗低、精度高，适用于地下相邻空间燃气泄漏的实时在线低功耗高精度监测。

在一些实施例中，所述MCU主控芯片通过低功耗脉冲调制信号系列控制所述激光器产生所述脉冲激光。

在一些实施例中，所述脉冲调制信号中的每个调制脉冲包含两个调制锯齿波。

在一些实施例中，相邻的所述调制脉冲之间的时间间隔是单个所述调制脉冲的宽度的40～60倍。

在一些实施例中，所述吸收光谱积分面积浓度解调法为根据探测模组浓度与吸收光谱积分面积的线性标定对所述探测信号进行解调，得到所述空腔中甲烷浓度。

在一些实施例中，还包括至少一个反射镜，所述反射镜安装在所述空腔的内壁上，所述激光器发出的所述脉冲激光通过所述反射镜反射到所述光电探测器。

在一些实施例中，所述反射镜为镀金反射镜。

在一些实施例中，还包括激光器温控芯片，所述激光器温控芯片用于精确控制所述激光器的温度。

在一些实施例中，还包括电路板和底壳，所述电路板上安装有所述MCU主控芯片、所述激光器温控芯片、所述激光器和所述光电探测器，所述气室固定在所述电路板上，所述电路板固定在所述底壳上。

在一些实施例中，所述气室采用铝材料加工，所述气室表面采用电泳技术电镀黑色耐腐蚀和抗氧化层；所述反射镜采用镀金反射镜；所述电路板采用聚氨酯进行灌胶处理；所述底壳采用铝材料，所底壳的外表面喷砂后静电喷涂一层特氟龙材料。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的激光甲烷探测模组的爆炸示意图。

图2为本发明实施例的气室的结构示意图。

图3为本发明实施例的电路模块方框示意图。

图4为本发明实施例的低功耗脉冲激光调制信号序列示意图。

图5为本发明实施例的探测模组浓度与吸收光谱积分面积标定数据与拟合线图。

图6为本发明实施例的以吸收光谱积分面积作为探测信号进行模组标定后的模组浓度测量相对误差数据与拟合线图。

附图标记：

激光甲烷探测模组1000

气室1开口101空腔102激光器安装孔103光电探测器安装孔104

温压传感器安装孔105激光器2光电探测器3MCU主控芯片4反射镜5

激光器温控芯片6电路板7底壳8线缆9温压传感器10温湿度传感器11

相邻的调制脉冲之间的时间间隔A单个调制脉冲的宽度B防尘护圈12

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面结合图1至图6来描述本发明实施例的激光甲烷探测模组1000。

如图1至图3所示，根据本发明实施例的激光甲烷探测模组1000基于激光吸收光谱技术对天燃气或甲烷进行探测，包括气室1、激光器2、光电探测器3和MCU主控芯片4。气室1设有开口101和空腔102，开口101将空腔102与外界连通；激光器2安装在气室1上，例如通过激光器安装孔103安装在气室1上；光电探测器3安装在气室 1上，例如通过光电探测器安装孔104安装在气室1上；MCU主控芯片4与激光器2和光电探测器3电连接；工作时，MCU主控芯片4控制激光器2产生脉冲激光，脉冲激光在空腔102中按光路路径(如图2中箭头所示)传播射到光电探测器3，使得光电探测器3产生探测信号，探测信号为甲烷吸收光谱积分面积，MCU主控芯片4利用吸收光谱积分面积浓度解调法对探测信号进行处理，得到空腔102中甲烷浓度。

具体而言，气室1设有开口101和空腔102，开口101将空腔102与外界连通，这样，气室1为一个开放式结构，外界的气体可以从开口101方便地进入空腔102内部，这里的外界可以理解为激光甲烷探测模组1000要检测的外部空间环境，如要检测地下相邻空间燃气泄漏时，外界可以理解为地下与燃气空间相邻的空间。在图1和图2给出的一个具体气室1的例子中，气室1的内部有空腔102，气室1的顶部及前后左右的侧壁上均设有开口101，外界的气体均可以通过这些开口101扩散进入空腔102内。气室1 的开口101形状、尺寸及设置位置在此不作具体限定，只要方便外界气体能够进入空腔 102均可。气室1的空腔102为一个探测测量的场所，外界含有甲烷的气体进入空腔102 后可以利用激光吸收光谱技术探测到。气室1还可以为其它功能部件提供安装位，例如，在气室1上可以安装激光器2和光电探测器3等。气室1可以采用铝材料加工，气室1 的表面采用电泳技术电镀耐腐蚀和抗氧化层，使得气室1可以在地下恶劣环境下不被腐蚀和氧化，提高气室1的使用寿命。

激光器2和光电探测器3均安装在气室1上，例如，如图1和图2所示，气室1上设有激光器安装孔103和光电探测器安装孔104，激光器2和光电探测器3安装在对应的激光器安装孔103和光电探测器安装孔104中，固定可靠。激光器2和光电探测器3 安装在气室1上，可以方便激光器2产生的脉冲激光在空腔102中按照光路路径传播射到光电探测器3，以便光电探测器3对空腔102中甲烷浓度的探测，从而可以检测外界环境的中甲烷浓度。激光器2和光电探测器3的安装位置要求位于光路路径的两端，并不一定限制于气室1的底部，激光器2和光电探测器3安装于气室1的底部为一种优选方式。由于激光器2产生的是脉冲激光，相对于传统激光甲烷探测模组中激光器产生的连续激光而言，可以大大地降低激光甲烷探测模组1000的功耗，也就是说，本实施例的激光甲烷探测模组1000实现了低功耗探测，使得本实施例的激光甲烷探测模组1000 的供电电池可以长期连续使用而不需要更换，例如，可以满足连续使用3年以上而不更换供电电池。

MCU主控芯片4与激光器2和光电探测器3电连接；工作时，MCU主控芯片4实施控制激光器2产生脉冲激光，脉冲激光在空腔102中按光路路径传播射到光电探测器3，使得光电探测器3产生探测信号，该探测信号采用甲烷吸收光谱积分面积，MCU主控芯片4利用吸收光谱积分面积浓度解调法对探测信号进行处理，得到空腔102中甲烷浓度。可以理解的是，一方面，利用MCU主控芯片4可以实时地控制激光器2产生脉冲激光，相对于传统激光甲烷探测模组1000采用的连续激光而言，可以大大地降低激光甲烷探测模组1000 的功耗，满足激光甲烷探测模组1000的供电电池三年以上不需要更换的要求。例如，如图4所示，在一个具体的实验中，MCU主控芯片4根据内置的低功耗脉冲调制信号来控制激光器2产生的相应的脉冲激光，每个调制脉冲中包含两个调制锯齿波，调制锯齿波的频率为100Hz，单个调制脉冲的宽度B为0.02s，相邻的调制脉冲之间的时间间隔A为1s，该激光甲烷探测模组1000的整体工作电流<40mA，整体工作功耗<200mW，该实验证明，本实施例的激光甲烷探测模组1000实现了低功耗探测，可以有效地延长供电电池使用时间。另一方面，由于采用甲烷吸收光谱积分面积作为光电探测器3的探测信号，相比于采用吸收光谱的峰值作为探测信号而言，甲烷吸收光谱积分面积作为探测信号的波动及噪声小，利用吸收光谱积分面积浓度解调法对探测信号进行处理，得到的空腔102中甲烷浓度的精度更高，即实现了本实施例的激光甲烷探测模组1000探测精度高。例如，如图5所示，是探测模组浓度与吸收光谱积分面积标定数据与拟合线图，探测模组浓度数据与吸收光谱积分面积数据的线性相关度大于0.999，线性度较好，因此，以吸收光谱积分面积作为探测信号非常适合对模组探测浓度进行线性标定。如图6所示，是以吸收光谱积分面积作为探测信号进行模组标定后的模组浓度测量相对误差数据与拟合线图，模组测量浓度与标准浓度之间的相对误差小于±1.0％，测量误差较小，测量精度高。

根据本发明实施例的激光甲烷探测模组1000，具有如下的优点：第一、气室1采用开方式结构，可以方便外界气体进入空腔102中进行甲烷浓度探测；第二、由于MCU主控芯片4实时控制激光器2产生脉冲激光，相对于传统激光甲烷探测模组中激光器产生的连续激光而言，可以大大地降低激光甲烷探测模组1000的功耗，也就是说，本实施例的激光甲烷探测模组1000实现了低功耗探测，可以有效地延长供电电池使用时间，能满足激光甲烷探测模组1000的供电电池可连续使用三年以上；第三、由于采用甲烷吸收光谱积分面积作为探测信号，相比吸收光谱的峰值作为探测信号而言，甲烷吸收光谱积分面积作为探测信号的波动及噪声小，利用吸收光谱积分面积浓度解调法对探测信号进行处理，得到的空腔102中甲烷浓度的精度更高，即本实施例的激光甲烷探测模组1000探测精度高。由此，本发明实施例的激光甲烷探测模组1000的探测方便、功耗低、精度高，适用于地下相邻空间燃气泄漏的实时在线低功耗高精度监测。

在一些实施例中，MCU主控芯片4通过低功耗脉冲调制信号系列控制激光器2产生脉冲激光。可以理解的是，MCU主控芯片4预先内置有低功耗脉冲调制信号系列，通过低功耗脉冲调制信号系列来调制激光器2产生相应的脉冲激光，相对于传统激光甲烷探测模组1000采用的连续激光而言，可以大大地降低激光甲烷探测模组1000的功耗，可以有效地延长本实施例的激光甲烷探测模组1000的供电电池使用时间，确保激光甲烷探测模组1000的供电电池三年以上不需要更换电池。

在一些实施例中，脉冲调制信号系列中的每个调制脉冲包含两个调制锯齿波。也就是说，每个调制脉冲由两个调制锯齿波构成，可以有效地实现本实施例的激光甲烷探测模组1000的低功耗探测。

优选的，相邻的调制脉冲之间的时间间隔是单个调制脉冲的宽度的40～60倍，例如可以是40倍、45倍、50倍、55倍或60倍，这样有利于实现激光甲烷探测模组1000 的低功耗探测。

下面给出一个具体的低功耗脉冲调制信号系列，如图4所示，每个调制脉冲中包含两个调制锯齿波，调制锯齿波的频率为100Hz，单个调制脉冲的宽度B为0.02s，相邻的调制脉冲之间的时间间隔A为1s，采用脉冲激光调制方式的激光甲烷探测模组1000整体工作电流<40mA，整体工作功耗<200mW。

在一些实施例中，吸收光谱积分面积浓度解调法为根据探测模组浓度与吸收光谱积分面积的线性标定对探测信号进行解调，得到空腔102中甲烷浓度。可以理解的是，一方面探测信号采用吸收光谱积分面积，相比吸收光谱的峰值作为探测信号而言，积分面积的波动及噪声较小；另一方面，探测模组浓度与吸收光谱积分面积的线性标定是预先内置与MCU主控芯片4中，由于探测模组浓度数据与吸收光谱积分面积数据的线性相关度较好，线性相关度可以大于等于0.999；因此，根据探测模组浓度与吸收光谱积分面积的线性标定对探测信号进行解调，得到的空腔102中甲烷浓度精度高。

下面给出一个具体的实验进行说明。如图5所示，是探测模组浓度与吸收光谱积分面积标定数据与拟合线图，探测模组浓度数据与吸收光谱积分面积数据的线性相关度大于0.999，线性度较好，因此，以吸收光谱的积分面积作为探测信号非常适合对模组探测浓度进行线性标定。如图6所示，是以吸收光谱的积分面积作为探测信号进行模组标定后的模组浓度测量相对误差数据与拟合线图，模组测量浓度与标准浓度之间的相对误差小于±1.0％，测量误差较小，测量精度高。

在一些实施例中，还包括至少一个反射镜5，反射镜5安装在空腔102的内壁上(如图2所示)，激光器2发出的脉冲激光通过反射镜5反射到光电探测器3。可以理解的是，在空腔102的内壁上安装反光腔，可以将激光器2发出的脉冲激光反射到光电探测器3，这样，一方面，可以增加探测光程，提高探测灵敏度，另一方面，可以缩小气室 1的尺寸，使得结构更紧凑，占用空间小。

例如，如图2所示，激光器2和光电探测器3均安装在气室1的底部，两个反射镜 5安装在气室1的顶部，激光器2发出的脉冲激光先后依次经过两个反射镜5后反射到光电探测器3，相比于气室1同样的尺寸结构下，激光器2与光电探测器3直接对射方式(如激光器2位于气室1的底部，光电探测器3位于气室1的顶部，激光器2发出的激光直接对射到光电探测器3)而言，探测光程可以提高2倍，因此，灵敏度可以提高到2倍。

在一些实施例中，反射镜5为镀金反射镜。镀金反射镜在近红外波段的反射率大于95％，由于镀金膜的膜层粘附性差，因此以铬膜为基底，提高镀金膜层的附着力。镀金反射镜具有耐腐蚀和抗氧化能力。

在一些实施例中，如图3所示，还包括激光器温控芯片6，激光器温控芯片6用于精确控制激光器2的温度，控温精度为±0.01℃，以提高激光器2发出的脉冲激光的质量。

在一些实施例中，如图1所示，还包括电路板7和底壳8；电路板7上安装有MCU 主控芯片4、激光器温控芯片6、激光器2和光电探测器3，其中，MCU主控芯片4、激光器温控芯片6通过贴片方式安装在电路板7上，激光器2和光电探测器3安装在气室 1的底部，激光器2和光电探测器3通过引脚直接插在电路板7上的安装孔，并通过焊锡焊牢；气室1固定在电路板7上；电路板7固定在底壳8上，电路板7和底壳8之间通过螺丝或者其他固定方式进行固定。这样，本实施例的激光甲烷探测模组1000的结构可靠且紧凑。

在一些实施例中，如图1所示，还包括线缆9，线缆9用于电路板7的供电和数据传输。线缆9穿过防尘护圈12和底壳8的底部与电路板7相连，防尘护圈12与底壳8的底部固定，防尘护圈12与线缆9之间密封，以达到防尘，防水和防爆的目的。在一些实施例中，还包括温压传感器10和温湿度传感器11，其中，温压传感器10安装在气室1 上(如通过气室1的温压传感器安装孔105安装在气室1上)，并与MCU主控芯片4电连接，用于实时探测空腔102中气体的温度和压力。温湿度传感器11通过电路板7上的插针接口安装在电路板7上，与MCU主控芯片4电连接，用于探测气室1外部环境的温度和压力。MCU主控芯片4能够实时读取温压传感器10和温湿度传感的数据，用于甲烷浓度测量的补偿。

在一些实施例中，激光甲烷探测模组1000具有防水、防爆、抗腐蚀和抗氧化功能。由此，本实施例的激光甲烷探测模组1000可以适用于地下相邻空间恶劣环境的应用要求，有利于激光甲烷探测模组1000在地下相邻空间恶劣环境中长期使用，使用寿命长。

具体地，如图1和图2所示，在一个具体的激光甲烷探测模组1000例子中，为了使该激光甲烷探测模组1000具有防水、防爆、抗腐蚀和抗氧化功能，气室1采用铝材料加工，气室1表面采用电泳技术电镀黑色耐腐蚀和抗氧化层；反射镜5采用镀金反射镜，镀金反射镜具有耐腐蚀和抗氧化能力；电路板7的防水、防爆、耐腐蚀和抗氧化等采用聚氨酯对电路板7进行灌胶处理；底壳8采用铝材料，底壳8的外表面喷砂后静电喷涂一层特氟龙材料，提高底壳8的耐腐蚀和抗氧化性；线缆9用于电路板7的供电和数据传输，穿过防尘护圈12和底壳8的底部与电路板7相连，防尘护圈12与底壳8的底部固定，防尘护圈12与线缆9之间采用聚氨酯进行灌胶处理，对防尘护圈12与线缆9之间的空隙进行密封，以达到防尘，防水和防爆的目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种激光甲烷探测模组，其特征在于，包括：

气室，所述气室设有开口和空腔，所述开口将所述空腔与外界连通；

激光器，所述激光器安装在所述气室上；

光电探测器，所述光电探测器安装在所述气室上；

MCU主控芯片，所述MCU主控芯片与所述激光器和所述光电探测器电连接；

工作时，所述MCU主控芯片控制所述激光器产生脉冲激光，所述脉冲激光在所述空腔中传播射到所述光电探测器，使得所述光电探测器产生探测信号，所述探测信号为甲烷吸收光谱积分面积，所述MCU主控芯片利用吸收光谱积分面积浓度解调法对所述探测信号进行处理，得到所述空腔中甲烷浓度。

2.根据权利要求1所述的激光甲烷探测模组，其特征在于，所述MCU主控芯片通过低功耗脉冲调制信号系列控制所述激光器产生所述脉冲激光。

3.根据权利要求2所述的激光甲烷探测模组，其特征在于，所述脉冲调制信号中的每个调制脉冲包含两个调制锯齿波。

4.根据权利要求3所述的激光甲烷探测模组，其特征在于，相邻的所述调制脉冲之间的时间间隔是单个所述调制脉冲的宽度的40～60倍。

5.根据权利要求1所述的激光甲烷探测模组，其特征在于，所述吸收光谱积分面积浓度解调法为根据探测模组浓度与吸收光谱积分面积的线性标定对所述探测信号进行解调，得到所述空腔中甲烷浓度。

6.根据权利要求1所述的激光甲烷探测模组，其特征在于，还包括至少一个反射镜，所述反射镜安装在所述空腔的内壁上，所述激光器发出的所述脉冲激光通过所述反射镜反射到所述光电探测器。

7.根据权利要求6所述的激光甲烷探测模组，其特征在于，所述反射镜为镀金反射镜。

8.根据权利要求6述的激光甲烷探测模组，其特征在于，还包括激光器温控芯片，所述激光器温控芯片用于精确控制所述激光器的温度。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的激光甲烷探测模组，其特征在于，还包括电路板和底壳，所述电路板上安装有所述MCU主控芯片、所述激光器温控芯片、所述激光器和所述光电探测器，所述气室固定在所述电路板上，所述电路板固定在所述底壳上。

10.根据权利要求9所述的激光甲烷探测模组，其特征在于，所述气室采用铝材料加工，所述气室表面采用电泳技术电镀黑色耐腐蚀和抗氧化层；所述反射镜采用镀金反射镜；所述电路板采用聚氨酯进行灌胶处理；所述底壳采用铝材料，所底壳的外表面喷砂后静电喷涂一层特氟龙材料。

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