CN212180608U - 石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及工业巡检机器人技术领域，公开了石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，包括：激光发射器、与激光发射器连接的激光控制单元、用于吸收标的位置反射的光束，生成目标电信号的第一光电探测器、接收激光发射器发射的部分光束，并生成标的电信号的标定单元，以及DSP微处理器。激光发射器发射特定波长的激光，激光光束部分射向标的位置，部分被标定单元拦截，被标定单元拦截的光束生成标的电信号，射向标的位置后反射回来的光束被第一光电探测器吸收，转换成目标电信号，DSP微处理器将目标电信号与标的电信号进行运算处理，从而判断标的位置是否有甲烷气体泄漏。实现了远距离气体检测，安全系数高，且相应速度快。

Description

石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置

技术领域

本实用新型涉及工业巡检机器人技术领域，尤其涉及一种石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置。

背景技术

随着石油化工企业发展的进步，对于安全问题的关注也越来越广泛。防爆在油田的安全生产中居于首要地位。石油化工行业往往处于空旷的地区，拥有高精密的仪器设备，石油、毒气泄漏等隐患复杂严峻。这些设备大都处在危险的爆炸气体环境中，如果出现紧急情况，就会产生难以估量的后果，因此，有效预防石油化工企业的安全事故，应当定期对作业环境进行检测，尤其检测气体中可燃气体的含量。

传统的气体探测器为“点式”探测器，包括催化燃烧式探测器及电化学式探测器：

催化燃烧式探测器的工作原理为：在探测器的表面设有一层电化石，将探测器置于检测环境中，若检测环境中的甲烷气体与探测器表面的电化石接触，则会发生打火现象，从而实现甲烷的检测。

电化学式探测器的工作原理为：在探测器的表面设有一层催化剂，当探测器通电后，催化剂与甲烷反应后能够生成水和二氧化碳。

以上“点式”探测器存在的缺陷为：均属于扩散式探测器，即只有当气体扩散至探测器位置时才能够实现检测，因此，结果响应不及时。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其能够实现了远距离检测，响应快速，且检测结果准确。

本实用新型提供的一种石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置包括：

激光发射器，向标的位置发射特定波长的光束；

激光控制单元，与所述激光发射器连接，发出测试信号，并控制所述激光发射器工作；

第一光电探测器，吸收标的位置反射的光束，并转换成目标电信号；

标定单元，接收激光发射器发射的部分光束，并生成标的电信号；

DSP微处理器，与所述激光控制单元、第一光电探测器及标定单元连接，实现电信号的运算处理，以通过标定电信号对目标电信号进行校准。

通过采用上述技术方案，通过激光控制单元控制激光发射器发射特定波长的激光；激光光束部分射向标的位置，部分被标定单元拦截，被标定单元拦截的光束生成标的电信号，并发送至DSP微处理器，用于对标的位置反射的光束进行校准；射向标的位置后反射回来的光束被第一光电探测器吸收，转换成目标电信号，并将目标电信号发送至DSP微处理器，DSP微处理器将目标电信号与标的电信号进行运算处理，即通过标定电信号对目标电信号进行校准，从而判断标的位置是否有甲烷气体泄漏。实现了远距离气体检测，安全系数高，且相应速度快。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为，所述激光控制单元包括：

激光器驱动单元，与所述激光发射器连接，以驱动激光发射器动作；

信号发生器，连接于所述DSP微处理器与所述激光驱动单元之间，发出测试信号；

调制电路，连接于所述信号发生器与所述激光驱动单元之间。

通过采用上述技术方案，信号发生器发出特定波长的测试信号，通过调制电路调制后发送至激光驱动单元，激光驱动单元驱动激光发射器发射该特定波长的激光光束。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为，所述标定单元包括：

第一样品池，用于存放检测标的气体的样品；

第二光电探测器，用于吸收穿过第一样品池中检测标的气体后的光束，并转换成目标电信号；

第二解调电路，连接于所述第二光电探测器与所述DSP微处理器之间。

通过采用上述技术方案，进入第一样品池的光束，射向第二光电探测器，第二光电探测器吸收穿过第一样品池中检测标的气体后的光束，并转换成目标电信号，标的电信号进入DSP微处理器，作为校准数据。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为，所述第二光电探测器与所述第二解调电路之间连接有第二放大电路。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为，所述激光发射器发出光束的光路上设有分束器，光束通过分束器后部分射向标的位置，部分射向所述第一样品池。

通过采用上述技术方案，分束器将激光发射器发射的激光光束分成两路，一路射向标的位置，对标的位置进行检测，一路射向第一样品池，用于生成标的电信号。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为，射向标的位置的光束光路上设于第二样品池。

通过采用上述技术方案，第二样品池的作用在于保证在第一光电探测器正常工作时有信号输出，从而在没有甲烷泄漏时排除第一光电探测器故障状态。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为，所述通过所述分束器后的光束上均设有准直器。

通过采用上述技术方案，准直器用于使光最大效率的耦合进入所需的器件。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为，所述第一光电探测器安装于光束接收筒上，所述第一光电探测器安装于光束接收筒一端中心位置，所述光束接收筒另一端安装有平凸透镜，所述平凸透镜的球面背向所述第一光电探测器设置，反射的光束通过平凸透镜聚焦于所述第一光电探测器上。

通过采用上述技术方案，平凸透镜对光束具有聚焦作用，从而使反射的光束聚焦于所述第一光电探测器上。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为，所述平凸透镜两面均设有增透膜。

通过采用上述技术方案，提高平凸透镜81透光率。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为，所述第一光电探测器与所述DSP微处理器之间连接有第一放大电路及第一解调电路，所述第一放大电路与所述第一光电探测器连接，所述第一解调电路与所述第一放大电路连接后连接至所述DSP微处理器。

综上所述，本实用新型提供的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置包括以下至少一种有益技术效果：

通过激光控制单元控制激光发射器发射特定波长的激光；激光光束部分射向标的位置，部分被标定单元拦截，被标定单元拦截的光束生成标的电信号，并发送至DSP微处理器，用于对标的位置反射的光束进行校准；射向标的位置后反射回来的光束被第一光电探测器吸收，转换成目标电信号，并将目标电信号发送至DSP微处理器，DSP微处理器将目标电信号与标的电信号进行运算处理，即通过标定电信号对目标电信号进行校准，从而判断标的位置是否有甲烷气体泄漏。实现了远距离气体检测，安全系数高，且相应速度快。

通过第二样品池的作用在于保证在第一光电探测器正常工作时有信号输出，从而在没有甲烷泄漏时排除第一光电探测器故障状态。

附图说明

图1为本实用新型提供的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置结构示意图。

图中，1、激光发射器；2、激光控制单元；3、第一光电探测器；4、标定单元；5、DSP微处理器；20、激光器驱动单元；21、信号发生器；22、调制电路；31、第一放大电路；32、第一解调电路；41、第一样品池；42、第二光电探测器；43、第二解调电路；44、第二放大电路；6、分束器；7、准直器；8、光束接收筒；81、平凸透镜；9、第二样品池。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型公开了石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，如图1所示，包括：

激光发射器1，用于向标的位置发射特定波长的光束，本实用新型运用于石油化工多维感知巡检机器人，用于油田等石油化工现场；

激光控制单元2，与激光发射器1连接，用于发出测试信号，并控制激光发射器1工作，具体包括：与激光发射器1连接，以驱动激光发射器1动作的激光器驱动单元20，与激光驱动单元20连接的信号发生器21，其用于发出测试信号，以及连接于信号发生器21与激光驱动单元20之间的调制电路22；

第一光电探测器3，用于吸收标的位置反射的光束，并转换成目标电信号，第一光电探测器3选用InGaAs探测器；

标定单元4，接收激光发射器1发射的部分光束，并生成标的电信号；

DSP微处理器5，与激光控制单元2的信号发生器21、第一光电探测器3及标定单元4连接，实现电信号的运算处理，以通过标定电信号对目标电信号进行校准。

在本实用新型此实施方式中，用于对甲烷气体的检测，甲烷气体对应的光谱波长为1654nm，因此，首先调谐使激光发射器1发出1654nm波长的光束，然后通过激光控制单元2控制激光发射器1发射1654nm波长激光；激光光束部分射向标的位置，部分被标定单元4拦截，被标定单元4拦截的光束生成标的电信号，并发送至DSP微处理器5，用于对标的位置反射的光束进行校准；射向标的位置后反射回来的光束被第一光电探测器3吸收，转换成目标电信号，并将目标电信号发送至DSP微处理器5，DSP微处理器5将目标电信号与标的电信号进行运算处理，即通过标定电信号对目标电信号进行校准，从而判断标的位置是否有甲烷气体泄漏。实现了远距离气体检测，安全系数高，且相应速度快。

如图1所示，激光发射器1发出光束的光路上设有分束器6，光束通过分束器6后部分射向标的位置，部分射向标定单元4。通过分束器6后的两条光束上分别设有准直器7，以使光最大效率的耦合进入下一器件中。

如图1所示，标定单元4包括：

第一样品池41，用于存放检测标的气体的样品，在本实用新型此实施方式中存放的为甲烷气体；

第二光电探测器42，用于吸收穿过第一样品池41中检测标的气体后的光束，并转换成目标电信号，在本实用新型此实施方式中，第二光电探测器42可选用中红外光电二极管探测器PD，因此，可以有较高的灵敏度；

第二解调电路43，连接于第二光电探测器42与DSP微处理器5之间；以及连接于第二光电探测器42与第二解调电路43之间的第二放大电路44。

经过准直器7耦合进入第一样品池41的光束，然后射向第二光电探测器42，第二光电探测器42吸收穿过第一样品池41中检测标的气体后的光束，并转换成目标电信号，标的电信号通过第二放大电路44及第二解调电路43放大解调后进入DSP微处理器5，作为校准数据。

如图1所示，射向标的位置的光束的光路上设于第二样品池9，第二样品池9中的样品气体与第一样品池41中的样品气体一致。第一光电探测器3与DSP微处理器5之间连接有第一放大电路31及第一解调电路32，第一放大电路31与第一光电探测器3连接，第一解调电路32与第一放大电路31连接后连接至DSP微处理器5。经过准直器7耦合进入第一样品池41的光束射向标的位置，然后漫反射至第一光电探测器3，第一光电探测器3吸收标的位置反射的光束，并转换成目标电信号，然后将目标电信号发送至DSP微处理器5与校准数据（即标的电信号）进行比较，若目标电信号与标的电信号相同，则标的位置没有甲烷气体泄漏，如果目标电信号小于标的电信号则表示标的位置有甲烷气体泄漏，且目标电信号与标的电信号的差值越大，则说明标的位置甲烷浓度越大。因此，第二样品池9的作用在于保证在第一光电探测器3正常工作时有信号输出，从而在没有甲烷泄漏时排除第一光电探测器3故障状态。

如图1所示，第一光电探测器3安装于光束接收筒8上，第一光电探测器3安装于光束接收筒8一端中心位置，光束接收筒8另一端安装有平凸透镜81，平凸透镜81的球面背向第一光电探测器3设置，因此反射的光束通过平凸透镜81聚焦于第一光电探测器3上。另外，为了提高平凸透镜81的透光率，在平凸透镜81两面均设有增透膜。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其特征在于，包括：

激光发射器（1），向标的位置发射特定波长的光束；

激光控制单元（2），与所述激光发射器（1）连接，发出测试信号，并控制所述激光发射器（1）工作；

第一光电探测器（3），吸收标的位置反射的光束，并转换成目标电信号；

标定单元（4），接收激光发射器（1）发射的部分光束，并生成标的电信号；

DSP微处理器（5），与所述激光控制单元（2）、第一光电探测器（3）及标定单元（4）连接，实现电信号的运算处理，以通过标定电信号对目标电信号进行校准。

2.根据权利要求1所述的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其特征在于，所述激光控制单元（2）包括：

激光器驱动单元（20），与所述激光发射器（1）连接，以驱动激光发射器（1）动作；

信号发生器（21），连接于所述DSP微处理器（5）与所述激光器驱动单元（20）之间，发出测试信号；

调制电路（22），连接于所述信号发生器（21）与所述激光器驱动单元（20）之间。

3.根据权利要求1所述的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其特征在于，所述标定单元（4）包括：

第一样品池（41），用于存放检测标的气体的样品；

第二光电探测器（42），用于吸收穿过第一样品池（41）中检测标的气体后的光束，并转换成目标电信号；

第二解调电路（43），连接于所述第二光电探测器（42）与所述DSP微处理器（5）之间。

4.根据权利要求3所述的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其特征在于，所述第二光电探测器（42）与所述第二解调电路（43）之间连接有第二放大电路（44）。

5.根据权利要求3所述的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其特征在于，所述激光发射器（1）发出光束的光路上设有分束器（6），光束通过分束器（6）后部分射向标的位置，部分射向所述第一样品池（41）。

6.根据权利要求5所述的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其特征在于，射向标的位置的光束光路上设于第二样品池（9）。

7.根据权利要求5所述的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其特征在于，所述通过所述分束器（6）后的光束上均设有准直器（7）。

8.根据权利要求1至7中任一所述的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其特征在于，所述第一光电探测器（3）安装于光束接收筒（8）上，所述第一光电探测器（3）安装于光束接收筒（8）一端中心位置，所述光束接收筒（8）另一端安装有平凸透镜（81），所述平凸透镜（81）的球面背向所述第一光电探测器（3）设置，反射的光束通过平凸透镜（81）聚焦于所述第一光电探测器（3）上。

9.根据权利要求8所述的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其特征在于，所述平凸透镜（81）两面均设有增透膜。

10.根据权利要求1至7中任一所述的石油化工多维感知巡检机器人用激光光谱探测装置，其特征在于，所述第一光电探测器（3）与所述DSP微处理器（5）之间连接有第一放大电路（31）及第一解调电路（32），所述第一放大电路（31）与所述第一光电探测器（3）连接，所述第一解调电路（32）与所述第一放大电路（31）连接后连接至所述DSP微处理器（5）。

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