CN209858422U - 用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置。所述装置包括：DFB激光器及驱动器(1)、准直系统(3)、透镜(4)、卡塞格林望远镜系统(7)、光电探测器(8)、模拟锁相放大电路(9)及控制器(10)。与现有电化学CO传感器相比，本实用新型装置采用激光分子吸收光谱技术，对CO气体的识别具有唯一性，不会产生误报和误识，从而提高CO气体浓度检测的可靠性和灵敏度；与现有的固定点设置的CO传感器相比，本实用新型装置采用激光遥感测量，其测量的距离大于10米，可以实时检测半径在10米以内的整个有效面积内的CO气体，不需要大范围的气体的对流和扩散，检测灵敏度高达10ppm。
Description
技术领域
本实用新型涉及高灵敏CO激光遥感测量技术领域，特别是涉及一种用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置。
背景技术
煤自燃灾害严重威胁矿井安全生产，随着深部灭火措施的实施，高瓦斯、高地温出现，煤自燃造成的瓦斯爆炸等衍生灾害频率增加。预防为主是治理灾害的第一要义，而煤矿井下采空区热辐射范围窄、岩石冒落强度大，因此难以直接获得采空区各区域温度。目前，现有的煤自燃灾害预测主要是依靠气体分析法，采用束管将井下空气抽取到地面分析站，然后利用气相色谱仪进行离线取样和分析，其分析时间一般需要30分钟以上，不能满足实时在线煤自燃发火的早期发火预测。在煤自燃发火过程中，CO是煤自燃的关键性指标，研究表明，65℃(CO生长率1ppm/s)左右代表进入早期氧化，85℃(CO生长率2ppm/s)代表快速氧化，120℃(CO生长率20ppm/s)代表加速氧化并伴随剧烈氧化，可见CO在煤自燃进入各个阶段的生长率高。及时准确的测量CO的浓度和生长率，特别是煤自燃早期阶段(65℃-85℃)低浓度的CO浓度和增长率，可以有效、准确实现煤自燃预警，防止井下火灾和人员伤亡事故的发生。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置，以实现采空区中的煤自燃发火早期CO气体实时、可靠、高灵敏度的遥感测量。
为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：
一种用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置，所述装置包括：DFB激光器及驱动器(1)、准直系统(3)、透镜(4)、卡塞格林望远镜系统(7)、光电探测器(8)、模拟锁相放大电路(9)及控制器(10)；
所述控制器(10)与所述DFB激光器及驱动器(1)连接，用于控制所述DFB激光器的输出波长；所述准直系统(3)及所述透镜(4)依次设置在所述DFB激光器的出射光路上；所述卡塞格林望远镜系统(7)设置在DFB激光透射煤自燃发火早期产物中的CO烟气(5)后经过反射物(6)反射后的反射光路上；所述光电探测器(8)设置在所述卡塞格林望远镜系统(7)的出射光路上；所述模拟锁相放大电路(9)与所述光电探测器(8)连接；所述控制器(10)与所述模拟锁相放大电路(9)连接。
可选的，所述DFB激光器及驱动器(1)中包括DFB激光器和驱动器；所述DFB激光器与所述驱动器连接；所述驱动器与所述控制器(10)连接。
可选的，所述DFB激光器发出与CO气体相对应的近红外或中红外波长的DFB激光。
可选的，所述DFB激光器及驱动器(1)与所述准直系统(3)之间还设有光隔离器(2)。
可选的，所述装置还包括LCD显示单元(11)；所述LCD显示单元(11)与所述控制器(10)连接。
可选的，所述装置还包括通信接口单元(12)；所述通信接口单元(12)与所述控制器(10)连接。
根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：
本实用新型提出了一种用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置，所述装置包括：DFB激光器及驱动器(1)、准直系统(3)、透镜(4)、卡塞格林望远镜系统(7)、光电探测器(8)、模拟锁相放大电路(9)及控制器(10)；与现有电化学CO传感器相比，本实用新型装置采用激光分子吸收光谱技术，对CO气体的识别具有唯一性，不会产生误报和误识，从而提高CO气体浓度检测的可靠性和灵敏度；与现有的固定点设置的CO传感器相比，本实用新型装置采用激光遥感测量，其测量的距离大于10米，可以实时检测半径在10米以内的整个有效面积内的CO气体，不需要大范围的气体的对流和扩散，检测灵敏度高达10ppm(partpermillion)。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型所提供的用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型的目的是提供一种用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置，以实现采空区中的煤自燃发火早期CO气体实时、可靠、高灵敏度的遥感测量。
为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
本实用新型采用的技术方案的发明构思为：控制器对中心波长为2.3μm的DFB激光器进行波长扫描和调制，出射激光经过准直和透镜聚焦后出射到大气中，激光透射过煤早期氧化反应生成的微量CO后，由空气中的颗粒物或墙面反射进入光学接收系统，光电探测器将收集到的光信号转换为电信号，经过放大滤波后进入模拟锁相放大电路对一次和二次吸收信号进行解调，然后由控制器进行模数转换得到CO气体的浓度。本实用新型装置能够应用于采空区中的煤自燃发火早期CO气体的遥感测量，具有实时性、高灵敏度、指纹识别、可靠性高、抗干扰能力强等优点。
图1为本实用新型所提供的用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置的结构示意图，如图1所示，基于本实用新型的发明构思，本实用新型提供一种用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置，所述装置包括：DFB激光器及驱动器(1)、光隔离器(2)、准直系统(3)、透镜(4)、卡塞格林望远镜系统(7)、光电探测器(8)、模拟锁相放大电路(9)、控制器(10)、LCD显示单元(11)和通信接口单元(12)。
所述控制器(10)与所述DFB激光器及驱动器(1)连接，用于控制所述DFB激光器的输出波长。所述DFB激光器及驱动器(1)中包括DFB激光器和驱动器；所述DFB激光器与所述驱动器连接；所述驱动器与所述控制器(10)连接。所述的DFB激光器为用于煤自燃发火早期CO烟气探测DFB激光器，主要用于发出与CO气体波长相对应的近红外或中红外波长的DFB(Distributed Feedback，分布式反馈)激光，是中心波长为2.3μm的CO气体相对应的DFB激光器，所述DFB激光器发出的与CO气体相对应的近红外或中红外波长的DFB激光中，中红外DFB激光波长为2.3μm的，近红外DFB激光波长为1.5μm。通过控制器(10)设置所述DFB激光器的工作温度及输入波长扫描和调制叠加电路信号，从而对所述DFB激光器进行电流驱动。
其中，所述控制器(10)通过控制所述DFB激光器的电流大小和温度大小来控制所述DFB激光器的输出波长。所述工作温度用于确定CO气体吸收对应的DFB激光器的输出中心波长，输入波长扫描信号用于实现在中心波长附近的波长扫描，调制叠加电路信号用于实现波长调制和解调，是一种微弱信号检测技术，能够提高信噪比。
在实际应用中，所述DFB激光器及驱动器(1)与所述准直系统(3)之间还设有光隔离器(2)，所述光隔离器(2)将所述DFB激光器输出的激光信号与DFB激光器内部进行隔离，有效阻止遇到端面或连接头反射的光进入DFB激光器的内部。
所述准直系统(3)及所述透镜(4)依次设置在所述DFB激光器的出射光路上；经所述DFB激光器及驱动器(1)及所述光隔离器(2)出射的DFB激光经过准直系统(3)准直和所述透镜(4)聚焦后出射到煤矿井下采空区的大气中。
所述卡塞格林望远镜系统(7)设置在DFB激光透射煤自燃发火早期产物中的CO烟气(5)后经过反射物(6)反射后的反射光路上。经过准直系统(3)准直和所述透镜(4)聚焦后出射的DFB激光透射煤自燃发火早期产物中的CO烟气(5)后，经过墙面或空气中的颗粒物(6)反射后，进入卡塞格林望远镜系统(7)。所述卡塞格林望远镜系统(7)用于将被气体吸收后的信号进行收集，由于该信号被气体吸收后，碰到颗粒物或墙面将反射回来，反射信号非常的微弱，所以需要卡塞格林望远镜系统(7)进行信号的收集。
所述光电探测器(8)设置在所述卡塞格林望远镜系统(7)的出射光路上；所述模拟锁相放大电路(9)与所述光电探测器(8)连接；所述控制器(10)与所述模拟锁相放大电路(9)连接。
在实际应用中，所述装置还包括LCD显示单元(11)和通信接口单元(12)；所述LCD显示单元(11)及所述通信接口单元(12)分别与所述控制器(10)连接。优选的，所述控制器(10)采用STM32H743单片机，所述光隔离器(2)为FOI 5/57法拉第隔离器或FOI 5/711法拉第隔离器。所述LCD显示单元(11)为深圳市明芯微科技生产的MX1621B型LCD显示器。所述通信接口单元(12)为EM243以太网通信接口模块。
由所述卡塞格林望远镜系统(7)收集后的光信号入射到所述光电探测器(8)中转换为电信号，经过放大滤波后由所述模拟锁相放大电路(9)进行一次和二次同步解调，解调信号输入到所述控制单元(10)中由模数转换器中转换成数字量。由于CO气体的浓度与一次和二次解调信号的幅度都成正比，所以控制单元(10)可以根据一次和二次解调信号的比值进行早期CO火灾烟气的浓度计算，另外由于光路中存在干扰，利用一次和二次解调信号的比值可以消除干扰，提高信噪比。最后将控制单元(10)计算出的CO气体浓度值通过所述LCD显示单元(11)进行显示，并通过所述通信接口单元(12)进行外部信号传输。
现有的电化学CO传感器的检测气体不是唯一的，CO检测过程中存在比如氢气或酒精等干扰气体，这些干扰气体也同样会使电化学CO传感器输出检测电压。由于电化学CO传感器采用的是电化学反应，因此其他干扰气体也会和电极发生化学反应，输出电压，产生误报。与现有电化学CO传感器相比，本实用新型装置采用激光分子吸收光谱技术，其识别具有唯一性，不会产生误报和误识，从而提高CO气体浓度检测的可靠性和灵敏度。另外与现有的固定点设置CO传感器相比，本实用新型装置采用激光遥感测量，其测量的距离大于10米，可以检测半径在10米以内的整个有效面积内的CO气体，不需要大范围的气体的对流和扩散，检测灵敏度高达10ppm。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。
Claims (6)
1.一种用于采空区煤自燃早期预测的一氧化碳激光遥感测量装置，其特征在于，所述装置包括：DFB激光器及驱动器(1)、准直系统(3)、透镜(4)、卡塞格林望远镜系统(7)、光电探测器(8)、模拟锁相放大电路(9)及控制器(10)；
所述控制器(10)与所述DFB激光器及驱动器(1)连接，用于控制所述DFB激光器的输出波长；所述准直系统(3)及所述透镜(4)依次设置在所述DFB激光器的出射光路上；所述卡塞格林望远镜系统(7)设置在DFB激光透射煤自燃发火早期产物中的CO烟气(5)后经过反射物(6)反射后的反射光路上；所述光电探测器(8)设置在所述卡塞格林望远镜系统(7)的出射光路上；所述模拟锁相放大电路(9)与所述光电探测器(8)连接；所述控制器(10)与所述模拟锁相放大电路(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一氧化碳激光遥感测量装置，其特征在于，所述DFB激光器及驱动器(1)中包括DFB激光器和驱动器；所述DFB激光器与所述驱动器连接；所述驱动器与所述控制器(10)连接。
3.根据权利要求2所述的一氧化碳激光遥感测量装置，其特征在于，所述DFB激光器发出与CO气体相对应的近红外或中红外波长的DFB激光。
4.根据权利要求1所述的一氧化碳激光遥感测量装置，其特征在于，所述DFB激光器及驱动器(1)与所述准直系统(3)之间还设有光隔离器(2)。
5.根据权利要求1所述的一氧化碳激光遥感测量装置，其特征在于，所述装置还包括LCD显示单元(11)；所述LCD显示单元(11)与所述控制器(10)连接。
6.根据权利要求1所述的一氧化碳激光遥感测量装置，其特征在于，所述装置还包括通信接口单元(12)；所述通信接口单元(12)与所述控制器(10)连接。
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