CN116539559A - 一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，涉及激光气体检测技术领域。包括气体传感器和通信模块；所述气体传感器包括主控电路板、激光器、吸收池和光电检测器；所述吸收池采用多孔氧化铝陶瓷结构，所述激光器采用周期性非连续扫描信号调谐。本发明通过多孔氧化铝陶瓷结构，实现传感器的小型化和气体浓度的高精度测量；通过周期性非连续扫描信号模式来控制激光器，以降低激光器工作的平均电流和额外温控TEC的工作功耗，有效降低了整个系统功耗，保证传感器系统的综合续航能力；通过蜂鸣器和数码管实现气体浓度监测的预警和实时显示；通过通信模块及无线模块实现气体浓度数据的线上监测。

Description

一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器

技术领域

本发明涉及激光气体检测技术领域，特别是一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器。

背景技术

随着可调谐激光吸收光谱技术及半导体封装技术的快速发展，基于激光吸收光谱技术的气体传感器由于其检测精度高、响应时间快及稳定可靠等优点，在环境监测、工业过程控制、石油化工、医疗诊断和航空航天领域得到广泛应用。其测量原理是基于比尔朗伯定律，表述为吸收信号强度与气体浓度和气体吸收光程的乘积成正比，所以为了尽可能测量低浓度气体，通常在传感器装置中采用长光程气体吸收池来增强吸收强度信号。传统的长光程气体吸收池采用多个反射镜组成，使光束在反射镜之间形成多次反射来增加有效测量光程从而提高吸收强度。例如常见的White吸收池、Herriott吸收池以及光学谐振腔。这些气体吸收池可以在有限的物理尺寸下实现有效测量光程达到几米或几十米，甚至上公里，但对光学设计、结构稳定性、光束准直要求严格以及调试过程复杂，需要耗费大量时间，难以保证传感器装置一致性及可靠性。此外传感器所用的DFB激光器一般需通过电流和温度同时控制才能保证出射激光波长达到特定的波长，其工作时的功耗接近2W，这就导致在使用有限容量的电池供电时，在环境中一般很难满足长期待机状态的实际需求。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于散射介质的气体吸收池结构以及激光器控制工作方式，包括气体传感器和通信模块；所述气体传感器包括主控电路板、激光器、吸收池和光电检测器；所述吸收池采用多孔氧化铝陶瓷结构，所述激光器采用周期性非连续扫描信号调谐。通过采用多孔氧化铝陶瓷结构作为散射介质取代传统的光学气体吸收池，利用光散射和激光气体吸收相结合技术，实现传感器的小型化和气体浓度的高精度测量；通过周期性非连续扫描信号模式来控制激光器，以降低激光器工作的平均电流和额外温控TEC的工作功耗，有效降低了整个系统功耗，从而保证传感器系统的综合续航能力；通过蜂鸣器和数码管实现气体浓度监测的预警和实时显示；通过通信模块及无线模块实现气体浓度数据的线上监测。

发明内容

针对上述问题，提供一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，包括气体传感器和通信模块；所述气体传感器包括主控电路板、激光器、吸收池和光电检测器；所述吸收池采用多孔氧化铝陶瓷结构，所述激光器采用周期性非连续扫描信号调谐。通过采用多孔氧化铝陶瓷结构作为散射介质取代传统的光学气体吸收池，实现传感器的小型化和气体浓度的高精度测量；通过周期性非连续扫描信号模式来控制激光器，以降低激光器工作的平均电流和额外温控TEC的工作功耗，有效降低了整个系统功耗，保证传感器系统的综合续航能力。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是。

一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，包括气体泄漏传感器，所述气体泄漏传感器包括气体传感器和通信模块；所述气体传感器包括主控电路板、激光器、吸收池和光电检测器；所述吸收池采用多孔氧化铝陶瓷结构，所述激光器采用周期性非连续扫描信号调谐；所述激光器发射激光进入带有散射介质的吸收池内，经所述多孔氧化铝陶瓷结构内部多次散射和反射后，被光电检测器接收拾取待测气体成分的光谱信号，并通过浓度反演算法实现光谱信号的解调与待测气体浓度的换算。

优选的，所述气体泄漏传感器还包括固定支架、数码管、无线模块、蜂鸣器和电池包。

优选的，所述气体传感器还包括4p信号线和金属烧结块。

优选的，所述吸收池厚度12mm，直径20mm。

优选的，所述多孔氧化铝陶瓷结构内部设有均匀分布的氧化铝空心球状、采用气凝胶材质制备的小孔。

优选的，所述小孔的直径为2um。

优选的，所述小孔的孔隙率大于或等于70%，且所述小孔的孔隙率小于或等于95%。

优选的，所述主控电路板包括两个分开协作，并通过串口协议发送各自控制指令的左侧MCU微控制器和右侧MCU微控制器。

优选的，所述左侧MCU微控制器用于控制所述激光器的周期性非连续扫描信号调谐和所述气体传感器采集到的待测气体光谱信号的存储、解调和待测气体浓度的换算。

优选的，所述右侧MCU微控制器包括用于采集常规数据的温湿度传感器、无线模块、蓝牙、GPS和用于存储常规数据的EEPROM。

优选的，所述左侧MCU微控制器和所述右侧MCU微控制器采集的数据通过NB-lot经所述无线模块发送至监控平台。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果。

1.本发明通过采用多孔氧化铝陶瓷结构作为散射介质取代传统的光学气体吸收池，利用光散射和激光气体吸收相结合技术解决了在有限物理尺寸范围内吸收光程有限的问题，可实现传感器的小型化，极大地提高了气体浓度的测量精度。

2.本发明通过周期性非连续扫描信号模式来控制激光器，以降低激光器工作的平均电流以及激光器发热带来的额外温控TEC工作功耗，解决了激光气体泄漏传感器功耗大的问题，有效降低了整个系统功耗，保证传感器系统的综合续航能力。

3.本发明结构简单，安装方便，通过蜂鸣器和数码管实现气体浓度监测的预警和实时显示；通过通信模块及无线模块实现气体浓度数据的在线平台监测。

附图说明

以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，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是本发明的有效吸收光程示意图。

图3是本发明的电路示意图。

图4是本发明的激光器控制逻辑示意图。

其中，1—固定支架；2—无线模块；3—通信模块；4—数码管；5—蜂鸣器；6—气体传感器；7—电池包；8—4p信号线；9—主控电路板；10—激光器；11—光电检测器；12—吸收池；13—金属烧结块。

具体实施方式

以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

实施例

如图1所示的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，包括气体泄漏传感器，所述气体泄漏传感器包括气体传感器6和通信模块3。如图2所示的气体传感器6中展示的有效吸收光程示意图，所述气体传感器6包括主控电路板9、激光器10、吸收池12和光电检测器11；所述吸收池12采用多孔氧化铝陶瓷结构，所述激光器10采用周期性非连续扫描信号调谐，其中，激光器10控制逻辑示意图如图4所示；所述激光器10发射激光进入带有散射介质的吸收池12内，经所述多孔氧化铝陶瓷结构内部多次散射和反射后，被光电检测器11接收拾取待测气体成分的光谱信号，并通过浓度反演算法实现光谱信号的解调与待测气体浓度的换算。

所述气体泄漏传感器还包括固定支架1、数码管4、无线模块2、蜂鸣器5和电池包7。所述气体传感器6还包括4p信号线8和金属烧结块13。所述吸收池12厚度12mm，直径20mm。所述多孔氧化铝陶瓷结构内部设有均匀分布的氧化铝空心球状、采用气凝胶材质制备的小孔。所述小孔的直径为2um，孔隙率大于或等于70%，且小于或等于95%。如图3所示的主控电路板9中展示的电路示意图，所述主控电路板9包括两个分开协作，并通过串口协议发送各自控制指令的左侧MCU微控制器和右侧MCU微控制器。

所述左侧MCU微控制器用于控制所述激光器10的周期性非连续扫描信号调谐和所述气体传感器6采集到的待测气体光谱信号的存储、解调和待测气体浓度的换算。所述右侧MCU微控制器包括用于采集常规数据的温湿度传感器、无线模块2、蓝牙、GPS和用于存储常规数据的EEPROM。所述左侧MCU微控制器和所述右侧MCU微控制器采集的数据通过NB-lot经所述无线模块2发送至监控平台。

下面对本发明的结构示意图1-4进行进一步描述。

如图1所示的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，包括通信模块3、固定支架1、无线模块2、数码管4、蜂鸣器5、电池包7和气体传感器6。所述固定支架1采用塑料、钢或铝合金制成，其上端设置一用于固定的向上凸起的矩形提手，下端通过固定支架1左右两侧连接点活动连接一个矩形的长方体外壳。所述长方体外壳内部底层设置通信模块3，所述通信模块3通过4p信号线8进行供电和串口通信。

所述长方体外壳外部上端中部设有数码管4，所述数码管4用于实时显示气体传感器6采集到的光谱信号。所述长方体外壳外部的下端中部位置设有蜂鸣器5，用于实时接收所述气体传感器6传输的光谱数据，并对超出设定待测气体浓度的实时数据进行现场预警。所述蜂鸣器5正下方设有气体传感器6；所述长方体外壳右侧上端设有无线模块2，呈L型，用于通过NB-lot将采集到的待测气体的浓度数据和常规数据远程上传至监控平台上，供用户远程监测与调控。

所述长方体外壳的背面设有电池包7，用于整个系统的整机供电，所述电池包7采用多个电池并联组成，同时并联一个超级电容用于增大驱动电流，保证装置长期待机工作。

所述传感器采集到待测气体的光谱信号，通过串口数据线分别与蜂鸣器5、数码管4和通信模块3相连，所述电池包7用于给所述气体传感器6、通信模块3、数码管4和蜂鸣器5供电，所述气体传感器6用于采集待测气体的光谱信号；所述蜂鸣器5用于针对采集到的光谱信息中超出设定的部分进行现场、实时的蜂鸣预警；所述通信模块3用于调控激光器10的工作周期、存储与处理气体传感器6采集到的待测气体的光谱信号，同时可实时采集和处理当前现场的常规信号，并将对应数据通过NB-lot传输至监控平台。

如图2所示的气体传感器6的有效吸收光程示意图。所述气体传感器6包括主控电路板9、激光器10、吸收池12、金属烧结块13、光电检测器11和4p信号线8。所述气体传感器6通过4p信号线8与通信模块3进行供电和串口通信。所述主控电路板9位于所述气体传感器6的上部。

所述气体传感器6的左上部设有激光器10，其右上部设有光电检测器11，所述激光器10和光电检测器11通过光纤或数据线与主控电路板9相连。所述气体传感器6下部设有吸收池12，所述吸收池12厚度12mm，直径20mm。吸收池12内部采用多孔氧化铝陶瓷结构，所述多孔氧化铝陶瓷结构内部设有均匀分布的氧化铝空心球状、采用气凝胶材质制备的小孔。所述小孔的直径为2um，孔隙率大于或等于70%，且小于或等于95%。

所述气体传感器6底部中间位置设有金属烧结块13，用于防止灰尘和污水进入吸收池12导致小孔堵塞。所述气体传感器6采用独立主控电路控制设计。所述主控电路板9用于调控激光器10的工作周期、存储与处理气体传感器6采集到的待测气体的光谱信号，同时可实时采集和处理当前现场的常规信号，并将对应数据通过NB-lot传输至监控平台。

所述主控电路板9调控激光器10进行周期性非连续扫描信号调谐，在激光器10工作时发射出特定波长的激光进入带有散射介质的吸收池12内，经所述多孔氧化铝陶瓷结构内部多次散射和反射后，被光电检测器11接收拾取待测气体成分的光谱信号，并通过浓度反演算法实现光谱信号的解调与待测气体浓度的换算，得出待测气体的精确浓度。

所述浓度反演算法依据比尔-朗伯定律，具体公式表述如下：

其中，原始光强为I ₀，频率为v的光源，经过长度为L的吸收介质后，光电检测器接收到的光强强度为I，为气体分子的吸收截面系数，C为被测气体浓度。

在弱吸收情况下，，则上式可以近似表述为：/>，可以看出，吸收介质对光强的吸收与气体浓度及吸收长度的乘积呈正比。

在获取原始光强I ₀和透射的光强强度I后，根据比尔-朗伯定律公式，可计算得到吸光度，再对横坐标进行积分处理，可求出积分吸光度A。当已知压力P、气体吸收光程L、温度T时，即可求得最终的被测气体浓度C,其具体公式如下：

如图3所示的主控电路板9的电路示意图。所述主控电路板9包括两个分开协作，并通过串口协议发送各自控制指令的左侧MCU微控制器和右侧MCU微控制器。所述左侧MCU微控制器用于控制所述激光器10的周期性非连续扫描信号调谐和所述气体传感器6采集到的待测气体光谱信号的存储、解调和待测气体浓度的换算。所述右侧MCU微控制器包括用于采集常规数据的温湿度传感器、无线模块2、蓝牙、GPS和用于存储常规数据的EEPROM。所述左侧MCU微控制器和所述右侧MCU微控制器采集的数据通过NB-lot经所述无线模块2发送至监控平台。两个MCU微控制器分开独立控制，相互分工协作，通过串口协议分别发送各自的控制指令。

所述主控电路板9还集成了内部的电源管理系统，包括了用于给所述气体传感器6供电的3.7V转5V升压电路，以及给左侧MCU微控制器、右侧MCU微控制器和其他电路芯片以及模块供电的5V转3.3V降压电路；此外，为了及时了解电池寿命，需要对电池电量进行监控，因此通过实时采集电源电压并将数据以NB-lot协议发送至远程操控中心。

如图4所示的激光器10控制逻辑示意图。所述激光器10的控制逻辑采用低功耗设计方案，使用周期性非连续扫描信号来控制激光器10，以降低激光器10工作的平均电流。具体方式为：在T1~T8周期内给激光器10高于出光阈值的直流信号，在T9~T10两个周期给激光器10两个周期的扫描信号控制激光器10扫描经过特定波长；同时连续2个周期的好处在于在采集原始光谱信号后，便于做原始光谱信号平均预处理以提高信噪比。因此，通过控制周期性非连续扫描信号在整个循环周期内的占比能降低激光器10的工作电流以及激光器10发热带来的额外温控TEC功耗，有效降低了系统功耗保证在电池供电前提下系统的综合续航。

本发明通过采用多孔氧化铝陶瓷结构作为散射介质取代传统的光学气体吸收池12，利用光散射和激光气体吸收相结合技术解决了在有限物理尺寸范围内吸收光程有限的问题，可实现传感器的小型化，极大地提高了气体浓度的测量精度；通过周期性非连续扫描信号模式来控制激光器10，以降低激光器10工作的平均电流以及激光器10发热带来的额外温控TEC工作功耗，解决了激光气体泄漏传感器功耗大的问题，有效降低了整个系统功耗，保证传感器系统的综合续航能力。

此外本发明结构简单，安装方便，通过蜂鸣器5和数码管4实现气体浓度监测的预警和实时显示；通过通信模块3及无线模块2实现气体浓度数据的在线平台监测。因此本发明专利在提高吸收信号强度的同时，实现小体积、低功耗的气体浓度高精度测量。例如，结合本发明的方案与1654nm激光光源集成低功耗型激光气体传感器6装置，可实现甲烷气体高精度测量，在煤矿瓦斯泄漏监测以及城市燃气安全泄漏监测领域具有广泛的应用前景。

尽管说明书已经作了详细描述，但是应该理解的是，在不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出多种改变、替换和变更。此外，所描述的具体实施例并不用于限定本发明的范围，本领域普通技术人员基于本发明能够容易理解，当前存在的或以后待开发的处理、机器、制造、物质组成、手段、方法或者步骤可执行与本发明实施例实质相同的功能或获得实质相同的结果。因此，所附权利要求旨在将此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (10)

1.一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，其特征在于：包括气体泄漏传感器，所述气体泄漏传感器包括气体传感器和通信模块；所述气体传感器包括主控电路板、激光器、吸收池和光电检测器；所述吸收池采用多孔氧化铝陶瓷结构，所述激光器采用周期性非连续扫描信号调谐；所述激光器发射激光进入带有散射介质的吸收池内，经所述多孔氧化铝陶瓷结构内部多次散射和反射后，被光电检测器接收拾取待测气体成分的光谱信号，并通过浓度反演算法实现光谱信号的解调与待测气体浓度的换算。

2.如权利要求1所述的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，其特征在于：所述气体泄漏传感器还包括固定支架、数码管、无线模块、蜂鸣器和电池包。

3.如权利要求1所述的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，其特征在于：所述气体传感器还包括4p信号线和金属烧结块。

4.如权利要求1所述的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，其特征在于：所述吸收池厚度12mm，直径20mm。

5.如权利要求1所述的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，其特征在于：所述多孔氧化铝陶瓷结构内部设有均匀分布的氧化铝空心球状、采用气凝胶材质制备的小孔。

6.如权利要求5所述的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，其特征在于：所述小孔的直径为2um；所述小孔的孔隙率大于或等于70%，小于或等于95%。

7.如权利要求1所述的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，其特征在于：所述主控电路板包括两个分开协作，并通过串口协议发送各自控制指令的左侧MCU微控制器和右侧MCU微控制器。

8.如权利要求7所述的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，其特征在于：所述左侧MCU微控制器用于控制所述激光器的周期性非连续扫描信号调谐和所述气体传感器采集到的待测气体光谱信号的存储、解调和待测气体浓度的换算。

9.如权利要求7所述的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，其特征在于：所述右侧MCU微控制器包括用于采集常规数据的温湿度传感器、无线模块、蓝牙、GPS和用于存储常规数据的EEPROM。

10.如权利要求9所述的一种基于散射介质的激光气体泄漏传感器，其特征在于：所述左侧MCU微控制器和所述右侧MCU微控制器采集的数据通过NB-lot经所述无线模块发送至监控平台。