CN218271934U

CN218271934U - 一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置

Info

Publication number: CN218271934U
Application number: CN202221736227.9U
Authority: CN
Inventors: 李俊; 范斌斌; 李嘉伟; 马天; 王伟峰; 翟小伟
Original assignee: Xian University of Science and Technology
Current assignee: Xian University of Science and Technology
Priority date: 2022-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2023-01-10
Anticipated expiration: 2032-07-07

Abstract

本实用新型属于气体泄漏监测技术领域，公开了一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，包括可调谐激光器、扫描云台、云台控制模块、悬臂梁位移测量模块、锁相放大器和信号处理模块，可调谐激光器包括温度控制单元、电流控制单元和激光器扫描头，电流控制单元中设有信号发生器，信号发生器将电信号传输至激光器扫描头，驱动激光器扫描头发射激光；激光器扫描头与扫描云台连接，扫描云台与云台控制模块连接；可调谐激光器发射激光照射空气中的被检测气体云团，再照射至悬臂梁位移测量模块，悬臂梁位移测量模块通过锁相放大器与信号处理模块连接。本实用新型能够实现多气体的实时监测，提高测量灵敏度和响应速度。本实用新型适用于气体泄漏监测。

Description

一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置

技术领域

本实用新型属于气体泄漏监测技术领域，具体地说是一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置。

背景技术

随着天然气工程的普及，城市居民使用天然气作为日常的生活能源也越来越普遍化，随之带来许多天然气泄漏爆炸安全隐患；在矿井开采中，由于矿井的恶劣自然环境，也使得瓦斯爆炸事故频发；近年来，碳中和与碳达峰的概念在国际上被越来越多的国家奉为重要的发展理念。

在工业生产环境中，由于工艺等原因，硫化氢气体中还并存有二氧化碳。另外，在矿井的瓦斯抽采中，二氧化碳气体也同样存在于甲烷中，使得硫化氢、甲烷、二氧化碳并存的环境经常出现。

CN110749572A一种新型石墨烯光纤气体传感器测量系统及其测量硫化氢气体的方法，采用宽带光源、通过光纤连接的光纤传感器和光谱仪、计算机、报警装置，有望应用于0～55ppm环境下的硫化氢气体检测，但随着通入H₂S气体浓度的增大，输出光谱呈现明显的蓝移现象。还有CN108548787B一种双波长窄脉宽精确测量硫化氢气体浓度的方法，采用计算机通过分析计算第一检测激光的测量值N₁和第二检测激光的测量值N₂，能提高测试硫化氢气体的精度到0.1ppb，但系统的稳定性以及外界环境因素的干扰会对其检测本身造成较大影响，以至于较难保证高精确的稳定测量。另外有CN108802107B一种基于电阻测量硫化氢浓度的方法，利用测得的电阻值推算样品中硫化氢的浓度，但电化学传感检测本身易受到其他气体及水汽等因素的干扰，使得测量精度很难保证。

CN106018341A一种飞机油箱氧气浓度非接触式检测装置，通过集氧装置将氧气集中在检查仓体内，类似于气体吸收池的检测方式，该种方法无法实现空间大范围内的测量。类似的例如，CN106066309A、CN207662803U、CN105403529A、CN104165954A均为气体吸收池式的检测方式，具体为将被检测气体吸入一个密闭空间内进行检测，这种方式相较于遥测的方式，不足在于无法实现空间维度的全方位测量，且吸收池体积相对于悬臂梁安装体积大，安装位置的灵活性也较低。

此外，常用气体分析仪器无法满足硫化氢和多气体检测的高灵敏度、高精确性检测的需求，主要体现在：1）电学或电化学传感器存在着种类有限、精确度较差、使用寿命短等特点，同时它们的使用还需额外做防爆措施；2）以红外光谱法和荧光法为主的光谱检测法对环境要求高，选择性差，易受机械振动、相位误差等因素的影响；3）光纤传感器制备工艺复杂，敏感区域小，信号读取方法繁杂，同时研发成本较高、设备昂贵，不易于推广使用。这些方法均难以在工业生产现场实现对硫化氢气体、甲烷和二氧化碳多气体地精确、实时检测。

因此，研发一种性能稳定、灵敏度高、响应速度快的多气体传感监测装置，实现在工业生产环境中硫化氢、甲烷、和二氧化碳多气体的实时监测，具有重要意义。

发明内容

本实用新型的目的，是要提供一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，以实现多气体的实时监测，提高测量灵敏度和响应速度。

本实用新型为实现上述目的，所采用的技术方法如下：

一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，包括可调谐激光器、扫描云台、云台控制模块、悬臂梁位移测量模块、锁相放大器和信号处理模块，可调谐激光器包括温度控制单元、电流控制单元和激光器扫描头，电流控制单元中设有信号发生器，信号发生器将电信号传输至激光器扫描头，驱动激光器扫描头发射激光；激光器扫描头与扫描云台连接，扫描云台与云台控制模块连接，激光扫描头的扫描路径范围为0～360°，悬臂梁位移测量模块安装在激光扫描头扫描路径范围内的柱子、墙面或其他载体上；可调谐激光器发射激光照射空气中的被检测气体云团，再照射至悬臂梁位移测量模块，悬臂梁位移测量模块的输出端与锁相放大器的输入端连接，锁相放大器的输出端与信号处理模块的输入端连接。

作为限定：悬臂梁位移测量模块的数量不少于一个，每个悬臂梁位移测量模块均包括悬臂梁、第一光纤、第二光纤、第三光纤、光纤耦合器、DFB激光器和光电探测器，可调谐激光器发射激光照射空气中的被检测气体云团，再照射至悬臂梁表面；DFB激光器与光纤耦合器通过第一光纤连接，光纤耦合器还连接有第二光纤，第二光纤远离光纤耦合器的一端端面与悬臂梁的表面相互平行，形成法珀腔；光电探测器的输入端与光纤耦合器通过第三光纤连接，光电探测器的输出端与锁相放大器的输入端连接，锁相放大器的输出端与信号处理模块的输入端连接。

作为进一步限定：悬臂梁为采用聚合物或石英材料制成的结构。

作为更进一步限定：悬臂梁的上部和下部相对应的位置均镀有一层磁铁结构。

作为限定：可调谐激光器为中红外可调谐激光器，DFB激光器为近红外DFB激光器。

本实用新型由于采用了上述方案，与现有技术相比，所取得的有益效果是：

（1）本实用新型提供的一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，通过监测悬臂梁的振动位移信息来进行解调目标气体的浓度数据，抗环境干扰更强，具有较强的稳定性，测量灵敏度较高，适用于痕量气体的浓度监测，并且监测距离更远；通过在悬臂梁上部和下部镀磁铁层，利用磁铁间的相互作用，可以使得悬臂梁结构更加稳固，当改变镀层磁铁质量时，也可使悬臂梁具有不同的单稳、双稳、三稳甚至四稳特征；此外，悬臂梁占用体积更小，安装方便，易于组网，并且可在空间立体环境进行监测，适合石油化工等易燃易爆场所，并具有防爆，安全性能好的优点；

（2）本实用新型提供的一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，通过设置扫描云台和云台控制模块，控制激光扫描头在0～360°的范围内扫描，可以主动寻找泄漏源，设置多个悬臂梁位移测量模块，监测多种可燃气及有毒有害气体，比如硫化氢、甲烷、二氧化碳等，通过调谐激光器扫描头的波段以实现多气监测，提高了测量效率，提高了安全预警的速度；

（3）本实用新型提供的一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，采用中红外可调谐激光器，有效提高了输出功率，气体检测灵敏度可以达到pptv（万亿分之一的体积比）量级，扫描速度迅速，扫描调谐时间小于ms量级，能够实时监测目标气体浓度。

本实用新型适用于气体泄漏监测。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作更进一步详细说明。

图1为本实用新型实施例一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置示意图；

图中：1、可调谐激光器；2、悬臂梁位移测量模块。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本实用新型并不限于以下实施例，任何在本实用新型具体实施例基础上做出的改进和等效变化，都在本实用新型权利要求保护的范围之内。

实施例一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置

一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，包括可调谐激光器1、扫描云台、云台控制模块、悬臂梁位移测量模块2、锁相放大器和信号处理模块，悬臂梁位移测量模块2包括悬臂梁、第一光纤、第二光纤、第三光纤、光纤耦合器、DFB激光器和光电探测器；可调谐激光器1包括温度控制单元、电流控制单元和激光器扫描头，电流控制单元中设有信号发生器，信号发生器将电信号传输至激光器扫描头，驱动激光器扫描头发射激光；激光器扫描头与扫描云台连接，扫描云台与云台控制模块连接，激光扫描头的扫描路径范围为0～360°，悬臂梁位移测量模块2安装在激光扫描头扫描路径范围内的柱子、墙面或其他载体上；可调谐激光器1发射激光照射空气中的被检测气体云团，再照射至悬臂梁表面；DFB激光器与光纤耦合器通过第一光纤连接，光纤耦合器还连接有第二光纤，第二光纤远离光纤耦合器的一端端面与悬臂梁的表面相互平行，形成法珀腔；光电探测器的输入端与光纤耦合器通过第三光纤连接，光电探测器的输出端与锁相放大器的输入端连接，锁相放大器的输出端与信号处理模块的输入端连接。

本实施例中悬臂梁为采用聚合物或石英材料制成的结构，悬臂梁弹性系数为0.1～1N/m，悬臂梁的上部和下部相对应的位置均镀有一层磁铁结构，可调谐激光器1为中红外可调谐激光器，DFB激光器为近红外DFB激光器，第一光纤、第二光纤和第三光纤均采用单模光纤，悬臂梁位移测量模块2为三个。

本实施例一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置的工作原理，通过信号发生器进行波长调谐，控制其波长在4.216μm、4.348μm、2.632μm波段进行来回扫描，4.216μm、4.348μm、2.632μm波段分别对应H₂S、CO₂、CH₄气体的吸收峰，信号发生器将三角波和调制电信号发送至电流控制单元，以驱动激光器扫描头发射特定波长范围的激光；通过云台控制模块控制扫描云台，进而控制激光器扫描头在0～360°的范围内进行扫描，激光照射空气中的被检测气体云团，被检测气体对激光进行吸收后再照射至悬臂梁表面，悬臂梁被携带气体信息波段的激光照射后产生热量受力发生偏转，出现位移。从DFB激光器发出的激光依次通过第一光纤、光纤耦合器、第二光纤照射至悬臂梁的表面，第二光纤的端面和悬臂梁的表面形成法珀腔，第二光纤中的激光一部分由第二光纤的端面反射回第二光纤，另一部分由悬臂梁的表面反射回第二光纤，两束反射光同时在第二光纤内传输，形成干涉光，干涉光依次通过光纤耦合器、第三光纤进入光电探测器，光电探测器输出与干涉光强相对应的电信号并经过锁相放大器发送至信号处理模块，信号处理模块对电信号进行数据处理，根据内部预置的气体浓度与悬臂梁位移量的关系，进而输出被测气体浓度。

Claims

1.一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，其特征在于，包括可调谐激光器、扫描云台、云台控制模块、悬臂梁位移测量模块、锁相放大器和信号处理模块，可调谐激光器包括温度控制单元、电流控制单元和激光器扫描头，电流控制单元中设有信号发生器，信号发生器将电信号传输至激光器扫描头，驱动激光器扫描头发射激光；激光器扫描头与扫描云台连接，扫描云台与云台控制模块连接，激光扫描头的扫描路径范围为0～360°，悬臂梁位移测量模块安装在激光扫描头扫描路径范围内的柱子或墙面上；可调谐激光器发射激光照射空气中的被检测气体云团，再照射至悬臂梁位移测量模块，悬臂梁位移测量模块的输出端与锁相放大器的输入端连接，锁相放大器的输出端与信号处理模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，其特征在于，悬臂梁位移测量模块的数量不少于一个，每个悬臂梁位移测量模块均包括悬臂梁、第一光纤、第二光纤、第三光纤、光纤耦合器、DFB激光器和光电探测器，可调谐激光器发射激光照射空气中的被检测气体云团，再照射至悬臂梁表面；DFB激光器与光纤耦合器通过第一光纤连接，光纤耦合器还连接有第二光纤，第二光纤远离光纤耦合器的一端端面与悬臂梁的表面相互平行，形成法珀腔；光电探测器的输入端与光纤耦合器通过第三光纤连接，光电探测器的输出端与锁相放大器的输入端连接，锁相放大器的输出端与信号处理模块的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，其特征在于，悬臂梁为采用聚合物或石英材料制成的结构。

4.根据权利要求3所述的一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，其特征在于，悬臂梁的上部和下部相对应的位置均镀有一层磁铁结构。

5.根据权利要求1所述的一种非接触悬臂梁气体泄漏监测装置，其特征在于，可调谐激光器为中红外可调谐激光器，DFB激光器为近红外DFB激光器。