CN210923470U - 具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪，包括壳体、激光测距传感器、激光驱动电路板和激光信号放大电路板。所述壳体内部由左向右依次同轴安装有：激光发射器、光电二极管、凸透镜和抛物面反射镜，所述激光测距传感器安装在壳体内部左侧，与激光发射器在同一竖直平面内，所述激光驱动电路板和激光信号放大电路板均通过铜柱安装在壳体内部右侧。所述激光驱动电路板分别与激光发射器、激光测距传感器和激光信号放大电路板相连，所述激光信号放大电路板与光电二极管相连。该激光甲烷遥测仪能够实时监测测量距离，扣减相应的净背景气浓度值，同时有效地避免了路边障碍物引起的距离突变，使检测结果更加准确。

Description

具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪

技术领域

本实用新型涉及激光甲烷遥测技术领域，具体涉及一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪。

背景技术

大多数气体都有自己的红外吸收光谱，激光穿过气体后通过分析和计算光信号变化能够获得气体浓度信息，从而实现对气体浓度的测量，目前已经得到了比较广泛的应用。基于该原理的激光甲烷遥测仪发出激光，激光被反射面(墙面、草地、木板等)反射回来后，被激光甲烷遥测仪接收端收到，通过TDLAS技术，获取到反射光中携带的气体浓度信息。其中激光甲烷遥测仪获取的结果是甲烷的积分浓度，单位是ppm·m，比如气团浓度为1000ppm，长度为1m，则测量结果为1000ppm·m。

实际应用中，对于长达几十甚至几百公里的燃气管道进行检测，手持激光甲烷遥测仪依然不合适，普通人行走速度大约5公里每小时，实现对长输管线的检测仍然是一项费时费力的工作。为此我公司研发出一种车载激光甲烷遥测仪，在使用过程中仍存在一些弊端。

大气中存在一定浓度的甲烷气体，美国国家海洋和大气管理局(NOAA)日前公布的最新数据显示，大气中的甲烷浓度达到创纪录的1858ppb，即1.858ppm。所以车载激光甲烷遥测仪测量结果中必定包含了空气中甲烷背景气浓度，这对甲烷泄漏的检测带来了困扰。

我公司进一步改进研发，直接在测量结果计算中扣减掉一个默认的背景气体浓度值，比如设计检测距离为100m，则空气中最大甲烷背景气浓度为185.8ppm·m，直接在计算结果中减掉此值，但是这种方案只适合检测距离为100m，当近距离检测低浓度甲烷气体时，由于扣减的数据较大，而实际上没有这么大浓度的甲烷气体，比如在1米处检测浓度为30ppm·m的甲烷气体，扣减之后得到的甲烷浓度值可能为-155.8ppm·m，因为实际浓度没有负值，设备会一直显示0ppm·m，导致检测结果不准确。

我公司更进一步地研发，根据反射回来的光信号强度粗略的估算距离来进行分段的数据扣减，但是仍然存在一些弊端，比如近距离照射黑色反射面与远距离照射浅色反射面得到相同的信号强度，即检测距离相同，但是实际中检测距离不同，所以背景气浓度也不同，做相同的扣减，导致检测结果不准确。

其次，车载激光甲烷遥测仪在行进过程中，由于路边障碍物(树木、路灯、护栏等)的存在，反射面会发生突变，比如从5米处突然照射到25米处，设备的测量结果会突然增加约 20m*1.858ppm＝37.16ppm·m，如果将报警值设置为20ppm·m，此时设备将发出报警信号，但是实际上此时并没有甲烷泄漏发生。

基于上述一些弊端，我公司加大研发力度，研发出一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪，通过激光测距传感器能够实时监测测量距离，从而扣减相应的净背景气浓度值，同时有效地避免了路边障碍物引起的距离突变导致检测距离的增加，使检测结果更加准确

为实现上述目的，本实用新型采用的技术解决方案是：

一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪，包括壳体、激光测距传感器、激光驱动电路板和激光信号放大电路板；

所述壳体内部由左向右依次同轴安装有：激光发射器、光电二极管、凸透镜和抛物面反射镜，所述抛物面反射镜平面端靠近凸透镜一侧；

所述激光测距传感器安装在壳体内部左侧，与激光发射器在同一竖直平面内；

所述激光驱动电路板和激光信号放大电路板均通过铜柱安装在壳体内部右侧；

所述激光驱动电路板与激光发射器相连，用于控制激光发射器的温度和调制激光发射器发出的检测激光波长；

所述激光驱动电路板与激光测距传感器相连，用于接收激光测距传感器检测的距离信息；

所述激光信号放大电路板与光电二极管相连，用于接收光电二极管发出的光电信号，实现光电信号的处理以及计算被测物气体浓度信息；

所述激光驱动电路板与激光信号放大电路板相连，用于接收被测物气体浓度信息。

优选地，所述激光信号放大电路板包括跨阻放大电路、ADC芯片和DSP芯片，所述跨阻放大电路将光电二极管发出的电流信号转为电压信号，所述电压信号被ADC芯片采集转化为数字信号，所述数字信号由DSP芯片通过数字锁相放大算法计算出被测物气体浓度信息。

优选地，所述激光驱动电路板包括STM32单片机、温度控制电路和调制驱动电路，所述温度控制电路用于控制激光发射器的温度，所述调制驱动电路用于调制检测激光的波长以及驱动信号的发送，所述STM32单片机UART1接口用于接收DSP芯片发出的被测物气体浓度信息，UART2接口用于接收检测距离信息，UART3接口输出RS485信号与外部设备通信。

优选地，还包括RS232/RS485信号转换器和计算机，所述激光驱动电路板通过RS232/RS485信号转换器与计算机相连。

优选地，还包括云台，所述云台安装在车身顶部，所述壳体安装在云台上。

与现有技术相比本实用新型具有的有益效果：

(1)本实用新型车载激光甲烷遥测仪通过激光测距传感器能够实时监测测量距离，从而扣减相应的净背景气浓度值，同时有效地避免了路边障碍物引起的距离突变导致检测距离的增加，与现有技术相比使检测结果更加准确。

(2)本实用新型车载激光甲烷遥测仪壳体通过云台安装在车身顶部，通过云台能够调节甲烷遥测仪检测方向，方便检测和使用。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图。

图2是本实用新型使用状态结构示意图。

图3是本实用新型原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行具体的说明：

结合图1至图3，一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪，包括壳体1、激光测距传感器6、激光驱动电路板7、激光信号放大电路板8、激光发射器2、光电二极管3、凸透镜4、抛物面反射镜5、RS232/RS485信号转换器、云台和计算机。

其中，壳体1内部由左向右依次同轴安装有：激光发射器2、光电二极管3、凸透镜4和抛物面反射镜5，具体的抛物面反射镜5平面端靠近凸透镜4一侧。激光测距传感器6安装在壳体1内部左侧，与激光发射器2在同一竖直平面内。激光驱动电路板7和激光信号放大电路板8均通过铜柱安装在壳体1内部右侧相应卡槽里。壳体1内部各部件的安装位置关系可根据实际应用做适应性改变。

进一步地，激光驱动电路板7通过六芯线缆与激光发射器2相连，具体的两根电源线和四根信号线；激光驱动电路板7通过四芯线缆与激光信号放大电路板8相连，具体的两根电源线和两根信号线；激光驱动电路板7通过四芯线缆与激光测距传感器6相连，具体的两根电源线和两根信号线；激光信号放大电路板8通过同轴电缆与光电二极管3相连。更为具体的，外部电源接入激光驱动电路板7通过电源线分别给激光发射器2、激光信号放大电路板8 和激光测距传感器6供电。

其中，激光信号放大电路板8包括跨阻放大电路、ADC芯片和DSP芯片。具体的光电二极管3发出的电流信号通过信号线传送到跨阻放大电路，阻放大电路将电流信号转为电压信号，电压信号被ADC芯片采集转化为数字信号，数字信号进入DSP芯片，由DSP芯片通过数字锁相放大算法取得信号的二次谐波振幅I_S以及一次信号振幅I₀，根据比尔朗博定律，气体浓度正比与I_S与I₀的比值来得到被测物的气体浓度，即Cg1＝k·I_S/I₀，k为比例系数，通过上述处理和计算得到被测物气体浓度Cg1。

其中，激光驱动电路板7包括STM32单片机、温度控制电路和调制驱动电路。具体的温度控制电路通过信号线实现对激光发射器2工作温度的控制，将温度控制在指定的温度点。调制驱动电路通过信号线调制激光发射器2发出的检测激光波长以及驱动信号的发送。STM32 单片机具备3个UART接口，具体的UART1接口通过信号线与DSP芯片的UART接口相连，用于接收被测物气体浓度Cg1；STM32单片机的UART2接口通过信号线与激光测距传感器6相连，用于接收激光测距传感器6检测的距离信息L，STM32单片机将获取的被测物气体浓度Cg1和检测距离信息L进行运算处理，即最终检测结果Cg2＝Cg1-L*1.858ppm；STM32单片机的UART3 接口输出RS485信号，通过RS232/RS485信号转换器与计算机相连，将最终的检测结果Cg2 通过计算机显示。根据客户的使用需求通过计算机可以设置相应报警值Cg3，若检测结果Cg2 ≥Cg3，则发出警告，若检测结果Cg2＜g3，则安全。

进一步地，云台安装在车身顶部，壳体1安装在云台上。通过云台能够调节甲烷遥测仪检测方向，方便检测和使用。

进一步地，由于路边障碍物(树木、路灯、护栏等)引起的距离突变多发生在水平方向，因此为了使激光测距传感器6获取的距离值更加接近实际检测距离，安装时将激光测距传感器6与激光发射器2调整到同一竖直平面内，使二者在同一竖直平面内平行射出激光。

本实用新型具体使用过程中，激光测距传感器6和激光发射器2同时发出测距激光和检测激光，测距激光经反射面返回到激光测距传感器6完成测距，并将距离信息发送给激光驱动电路板7。检测激光经反射面发生漫反射，部分检测激光被抛物面反射镜5接收，并聚焦到凸透镜4上，再经过凸透镜4聚焦到光电二极管3转化成电流信号，并将电流信号发送到激光信号放大电路板8处理计算得到被测物浓度信息Cg1。被测物浓度信息Cg1发送给激光驱动电路板7，结合距离信息L，经过STM32单片机计算得到最终的检测结果Cg3。

本实用新型车载激光甲烷遥测仪通过激光测距传感器能够实时监测测量距离，从而扣减相应的净背景气浓度值，同时有效地避免了路边障碍物引起的距离突变导致检测距离的增加，与现有技术相比使检测结果更加准确。

上述具体实施方式中未述及的部分采取或借鉴现有技术即可实现。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪，其特征在于，包括壳体、激光测距传感器、激光驱动电路板和激光信号放大电路板；

所述壳体内部由左向右依次同轴安装有：激光发射器、光电二极管、凸透镜和抛物面反射镜，所述抛物面反射镜平面端靠近凸透镜一侧；

所述激光测距传感器安装在壳体内部左侧，与激光发射器在同一竖直平面内；

所述激光驱动电路板和激光信号放大电路板均通过铜柱安装在壳体内部右侧；

所述激光驱动电路板与激光发射器相连，用于控制激光发射器的温度和调制激光发射器发出的检测激光波长；

所述激光驱动电路板与激光测距传感器相连，用于接收激光测距传感器检测的距离信息；

所述激光信号放大电路板与光电二极管相连，用于接收光电二极管发出的光电信号，实现光电信号的处理以及计算被测物气体浓度信息；

所述激光驱动电路板与激光信号放大电路板相连，用于接收被测物气体浓度信息。

2.根据权利要求1所述的一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪，其特征在于，所述激光信号放大电路板包括跨阻放大电路、ADC芯片和DSP芯片，所述跨阻放大电路将光电二极管发出的电流信号转为电压信号，所述电压信号被ADC芯片采集转化为数字信号，所述数字信号由DSP芯片通过数字锁相放大算法计算出被测物气体浓度信息。

3.根据权利要求2所述的一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪，其特征在于，所述激光驱动电路板包括STM32单片机、温度控制电路和调制驱动电路，所述温度控制电路用于控制激光发射器的温度，所述调制驱动电路用于调制检测激光的波长以及驱动信号的发送，所述STM32单片机UART1接口用于接收DSP芯片发出的被测物气体浓度信息，UART2接口用于接收检测距离信息，UART3接口输出RS485信号与外部设备通信。

4.根据权利要求3所述的一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪，其特征在于，还包括RS232/RS485信号转换器和计算机，所述激光驱动电路板通过RS232/RS485信号转换器与计算机相连。

5.根据权利要求4所述的一种具有测距功能的新型车载激光甲烷遥测仪，其特征在于，还包括云台，所述云台安装在车身顶部，所述壳体安装在云台上。

Images