專利名稱：天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置及其探測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種管道泄漏探測(cè)裝置及測(cè)法，尤其是天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置及其探測(cè)方法。
背景技術(shù)：
目前，隨著我國西部天然氣向東輸送工程的實(shí)施，在橫貫東西縱穿南北的數(shù)萬公里長的輸氣干線上，由天然氣輸氣管網(wǎng)和其零部件法蘭、閥門、泵及其密封圈上的小孔引起的泄漏是不可避免的，這種泄漏源有著成千上萬，泄漏的氣體不僅直接造成了經(jīng)濟(jì)損失，而且也是易燃易爆和污染之源。為此，人們作了一些嘗試和努力，試圖能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，如在2004年9月1日公告的中國發(fā)明專利說明書CN 1164886C中披露的一種“基于分布式光纖傳感器的油氣管線泄漏智能在線監(jiān)測(cè)方法”。它意欲提供一種利用光纖作為傳感器，對(duì)油氣管線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法；實(shí)現(xiàn)方法的設(shè)備的構(gòu)成為在油氣管線附近與油氣管線并行鋪設(shè)一條或幾條光纜，在光纖的兩端分別設(shè)置有與計(jì)算機(jī)電連接的散射光檢測(cè)模塊和光脈沖發(fā)生器以及光功率檢測(cè)模塊，其中，散射光檢測(cè)模塊與光脈沖發(fā)生器置于光纖的輸入端，光功率檢測(cè)模塊置于光纖的輸出端。探測(cè)時(shí)，光纖上各點(diǎn)因瑞利散射或菲涅爾反射而產(chǎn)生背向散射光沿光纖返回到輸入端，由散射光檢測(cè)模塊完成光纖上各點(diǎn)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗的測(cè)量和定位，傳播到光纖另一端的光由光功率檢測(cè)模塊檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)光纖的損耗動(dòng)態(tài)變化的測(cè)量和故障類型的判定；當(dāng)管線發(fā)生泄漏或光纖附近有機(jī)械施工和人為破壞時(shí)，其產(chǎn)生的應(yīng)力和沖擊波會(huì)造成光纖的特性和損耗發(fā)生變化，光纖的瑞利散射和菲涅爾反射就會(huì)出現(xiàn)背向散射光和能量損耗的波動(dòng)，這些信息將分別由散射光檢測(cè)模塊和光功率檢測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到并送往計(jì)算機(jī)，由其經(jīng)分析和處理后作出判斷及定位出泄漏點(diǎn)。但是，這種設(shè)備和其監(jiān)測(cè)方法均存在著不足之處，首先，監(jiān)測(cè)的靈敏度低，光纖一經(jīng)埋設(shè)，即成固定式結(jié)構(gòu)，僅當(dāng)管道泄漏量足以引起光纖發(fā)生形變時(shí)才能使其產(chǎn)生傳感器的效能，而對(duì)于小孔或微孔的泄漏，則根本不能監(jiān)測(cè)到；其次，監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性差，光纖不能區(qū)分是管道泄漏還是周圍環(huán)境變化引起的光纖損耗的改變，如當(dāng)外界車輛的震動(dòng)或小的地震干擾或其它的振動(dòng)都有可能使其產(chǎn)生誤判；再次，該監(jiān)測(cè)技術(shù)采用的是光脈沖，為了保證測(cè)試的連續(xù)性，每次只能允許光纖中有一個(gè)光脈沖傳播，對(duì)該脈沖在沿途各點(diǎn)的連續(xù)散射和反射信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，為了保證每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的準(zhǔn)確性，還要對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)試并進(jìn)行平均，因此該技術(shù)只能監(jiān)測(cè)靜態(tài)損耗和變化緩慢的擾動(dòng)，不能實(shí)現(xiàn)管道泄漏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；最后，作為傳感器的光纖的設(shè)置就是一個(gè)耗資巨大的工程，不僅所需光纖的量大、價(jià)高，且鋪設(shè)困難，連日常的維護(hù)也難以進(jìn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種體積小、實(shí)用、響應(yīng)速度快、使用方便和維護(hù)成本低的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置及其探測(cè)方法。
天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置包括激光器的輸出端與光纖相接，激光器的輸入端和探測(cè)器的輸出端與控制處理器電連接，特別是1)、所說激光器輸出的光譜為紅外；2)、所說光纖的另一端與置于散射光收集透鏡中心處的光纖折射率透鏡相連接，所說探測(cè)器位于散射光收集透鏡的焦點(diǎn)處；3)、所說控制處理器為嵌入式模塊分別與控制信號(hào)接口、采集信號(hào)變換接口和數(shù)據(jù)傳輸接口電連接，其中，所說嵌入式模塊由微處理器和與其電連接的隨機(jī)存儲(chǔ)器、地址譯碼器組成，用于經(jīng)控制信號(hào)接口控制激光器的觸發(fā)時(shí)刻、對(duì)經(jīng)采集信號(hào)變換接口送來的數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算和處理、及經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸接口輸出探測(cè)的結(jié)果，所說控制信號(hào)接口由依次電連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、電流控制器和溫度控制器組成，用于將來自嵌入式模塊的數(shù)字量控制信號(hào)變換成控制激光器發(fā)光的模擬量信號(hào)，所說采集信號(hào)變換接口由依次電連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、兩路鎖相放大器、濾波器和前置放大器組成，用于將探測(cè)器輸出的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送往嵌入式模塊，所說數(shù)據(jù)傳輸接口由與嵌入式模塊電連接的顯示接口、報(bào)警端口和串行接口組成，用于將嵌入式模塊處理后的數(shù)字量信號(hào)送往顯示器、聲響報(bào)警和上位計(jì)算機(jī)，并接受上位機(jī)的指令。
作為天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的激光器為二極管激光器或量子級(jí)聯(lián)激光器或鈦寶石激光器；所述的嵌入式模塊的微處理器為TI公司TMS320系列的DSP芯片，隨機(jī)存儲(chǔ)器為擴(kuò)展的64k字節(jié)的存儲(chǔ)器，用于暫存測(cè)量數(shù)據(jù)；所述的微處理器分別經(jīng)其數(shù)據(jù)線、地址線和控制線與隨機(jī)存儲(chǔ)器、地址譯碼器電連接，隨機(jī)存儲(chǔ)器的輸入端還與地址譯碼器的輸出端電連接，用于實(shí)現(xiàn)嵌入式模塊的功能；所述的控制信號(hào)接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器為兩只外接的十位D/A轉(zhuǎn)換器，分別用于產(chǎn)生正弦波、鋸齒波信號(hào)；所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的兩只D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端經(jīng)加法器后與電流控制器的輸入端電連接、其中一只D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端分接兩路鎖相放大器中的每路，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端與微處理器的數(shù)據(jù)線和控制線以及地址譯碼器的輸出端電連接，微處理器的兩只I/O端口分別與電流控制器和溫度控制器的輸入端電連接，電流控制器和溫度控制器的輸出端與激光器的輸入端電連接，用于實(shí)現(xiàn)微處理器對(duì)激光器的掃描控制；所述的采集信號(hào)變換接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為外接的16位多通道A/D轉(zhuǎn)換器，用于提高數(shù)據(jù)處理的精度；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端依次經(jīng)兩路鎖相放大器、濾波器和前置放大器與探測(cè)器的輸出端、以及地址譯碼器的輸出端電連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端與微處理器的數(shù)據(jù)線、控制線電連接，以將探測(cè)器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成一次、二次諧波信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后送往嵌入式模塊進(jìn)行運(yùn)算和處理；所述的數(shù)據(jù)傳輸接口的顯示接口的輸入端與微處理器的數(shù)據(jù)線以及地址譯碼器的輸出端電連接，用于實(shí)時(shí)顯示微處理器的運(yùn)算和處理結(jié)果，由蜂鳴器和放大電路組成的報(bào)警端口與微處理器的I/O端口電連接，用于對(duì)探測(cè)到的天然氣進(jìn)行實(shí)時(shí)聲響報(bào)警，串行接口與微處理器的RX、TX端口電連接，以將微處理器的運(yùn)算和處理結(jié)果送往上位計(jì)算機(jī)及接受上位機(jī)的指令。
天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置的探測(cè)方法包括對(duì)激光器的發(fā)光控制、接收傳感器的模擬量信號(hào)和輸出數(shù)字量信號(hào)，特別是它是按以下步驟完成的設(shè)定中斷服務(wù)程序的時(shí)間片，并由中斷服務(wù)程序產(chǎn)生控制用的正弦波、鋸齒波，并獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集的同步信號(hào)，以由此控制激光器發(fā)光；根據(jù)數(shù)據(jù)采集的同步信號(hào)，確定采集的時(shí)刻，并由此分別采集一次、二次諧波信號(hào)；對(duì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值濾波、找二次諧波信號(hào)的吸收峰值及所對(duì)應(yīng)位置處的一次諧波數(shù)值，并計(jì)算二次與一次諧波信號(hào)的比值，然后將該比值換算成所對(duì)應(yīng)的積分濃度；將處理后的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)傳輸接口，即將其送顯示器顯示，同時(shí)將其與設(shè)定的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，若超過閾值便進(jìn)行聲響報(bào)警，如未超過閾值，則繼續(xù)探測(cè)并隨時(shí)接受上位計(jì)算機(jī)的指令。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是，其一，選用激光器輸出的光譜為紅外，且將與其相接的光纖的另一端與置于散射光收集透鏡中心處的光纖折射率透鏡相連接，并將探測(cè)器位于該散射光收集透鏡的焦點(diǎn)處，使工作在與天然氣分子紅外吸收譜線特征相同光譜區(qū)段的激光器輸出的激光，經(jīng)由光纖和光纖折射率透鏡準(zhǔn)直后射向待測(cè)區(qū)域，由待測(cè)區(qū)域后面的地形物體將其散射，散射光由散射光收集透鏡會(huì)聚在探測(cè)器上，當(dāng)待測(cè)區(qū)域有泄漏氣團(tuán)時(shí)，裝置就能檢測(cè)出天然氣泄漏信息，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣管道泄漏的遙感探測(cè)。無論是天然氣管道發(fā)生大的泄漏，還是管道上小孔或微孔的微量泄漏，均能立即判斷出管道存在泄漏及泄漏點(diǎn)的位置，并能大大降低非天然氣泄漏的各種誤報(bào)的發(fā)生；其二，控制處理器采用嵌入式模塊分別與控制信號(hào)接口、采集信號(hào)變換接口和數(shù)據(jù)傳輸接口電連接的構(gòu)成形式，充分地利用數(shù)字處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)快速分析和處理，既使裝置獨(dú)具智能性，能獨(dú)立地完成對(duì)天然氣泄漏的探測(cè)，又使其便于與上位計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和資源的共享，還有著體積小、重量輕、不需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)；其三，使用方便，不僅便于隨身攜帶進(jìn)行探測(cè)，還可以機(jī)動(dòng)車為平臺(tái)，大大地提高探測(cè)的效率；其四，探測(cè)方法科學(xué)可行、效率高，探測(cè)的結(jié)果遠(yuǎn)好于現(xiàn)有技術(shù)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
圖1是本發(fā)明的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中控制處理器的一種電路原理圖；圖3是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的主程序框圖；圖4是圖3中程序調(diào)用的中斷服務(wù)子程序框圖。
具體實(shí)施例方式
參見圖1、圖2，工作在紅外波段的二極管激光器1的輸出端與光纖9相接，光纖9的另一端與光纖折射率透鏡3相連接，光纖折射率透鏡3位于散射光收集透鏡4中心處的孔洞中，散射光收集透鏡4的焦點(diǎn)處設(shè)置有探測(cè)器6?？刂铺幚砥?0由嵌入式模塊8分別與控制信號(hào)接口2、采集信號(hào)變換接口7和數(shù)據(jù)傳輸接口5電連接構(gòu)成，其中嵌入式模塊8由微處理器81和與其電連接的隨機(jī)存儲(chǔ)器82、地址譯碼器83組成?；谛詢r(jià)比的考慮，微處理器81選用TI公司TMS320系列的DSP芯片。為滿足暫存測(cè)量數(shù)據(jù)的需求，隨機(jī)存儲(chǔ)器82為擴(kuò)展的64k字節(jié)的存儲(chǔ)器。微處理器81分別經(jīng)其數(shù)據(jù)線、地址線和控制線與隨機(jī)存儲(chǔ)器82、地址譯碼器83電連接，隨機(jī)存儲(chǔ)器82的輸入端還與地址譯碼器83的輸出端電連接，用于實(shí)現(xiàn)嵌入式模塊8的功能完成經(jīng)控制信號(hào)接口2控制激光器1的觸發(fā)時(shí)刻、對(duì)經(jīng)采集信號(hào)變換接口7送來的數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算和處理、及經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸接口5輸出探測(cè)的結(jié)果。
控制信號(hào)接口2由依次電連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器21、電流控制器22和溫度控制器23組成。選用兩只外接的十位D/A轉(zhuǎn)換器作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器21，分別用于產(chǎn)生正弦波、鋸齒波信號(hào)；兩路D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端經(jīng)加法器后與電流控制器22的輸入端電連接、其中一只D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端分接兩路鎖相放大器72中的每路，數(shù)模轉(zhuǎn)換器21的輸入端與微處理器81的數(shù)據(jù)線和控制線以及地址譯碼器83的輸出端電連接。微處理器81的兩只I/O端口分別與電流控制器22和溫度控制器23的輸入端電連接，電流控制器22和溫度控制器23的輸出端與激光器1電連接，用于將來自嵌入式模塊8的數(shù)字量控制信號(hào)變換成控制激光器1發(fā)光的模擬量信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)微處理器81對(duì)激光器1的掃描控制。
采集信號(hào)變換接口7由依次電連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器71、兩路鎖相放大器72、濾波器73和前置放大器74組成。為了提高數(shù)據(jù)處理的精度，模數(shù)轉(zhuǎn)換器71選用外接的16位多通道A/D轉(zhuǎn)換器。模數(shù)轉(zhuǎn)換器71的輸入端依次經(jīng)兩路鎖相放大器72、濾波器73和前置放大器74與探測(cè)器6的輸出端、以及地址譯碼器83的輸出端電連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器71的輸出端與微處理器81的數(shù)據(jù)線、控制線電連接，以將探測(cè)器6輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成一次、二次諧波信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后送往嵌入式模塊8進(jìn)行運(yùn)算和處理。
數(shù)據(jù)傳輸接口5由與嵌入式模塊8電連接的顯示接口51、報(bào)警端口52和串行接口53組成，其中，顯示接口51的輸入端與微處理器81的數(shù)據(jù)線以及地址譯碼器83的輸出端電連接、輸出端與LCD顯示器電連接，用于實(shí)時(shí)顯示微處理器81的運(yùn)算和處理結(jié)果；由蜂鳴器和放大電路組成的報(bào)警端口52與微處理器81的I/O端口電連接，用于對(duì)探測(cè)到的天然氣進(jìn)行實(shí)時(shí)聲響報(bào)警；串行接口53與微處理器81的RX、TX端口電連接，以將微處理器81的運(yùn)算和處理結(jié)果送往上位計(jì)算機(jī)及接受上位機(jī)的指令。
參見圖1、圖2、圖3和圖4，天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置及其探測(cè)方法的工作如下，其中，探測(cè)裝置的工作過程為二極管激光器1在控制處理器10的嵌入式模塊8和控制信號(hào)接口2的調(diào)控下，即TMS320 DSP芯片通過定時(shí)中斷產(chǎn)生正弦波、鋸齒波數(shù)據(jù)信號(hào)后，經(jīng)兩只外接的十位D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成正弦波、鋸齒波信號(hào)輸出；其中，正弦波信號(hào)分別送往采集信號(hào)變換接口7中的兩路鎖相放大器72，以作為解調(diào)參考頻率，同時(shí)正弦波與鋸齒波信號(hào)經(jīng)加法器疊加后送至電流控制器22進(jìn)行激光頻率掃描，以使二極管激光器1輸出的光束頻譜位于天然氣甲烷分子的吸收峰位置。該激光束經(jīng)光纖9、光纖折射率透鏡3后準(zhǔn)直發(fā)射向待測(cè)區(qū)域。當(dāng)此光束穿過管道11泄漏的氣團(tuán)12，并由其后面的地形物體13散射，散射光就會(huì)由散射光收集透鏡4收集會(huì)聚于InGaAs探測(cè)器6上。探測(cè)器6輸出的信號(hào)經(jīng)前置放大器74放大和濾波器73濾波后送到兩路鎖相放大器72進(jìn)行一次和二次諧波信號(hào)檢測(cè)，兩路鎖相放大器72解調(diào)后的信號(hào)送往16位多通道A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再交由嵌入式模塊8進(jìn)行分析和處理，從而立即就可得到探測(cè)點(diǎn)處的天然氣泄漏情況，其結(jié)果通過LCD顯示器顯示或聲響報(bào)警或送往上位計(jì)算機(jī)。
探測(cè)方法的工作流程為對(duì)天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置通電后，控制處理器10中的嵌入式模塊8給其自有的功能部件和內(nèi)存中駐有的各個(gè)子程序，以及控制信號(hào)接口2、采集信號(hào)變換接口7和數(shù)據(jù)傳輸接口5等預(yù)置初始值，即設(shè)定其初始工作狀態(tài)和設(shè)定定時(shí)中斷服務(wù)子程序的時(shí)間片(步驟100)。之后，嵌入式模塊8通過控制信號(hào)接口2初始化激光器1的工作參數(shù)，即經(jīng)工作電流控制器22、溫度控制器23設(shè)置二極管激光器1的中心工作電流和工作溫度。接著，在步驟300中，嵌入式模塊8等待由上位計(jì)算機(jī)送來的用戶命令，若用戶選擇修改參數(shù)，則在步驟400中進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定。若用戶不選擇修改參數(shù)，則跳轉(zhuǎn)至步驟500。在步驟500，嵌入式模塊8判斷一幀數(shù)據(jù)是否采集完？若未完，則再取轉(zhuǎn)回步驟300；中斷服務(wù)子程序的運(yùn)行是由嵌入式模塊8中自有的功能部件定時(shí)器來定時(shí)激活的，其運(yùn)行過程為首先保護(hù)中斷現(xiàn)場(chǎng)(步驟2100)；接著，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器采集一次、二次諧波信號(hào)(步驟2200)；之后，在步驟2300和2400中，分別更新正弦波掃描數(shù)據(jù)送D/A轉(zhuǎn)換器和更新鋸齒波掃描數(shù)據(jù)送D/A轉(zhuǎn)換器；然后，將該次采集的A/D轉(zhuǎn)換值存入存儲(chǔ)器(步驟2500)；最后，分別于步驟2600和2700中，先恢復(fù)中斷現(xiàn)場(chǎng)，再返回主程序。在主程序中判斷若已采集完，則在步驟600計(jì)算吸收峰的位置，即找二次諧波信號(hào)的吸收峰值及所對(duì)應(yīng)位置處的一次諧波數(shù)值。接著，在步驟700中，計(jì)算二次與一次諧波信號(hào)的比值。然后，將該比值換算成所對(duì)應(yīng)的積分濃度(步驟800)。之后，在步驟900，將處理的結(jié)果送LCD顯示器顯示。最后，在步驟1000，對(duì)結(jié)果是否超過報(bào)警閾值進(jìn)行判斷？如超過，則于步驟1100，進(jìn)行聲響報(bào)警；如未超過，則轉(zhuǎn)回步驟300，繼續(xù)進(jìn)行不間斷的探測(cè)。在此期間，嵌入式模塊8可隨時(shí)接受上位計(jì)算機(jī)的指令。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置及其探測(cè)方法進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置，包括激光器(1)的輸出端與光纖(9)相接，激光器(1)的輸入端和探測(cè)器(6)的輸出端與控制處理器(10)電連接，其特征在于1.1、所說激光器(1)輸出的光譜為紅外；1.2、所說光纖(9)的另一端與置于散射光收集透鏡(4)中心處的光纖折射率透鏡(3)相連接，所說探測(cè)器(6)位于散射光收集透鏡(4)的焦點(diǎn)處；1.3、所說控制處理器(10)為嵌入式模塊(8)分別與控制信號(hào)接口(2)、采集信號(hào)變換接口(7)和數(shù)據(jù)傳輸接口(5)電連接，其中，1.3.1、所說嵌入式模塊(8)由微處理器(81)和與其電連接的隨機(jī)存儲(chǔ)器(82)、地址譯碼器(83)組成，用于經(jīng)控制信號(hào)接口(2)控制激光器(1)的觸發(fā)時(shí)刻、對(duì)經(jīng)采集信號(hào)變換接口(7)送來的數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算和處理、及經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸接口(5)輸出探測(cè)的結(jié)果，1.3.2、所說控制信號(hào)接口(2)由依次電連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(21)、電流控制器(22)和溫度控制器(23)組成，用于將來自嵌入式模塊(8)的數(shù)字量控制信號(hào)變換成控制激光器(1)發(fā)光的模擬量信號(hào)，1.3.3、所說采集信號(hào)變換接口(7)由依次電連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(71)、兩路鎖相放大器(72)、濾波器(73)和前置放大器(74)組成，用于將探測(cè)器(6)輸出的模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送往嵌入式模塊(8)，1.3.4、所說數(shù)據(jù)傳輸接口(5)由與嵌入式模塊(8)電連接的顯示接口(51)、報(bào)警端口(52)和串行接口(53)組成，用于將嵌入式模塊(8)處理后的數(shù)字量信號(hào)送往顯示器、聲響報(bào)警和上位計(jì)算機(jī)，并接受上位機(jī)的指令。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置，其特征是激光器(1)為二極管激光器或量子級(jí)聯(lián)激光器或鈦寶石激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置，其特征是嵌入式模塊(8)的微處理器(81)為TI公司TMS320系列的DSP芯片，隨機(jī)存儲(chǔ)器(82)為擴(kuò)展的64k字節(jié)的存儲(chǔ)器，用于暫存測(cè)量數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置，其特征是微處理器(81)分別經(jīng)其數(shù)據(jù)線、地址線和控制線與隨機(jī)存儲(chǔ)器(82)、地址譯碼器(83)電連接，隨機(jī)存儲(chǔ)器(82)的輸入端還與地址譯碼器(83)的輸出端電連接，用于實(shí)現(xiàn)嵌入式模塊(8)的功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置，其特征是控制信號(hào)接口(2)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(21)為兩只外接的十位D/A轉(zhuǎn)換器，分別用于產(chǎn)生正弦波、鋸齒波信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置，其特征是數(shù)模轉(zhuǎn)換器(21)中的兩只D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端經(jīng)加法器后與電流控制器(22)的輸入端電連接、其中一只D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端分接兩路鎖相放大器(72)中的每路，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(21)的輸入端與微處理器(81)的數(shù)據(jù)線和控制線以及地址譯碼器(83)的輸出端電連接，微處理器(81)的兩只I/O端口分別與電流控制器(22)和溫度控制器(23)的輸入端電連接，電流控制器(22)和溫度控制器(23)的輸出端與激光器(1)的輸入端電連接，用于實(shí)現(xiàn)微處理器(81)對(duì)激光器(1)的掃描控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置，其特征是采集信號(hào)變換接口(7)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(71)為外接的16位多通道A/D轉(zhuǎn)換器，用于提高數(shù)據(jù)處理的精度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置，其特征是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(71)的輸入端依次經(jīng)兩路鎖相放大器(72)、濾波器(73)和前置放大器(74)與探測(cè)器(6)的輸出端、以及地址譯碼器(83)的輸出端電連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(71)的輸出端與微處理器(81)的數(shù)據(jù)線、控制線電連接，以將探測(cè)器(6)輸出的模擬量轉(zhuǎn)換成一次、二次諧波信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)后送往嵌入式模塊(8)進(jìn)行運(yùn)算和處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置，其特征是數(shù)據(jù)傳輸接口(5)的顯示接口(51)的輸入端與微處理器(81)的數(shù)據(jù)線以及地址譯碼器(83)的輸出端電連接，用于實(shí)時(shí)顯示微處理器(81)的運(yùn)算和處理結(jié)果，由蜂鳴器和放大電路組成的報(bào)警端口(52)與微處理器(81)的I/O端口電連接，用于對(duì)探測(cè)到的天然氣進(jìn)行實(shí)時(shí)聲響報(bào)警，串行接口(53)與微處理器(81)的RX、TX端口電連接，以將微處理器(81)的運(yùn)算和處理結(jié)果送往上位計(jì)算機(jī)及接受上位機(jī)的指令。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置的探測(cè)方法，包括對(duì)激光器的發(fā)光控制、接收傳感器的模擬量信號(hào)和輸出數(shù)字量信號(hào)，其特征在于設(shè)定中斷服務(wù)程序的時(shí)間片，并由中斷服務(wù)程序產(chǎn)生控制用的正弦波、鋸齒波，并獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集的同步信號(hào)，以由此控制激光器發(fā)光；根據(jù)數(shù)據(jù)采集的同步信號(hào)，確定采集的時(shí)刻，并由此分別采集一次、二次諧波信號(hào)；對(duì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值濾波、找二次諧波信號(hào)的吸收峰值及所對(duì)應(yīng)位置處的一次諧波數(shù)值，并計(jì)算二次與一次諧波信號(hào)的比值，然后將該比值換算成所對(duì)應(yīng)的積分濃度；將處理后的數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)傳輸接口，即將其送顯示器顯示，同時(shí)將其與設(shè)定的報(bào)警閾值進(jìn)行比較，若超過閾值便進(jìn)行聲響報(bào)警，如未超過閾值，則繼續(xù)探測(cè)并隨時(shí)接受上位計(jì)算機(jī)的指令。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)裝置及其探測(cè)方法。裝置包括連接光纖(9)的激光器(1)和探測(cè)器(6)與控制處理器(10)電連接，特別是激光器(1)輸出光譜為紅外，光纖(9)另一端與置于散射光收集透鏡(4)中心處的光纖折射率透鏡(3)連接，探測(cè)器(6)位于透鏡(4)焦點(diǎn)處；控制處理器(10)為嵌入式模塊(8)與控制信號(hào)接口(2)、采集信號(hào)變換接口(7)和數(shù)據(jù)傳輸接口(5)電連接；方法為設(shè)定中斷服務(wù)程序的時(shí)間片，以產(chǎn)生控制用正弦波、鋸齒波，來獲得數(shù)據(jù)采集的同步信號(hào)，采集一次、二次諧波信號(hào)，對(duì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和將其送數(shù)據(jù)傳輸接口及接受上位機(jī)指令。它能便捷地對(duì)天然氣泄漏高效地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01M3/00GK1904574SQ20051004131
公開日2007年1月31日 申請(qǐng)日期2005年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月30日
發(fā)明者高曉明, 鮑健, 黃騰, 王霞, 樊宏, 黃偉, 李曉蕓, 張為俊 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所