專利名稱：礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀的制作方法
礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀技術(shù)領(lǐng)域 一本發(fā)明屬于礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測技術(shù)，具體而言是應(yīng)用于礦井的瓦其i 遠(yuǎn) 程光纖激光檢測儀。
背景技術(shù)：
由于煤炭是我國最主要的一次能源，煤炭的安全生產(chǎn)直接影響著國計(jì)民 生的大事，甲垸爆炸歷來都是煤礦的重要災(zāi)害之一，所以近幾年來一直深受國家和社會(huì)關(guān)注。光纖氣體傳感器是80年代前后出現(xiàn)的一種新型傳感器， 光纖瓦斯氣體傳感器的研究與應(yīng)用國內(nèi)外都有出現(xiàn)，許多方法都得到了實(shí)驗(yàn) 應(yīng)用。目前，基于光纖光譜吸收技術(shù)的瓦斯檢測主要有寬帶光源窄帶濾波法、 諧波法、熒光法等。但是這些方法依然存在一些不足之處，制約了傳感器的 實(shí)際應(yīng)用。在光纖甲烷氣體檢測系統(tǒng)的研究這篇文獻(xiàn)中提出的系統(tǒng)框圖如圖1所示通過中心波長不同的R與F2兩個(gè)濾光片實(shí)現(xiàn)了光源功率的波動(dòng)消除。但是這種方法有個(gè)缺點(diǎn)就是Fi與F2的差異性，也會(huì)造成溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響 不能完全消除；濾光片帶寬往往比氣體吸收線寬很多倍，往往一個(gè)濾光片帶 寬內(nèi)覆蓋幾種氣體的吸收峰，因此易產(chǎn)生幾種氣體交叉干擾現(xiàn)象；另外這種 方案中，參考?xì)馐遗c測量氣室不可能有同步的污染和損耗變化，因此測量結(jié) 果不準(zhǔn)確。二次諧波法基本原理是將信號(hào)分離，有甲烷與無甲烷氣體通入時(shí)的信號(hào) 如圖2所示，從信號(hào)中分離出一次諧波分量可以看作是參考信號(hào)，二次諧波 分量為氣體吸收信號(hào)，二者相對(duì)變化值便代表了甲烷氣體濃度情況。這種方 案檢測精度高，往往配合鎖相放大器等技術(shù)使用能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的氣體檢 測，但是存在一個(gè)缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，電子電路的溫度特性等容易造成結(jié)果的 溫度漂移，激光光源中心波長的溫度特性也會(huì)導(dǎo)致不能完全解決溫度漂移問 題，因次無法做成實(shí)際可用的可靠儀器來使用。熒光光源法使用泵浦TnT3+摻雜光纖產(chǎn)生的光來作為檢測氣體的光源，由于其光源本身不穩(wěn)定，因此很難做成一個(gè)長期穩(wěn)定監(jiān)測的瓦斯監(jiān)測儀 器。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種消除溫度影響，長期穩(wěn)定并 且具有自參考功能的礦用瓦斯光纖遠(yuǎn)程檢測儀。本方案是通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)的它包括光源及與之連接的第一耦 合器和第二耦合器，第一耦合器通過第二光纖與第二耦合器串接，第一耦合器通過第四光纖與參考?xì)馐疫B接，從所述參考?xì)馐疑涑龅墓馔ㄟ^第五光纖與 第三光電探測器連接，第二耦合器一路經(jīng)第三光纖與瓦斯傳感器探頭連接， 另一路經(jīng)第六光纖與第一光電探測器連接，從瓦斯傳感器探頭返回的光經(jīng)第 三光纖和第二耦合器后經(jīng)第七光纖與第二光電探測器連接，第一光電探測 器、第二光電探測器和第三光電探測器與數(shù)據(jù)采集卡電連接，并將電信號(hào)送 至計(jì)算機(jī)。這種設(shè)計(jì)不僅使用參考消除了光路傳輸?shù)扔绊?，還通過連續(xù)掃描和自身 參考解決了己有檢測方法中存在的溫度漂移和零點(diǎn)漂移問題，提高了系統(tǒng)受 光路損耗和電路漂移影響的抗干擾能力。本方案的具體特點(diǎn)還有，所述光源為分布反饋式半導(dǎo)體激光器，所述光 源驅(qū)動(dòng)電路為鋸齒波光源驅(qū)動(dòng)電路。分布反饋式半導(dǎo)體激光器為中心波長L6um分布反饋式半導(dǎo)體激光器。選取瓦斯在1.6um波長附近的一條氣體吸 收峰，使用激光進(jìn)行掃描來檢測瓦斯氣體濃度。所述數(shù)據(jù)采集卡為USB接口多路數(shù)據(jù)采集卡。計(jì)算機(jī)通過所述數(shù)據(jù)采 集卡將信號(hào)采集至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口連接計(jì)算機(jī)。在所述第三光纖與至少一個(gè)瓦斯探頭之間設(shè)置有光開關(guān)，通過數(shù)據(jù)采集 卡輸出信號(hào)控制光開關(guān)選擇光通道來實(shí)現(xiàn)多路檢測。所述瓦斯傳感器探頭由單端反射式準(zhǔn)直器及防塵防潮以及金屬保護(hù)外 殼構(gòu)成。所述單端反射式準(zhǔn)直器包括在固定支架一端的光纖準(zhǔn)直器，及另一 端與之對(duì)應(yīng)設(shè)置反射鏡。本方案的有益效果可根據(jù)對(duì)上述方案的敘述得知1) 采用鋸齒波連續(xù)波長掃描以及自身參考方法解決了溫度對(duì)檢測結(jié)果 的影響，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。2) 使用參考?xì)馐襾韺ふ彝咚箽怏w吸收峰中心，從而能夠在低濃度下也 能夠?qū)ξ瘴恢脺?zhǔn)確定位。3) 單端反射式傳感器探頭，加長了有效吸收長度，便于布線和傳感器 小型化因此本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)目的。


圖1濾光片法光纖瓦斯氣體檢測系統(tǒng)框圖；圖2 二次諧波法通氣前后信號(hào)對(duì)比圖；圖3礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀系統(tǒng)框圖；圖4為單端反射式準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)圖；圖5為單端反射式準(zhǔn)直器側(cè)視圖；圖6為不同濃度瓦斯氣體吸收信號(hào)圖;圖中1、鋸齒波光源驅(qū)動(dòng)電路，2、分布反饋激光器，3、第一耦合器， 4、第二光纖，5、第二耦合器，6、第三光纖，7、光開關(guān)，8、礦用光纜，9、 瓦斯傳感器探頭，10、第四光纖，11、參考?xì)馐遥?2、第三光電探測器，13、 第七光纖，14、第二光電探測器，15、第六光纖，16、第一光電探測器，17、 數(shù)據(jù)采集卡，18、計(jì)算機(jī)，19、光纖準(zhǔn)直透鏡，20、固定底座，21、反射鏡。
具體實(shí)施方式
礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀原理圖如圖3，它包括分布反饋式半導(dǎo)體 激光器2、耦合器、光開關(guān)7、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡17、計(jì)算機(jī)18等。 分布反饋式半導(dǎo)體激光器2與第一耦合器3相連，第一耦合器3通過第二光 纖4與第二耦合器5連接，第一耦合器3通過第四光纖10與參考?xì)馐?1連 接，從參考?xì)馐?1射出的光通過第五光纖19與第三光電探測器12連接， 第二耦合器2 —路經(jīng)第三光纖6經(jīng)過光開關(guān)7與礦用光纜8、瓦斯傳感器探 頭9連接，另一路經(jīng)第六光纖15與第一光電探測器(16)連接，從瓦斯傳 感器探頭9返回的光經(jīng)光開關(guān)7、第三光纖6和第二耦合器5后經(jīng)第七光纖 13與第二光電探測器14連接，第一光電探測器16、第二光電探測器14和 第三光電探測器12輸出的電信號(hào)與數(shù)據(jù)采集卡17連接，并將信號(hào)送至計(jì)算 機(jī)18分析處理顯示，數(shù)據(jù)采集卡17輸出信號(hào)控制光開關(guān)7選擇光通道實(shí)現(xiàn) 多路檢測。從分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB)發(fā)出的光通過氣體滿足Lambert定律I二I^exp (—a (A)LC ) (1) 式中I。、 I為吸收前和吸收后光強(qiáng)度， a為被測氣體吸收系數(shù)， L為被測氣體吸收腔長度， C為被測氣體濃度， K為損耗系數(shù)，DFB分布反饋式激光器溫度恒定下所發(fā)出的光與其驅(qū)動(dòng)電流大小近似成 線性關(guān)系，因此在鋸齒波電路的驅(qū)動(dòng)下發(fā)出的光類似于可調(diào)激光器，掃描頻 率與驅(qū)動(dòng)電路鋸齒波頻率相同，本系統(tǒng)使用掃描頻率為14Hz。整個(gè)掃描周期掃過一條瓦斯氣體吸收線，在吸收峰波長入x吸收最強(qiáng)處) 的信號(hào)表示為I產(chǎn)Io糸exp (-a (、)LC ) (2)在瓦斯無氣體吸收波長A 2處信號(hào)表示為I2=I0*exp (-a ( A2)LC ) (3) 由于本系統(tǒng)中采用了功率的歸一化，從而使得I。 (、) 二 I。(入2) 由公式2、公式3可得[a (A)-a "2)]*LI0"2) I 1 n I "2)1[InI (A)i a，)i u2)-i (a) i (義，)因此得出氣體濃度公式<formula>formula see original document page 6</formula>由于["(A)-" "PPL是確定值，因此只需要知道1 (,)( )("即可得到氣 體濃度。從公式6可以看出，信號(hào)傳輸過程中的損耗等影^將被抵消，另外由于此系統(tǒng)中q)、 up處所對(duì)應(yīng)的瓦斯吸收信號(hào)和參考信號(hào)都是來自同一光源信號(hào)，完全來自同一光路路徑，因此同步性非常好，這也正是解決溫度 對(duì)檢測穩(wěn)定性影響的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)框圖如圖3所示，光源發(fā)出的光經(jīng)過第一耦合器3，分出一束光 透過參考?xì)馐?1被第三光電探測器12探測到，參考?xì)馐?1內(nèi)部充滿高濃 度瓦斯氣體，主要目的是在被測氣體濃度不高的情況下也能夠準(zhǔn)確地定位瓦 斯吸收峰中心位置；另外一束光進(jìn)入第二耦合器5，第二耦合器5分出的光，一束通過光開關(guān)7和一段較長光纜8進(jìn)入放置于煤礦井下的瓦斯傳感器探頭 9，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測；另外一束光被第一光電探測器16探測到，直接被用作參 比消除鋸齒波掃描帶來的功率變化。瓦斯傳感器探頭9使用單端反射式準(zhǔn)直 器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示，激光進(jìn)入瓦斯傳感器探頭9，被末端反射鏡21 反射原路返回，中間兩次被被測氣體充分吸收。返回的光攜帶氣體吸收信息 原路返回至第二耦合器5被第二光電探測器14探測到。計(jì)算機(jī)18通過A/D 數(shù)據(jù)采集卡17采集到三個(gè)輸出信號(hào)相除消除鋸齒波影響之后的信號(hào)如圖5 所示(分別對(duì)應(yīng)三種不同瓦斯?jié)舛?，在第三光電探測器12幫助定位吸收峰 位置之后，找出吸收峰與無吸收波長處的相對(duì)比例，便能夠得到瓦斯?jié)舛取?計(jì)算機(jī)還通過A/D數(shù)據(jù)采集卡17控制光開關(guān)7進(jìn)行各路信號(hào)的切換，從而 非常容易地實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)探測。本發(fā)明為礦用光纖激光瓦斯氣體遠(yuǎn)程檢測儀，其中光源選擇使用中心波 長為1.6um的分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB)、耦合器為通訊用1.5um普 通光纖耦合器、光纜為通訊常用波長礦用光纜、光電探測器(PD)、光開關(guān) (1X8)、數(shù)據(jù)采集卡(A/D)為采樣頻率10KHzUSB接口數(shù)據(jù)采集卡。實(shí) 驗(yàn)中，首先對(duì)探頭用幾種不同濃度標(biāo)準(zhǔn)瓦斯氣體進(jìn)行標(biāo)定并把標(biāo)定結(jié)果寫入 程序中，然后對(duì)其通入不同濃度的瓦斯氣體進(jìn)行測試，測試結(jié)果與理想值基 本吻合。本發(fā)明的高性能瓦斯傳感器，該光纖瓦斯傳感器在煤礦開采以及其 他瓦斯監(jiān)測領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。權(quán)利要求
1. 一種礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀，它包括光源及與之連接的第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器通過第二光纖與第二耦合器串接，第一耦合器通過第四光纖與參考?xì)馐疫B接，從所述參考?xì)馐疑涑龅墓馔ㄟ^第五光纖與第三光電探測器連接，第二耦合器一路經(jīng)第三光纖與瓦斯傳感器探頭連接，另一路經(jīng)第六光纖與第一光電探測器連接，從瓦斯傳感器探頭返回的光經(jīng)第三光纖和第二耦合器后經(jīng)第七光纖與第二光電探測器連接，第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器與數(shù)據(jù)采集卡電連接，并將電信號(hào)送至計(jì)算機(jī)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀，其特征是所 述光源包括分布反饋式半導(dǎo)體激光器和光源驅(qū)動(dòng)電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀，其特征是分 布反饋式半導(dǎo)體激光器為中心波長1.6um分布反饋式半導(dǎo)體激光器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀，其特征 是所述光源驅(qū)動(dòng)電路為鋸齒波光源驅(qū)動(dòng)電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀，其特征是計(jì) 算機(jī)通過所述數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)采集至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)采集卡通過 USB接口連接計(jì)算機(jī)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀，其特征是在 所述第三光纖與至少一個(gè)瓦斯傳感器探頭之間設(shè)置有光開關(guān)，計(jì)算機(jī)通過數(shù) 據(jù)采集卡對(duì)光開關(guān)進(jìn)行控制。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀，其特征是所 述瓦斯傳感器探頭由單端反射式準(zhǔn)直器和金屬保護(hù)外殼構(gòu)成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀，其特征是所 述單端反射式準(zhǔn)直器包括在固定支架左端設(shè)置光纖準(zhǔn)直器，右端與之對(duì)應(yīng)設(shè) 置反射鏡。
全文摘要
一種礦用瓦斯遠(yuǎn)程光纖激光檢測儀，它包括光源及與之連接的第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器通過第二光纖與第二耦合器串接，第一耦合器通過第四光纖與參考?xì)馐疫B接，從所述參考?xì)馐疑涑龅墓馔ㄟ^第五光纖與第三光電探測器連接，第二耦合器一路經(jīng)第三光纖與瓦斯傳感器探頭連接，另一路經(jīng)第六光纖與第一光電探測器連接，從瓦斯傳感器探頭返回的光經(jīng)第三光纖和第二耦合器后經(jīng)第七光纖與第二光電探測器連接，第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器與數(shù)據(jù)采集卡電連接，并將電信號(hào)送至計(jì)算機(jī)。本發(fā)明主要用于煤礦瓦斯檢測。
文檔編號(hào)G01N21/39GK101251482SQ20081001561
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
發(fā)明者倪家升, 劉統(tǒng)玉, 李艷芳, 黔 王, 趙燕杰 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院激光研究所