專利名稱：一種光纖分布式多點(diǎn)瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀及監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種氣體的激光光譜測(cè)量?jī)x器和方法，具體是一種基于激光波長(zhǎng) 調(diào)制技術(shù)和近紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的光纖分布式多點(diǎn)瓦斯?jié)舛?監(jiān)測(cè)儀及監(jiān)測(cè)方法。
技術(shù)背景煤炭行業(yè)是我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中傷亡事故最嚴(yán)重的行業(yè)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年全國(guó)煤 礦事故死亡總?cè)藬?shù)為3770人，其中煤礦瓦斯事故的起數(shù)、死亡人數(shù)比上年都有所 下降，截止11月底百萬噸死亡率為1.516,但仍遠(yuǎn)高于世界上其他主要產(chǎn)煤國(guó)。 從事故類型來看，特大事故的主要原因是瓦斯爆炸和瓦斯突出。瓦斯是附存于煤 層及周圍巖層中有害氣體的總稱，瓦斯的主要成分是甲垸，它是一種無色、無味、 易燃、易爆的氣體。瓦斯爆炸需同時(shí)滿足的三個(gè)條件為 一定濃度的瓦斯、高溫 火源的存在和充足的氧氣，瓦斯爆炸限在5~16%范圍之內(nèi)。我國(guó)目前國(guó)有重點(diǎn) 煤礦大多數(shù)屬于瓦斯礦井，其中高瓦斯礦井和突出礦井占全國(guó)礦井總數(shù)的44%, 采掘時(shí)極易發(fā)生瓦斯爆炸事故，嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故不僅造成了人民生命財(cái)產(chǎn)損 失，而且影響社會(huì)安定，損害國(guó)家形象，因此減少或避免礦井瓦斯爆炸事故是一 項(xiàng)迫切任務(wù)。提高我國(guó)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，對(duì)瓦斯氣體濃度進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警,對(duì)工礦安全生產(chǎn)、人身安全和環(huán)境保護(hù)都有著十分重要的作用。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)瓦斯的常規(guī)監(jiān)測(cè)主要還是采用礦井瓦斯催化傳感器，但催化元 件存在工作不穩(wěn)定、調(diào)校頻繁和使用壽命短的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著礦井瓦斯檢測(cè)的 可靠性。國(guó)內(nèi)部分礦井已建立瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基本上都是分支樹型的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)，在井上設(shè)置控制中心主站，井下設(shè)置多個(gè)測(cè)控分站，各個(gè)分站信息用專用電 纜傳輸信號(hào)，但是存在傳感器接入不靈活、實(shí)現(xiàn)跟進(jìn)不方便等缺點(diǎn)。因此，發(fā)展 新型免維護(hù)、高靈敏度、工作穩(wěn)定、使用安全的多點(diǎn)瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)煤 礦瓦斯的低誤報(bào)率預(yù)警是目前的主要研究方向?；诩す獠ㄩL(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氣體的高選擇性、高分辨、高靈敏、快速響應(yīng)、非接觸在線檢測(cè)，不存在中毒問題，使 用安全，儀器維護(hù)量低，利用一套光纖分布式瓦斯監(jiān)測(cè)儀可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)氣體的實(shí) 時(shí)監(jiān)測(cè)。因此，基于光波調(diào)制激光吸收光譜的多點(diǎn)氣體檢測(cè)技術(shù)在煤礦井下瓦斯 在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出了一種基于光波調(diào)制光譜法的光纖分布式多點(diǎn)瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀 及監(jiān)測(cè)方法，使用一個(gè)近紅外DFB半導(dǎo)體激光器，利用了甲烷近紅外光譜區(qū)的特 征吸收，經(jīng)過信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的波長(zhǎng)調(diào)制信號(hào)對(duì)激光進(jìn)行光波調(diào)制，激光通過 甲垸氣體定標(biāo)池后由光纖分路器分路，分別用單模光纖導(dǎo)入到設(shè)置于井下各個(gè)待 測(cè)點(diǎn)的微型光纖傳感器，經(jīng)過氣體吸收的激光再由光纖導(dǎo)出并由各路紅外光電探 測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，利用多路模擬信號(hào)選擇開關(guān)切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)甲烷氣體的 分時(shí)多路檢測(cè)，結(jié)合激光波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)和諧波檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高靈敏、高分辨、 快速的多點(diǎn)瓦斯?jié)舛葘?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。使用內(nèi)置甲烷氣體定標(biāo)池對(duì)波長(zhǎng)漂移進(jìn)行自適應(yīng) 調(diào)整，實(shí)現(xiàn)近紅外甲烷吸收線的鎖定，并實(shí)現(xiàn)微型光學(xué)傳感器檢測(cè)的濃度標(biāo)定。 采用背景光強(qiáng)信號(hào)擬合的方法消除了光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。微型光學(xué)傳感器外 部保護(hù)結(jié)構(gòu)透氣、防水、防塵、防震、維護(hù)量少，實(shí)現(xiàn)氣體的長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種光纖分布式多點(diǎn)瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特征在于包括有主機(jī)箱和安裝在 現(xiàn)場(chǎng)的多點(diǎn)并聯(lián)井下檢測(cè)光路，所述的主機(jī)箱內(nèi)安裝有中心波長(zhǎng)為1653nm的激 光器，信號(hào)發(fā)生電路，信號(hào)發(fā)生電路接入到所述激光器的溫度電流控制模塊，所 述的半導(dǎo)體激光器出射光接入氣體標(biāo)定池，氣體標(biāo)定池的出射光耦合進(jìn)lxN路 光纖分路器，lxN路光纖分路器的各路輸出激光通過輸入單模光纖傳輸?shù)礁鱾€(gè) 井下檢測(cè)光路，信號(hào)光穿過各井下檢測(cè)光路后由輸出單模光纖傳輸至安裝在主機(jī) 箱的各個(gè)紅外光電探測(cè)器接收，各紅外光電探測(cè)器的輸出信號(hào)一路直接輸出送數(shù) 據(jù)采集、處理和控制模塊；另一路送鎖相放大板進(jìn)行二次諧波信號(hào)檢測(cè)；所述的 井下檢測(cè)光路由連接輸入單模光纖與輸出單模光纖的微型光學(xué)傳感器組成，微型 光學(xué)傳感器安裝于保護(hù)盒內(nèi)。所述的光纖分布式多點(diǎn)瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特征在于所述的微型光學(xué)傳感器 是由帶尾纖的一對(duì)自聚焦透鏡精確對(duì)準(zhǔn)，并安裝于保護(hù)盒內(nèi)的V型槽支架兩端構(gòu)成，在微型光學(xué)傳感器外部保護(hù)盒的表面開口處固定了 PTFE隔膜，實(shí)現(xiàn)了透 氣、防水、防塵。一種光纖分布式多點(diǎn)瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于采用中心波長(zhǎng)為 1653nm的近紅外DFB半導(dǎo)體激光器作為CH4的檢測(cè)激光光源，利用激光器溫 度和電流控制模塊將激光器輸出中心波長(zhǎng)調(diào)諧到1653.7nm附近的CH4吸收線中 心，信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的50Hz鋸齒波信號(hào)疊加在激光器的驅(qū)動(dòng)電流上使激光波 長(zhǎng)緩慢掃描過CH4氣體的吸收線，信號(hào)發(fā)生電路同時(shí)產(chǎn)生5KHz正弦波信號(hào)疊加 在激光器的驅(qū)動(dòng)電流上對(duì)激光輸出波長(zhǎng)進(jìn)行高頻調(diào)制；激光由尾纖輸出通過連接 法蘭耦合入氣體標(biāo)定池，氣體標(biāo)定池中充滿一個(gè)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)濃度CH4氣體，用 于對(duì)檢測(cè)吸收信號(hào)的實(shí)時(shí)標(biāo)定，并對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)氣體波長(zhǎng)和實(shí)測(cè)激光器波長(zhǎng)，通過激 光器溫度和電流控制模塊對(duì)激光波長(zhǎng)漂移進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)CH4氣體近紅 外吸收線的鎖定；從氣體標(biāo)定池輸出的激光耦合進(jìn)lxN路光纖分路器，lxN路 光纖分路器的各路輸出激光分別通過輸入單模光纖傳輸?shù)礁鱾€(gè)井下檢測(cè)光路，各 個(gè)井下檢測(cè)光路放置有連接輸入單模光纖與輸出單模光纖的微型光學(xué)傳感器，井 下氣體透過PTFE隔膜進(jìn)入微型光學(xué)傳感器中，并由輸出單模光纖輸出經(jīng)過氣體 吸收的光信號(hào)；各個(gè)輸出光信號(hào)由對(duì)應(yīng)的紅外光電探測(cè)器接收，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后輸 出電信號(hào)， 一路送鎖相放大板進(jìn)行二次諧波信號(hào)檢測(cè)，鎖相放大板的參考信號(hào)來 自于所述的信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦調(diào)制信號(hào)，另一路直接送數(shù)據(jù)采集、處理和 控制模塊，首先進(jìn)行數(shù)字低通濾波，然后對(duì)其作線性擬合作為激光光強(qiáng)信號(hào)，鎖 相放大板輸出的二次諧波信號(hào)利用擬合光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理以消除光強(qiáng)波 動(dòng)對(duì)濃度檢測(cè)的影響。歸一化后的二次諧波信號(hào)經(jīng)多次累加平均得到一條檢測(cè)吸 收譜，利用預(yù)先保存的氣體標(biāo)定池的標(biāo)準(zhǔn)吸收信號(hào)對(duì)檢測(cè)的吸收譜進(jìn)行最小二乘 積擬合得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯氣體的光程積分濃度，或除以總光程得到光程平均氣體濃 度。本發(fā)明利用最新的近紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)、激光波長(zhǎng)調(diào)制技 術(shù)和分布式光纖傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下多點(diǎn)CH4濃度的實(shí)時(shí)遙測(cè)。利用可調(diào) 諧半導(dǎo)體激光吸收光譜的高分辨性消除了其它環(huán)境氣體成分的干擾，利用波長(zhǎng)調(diào) 制技術(shù)探測(cè)氣體諧波信號(hào)提高了檢測(cè)靈敏度，利用甲烷氣體定標(biāo)池抑制波長(zhǎng)漂移 實(shí)現(xiàn)吸收線鎖定，從根本上克服了傳統(tǒng)甲烷監(jiān)測(cè)儀器易受干擾、易中毒、穩(wěn)定性差、維護(hù)量大、成本高以及不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)。利用光纖分路器、多 路模擬信號(hào)選擇開關(guān)和多個(gè)微型光學(xué)傳感器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)激光器監(jiān)測(cè)多點(diǎn)CH4的 濃度，降低了成本。系統(tǒng)對(duì)CH4濃度的檢測(cè)限低于0.05。/。，滿足煤礦工業(yè)環(huán)境安 全監(jiān)測(cè)的需要，并且微型光學(xué)傳感器具有外部保護(hù)結(jié)構(gòu)，儀器在礦井下沒有任何 帶電設(shè)備，真正實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦井瓦斯?jié)舛鹊陌踩?、穩(wěn)定、高靈敏、遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線 監(jiān)測(cè)。


圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是微型光學(xué)傳感器保護(hù)盒外部結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是微型光學(xué)傳感器保護(hù)盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是光波調(diào)制波形生成硬件結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1、圖2、圖3、圖4。圖中標(biāo)號(hào)1、主機(jī)箱，2、主電源開關(guān)，3、 1653nm半導(dǎo)體激光溫度電流控 制模塊，4、信號(hào)發(fā)生電路，5、 1653nm近紅外DFB半導(dǎo)體激光器，6、氣體標(biāo)定 池，7、 lxN(Nl 64可選，由激光器功率和要求測(cè)量的點(diǎn)數(shù)確定)路光纖分路器， 8、輸出法蘭，9、紅外光電探測(cè)器，10、總電源插座，11、風(fēng)扇，12、直流穩(wěn)壓 電源，13、 N路模擬信號(hào)切換開關(guān)，14、 N路模擬信號(hào)切換開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路，15、 鎖相放大板，16、數(shù)據(jù)采集、處理和控制模塊，17、液晶顯示屏。上述所涉及的 部件均是安裝在機(jī)箱上。18、輸入單模光纖，19、井下檢測(cè)光路，20、微型光學(xué) 吸收池，21、外部保護(hù)盒，22、輸出單模光纖。以下涉及部件均為外部保護(hù)盒的 結(jié)構(gòu)23、保護(hù)盒可固定點(diǎn)，24、防塵擋板，25、帶尾纖自聚焦透鏡對(duì)，26、 PTFE 隔膜，27、疏水導(dǎo)槽，28、 V型槽支架，29、法蘭內(nèi)接頭，30、法蘭外接頭，31、 入射尾纖,32、出射尾纖。本發(fā)明釆用中心波長(zhǎng)為1653nm的近紅外DFB半導(dǎo)體激光器5作為CH4的 檢測(cè)激光光源，利用激光器溫度和電流控制模塊3將激光器輸出中心波長(zhǎng)調(diào)諧到 1653.7nm附近的CH4吸收線中心，信號(hào)發(fā)生電路4產(chǎn)生的50Hz鋸齒波信號(hào)40 疊加在激光器的驅(qū)動(dòng)電流上使激光波長(zhǎng)緩慢掃描過CH4氣體的吸收線，信號(hào)發(fā) 生電路4同時(shí)產(chǎn)生5KHz正弦波信號(hào)41疊加在激光器的驅(qū)動(dòng)電流上對(duì)激光輸出波長(zhǎng)進(jìn)行高頻調(diào)制。激光由尾纖輸出通過連接法蘭耦合入內(nèi)置氣體標(biāo)定池6，氣 體標(biāo)定池6中充滿一個(gè)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)濃度CH4氣體，用于對(duì)檢測(cè)吸收信號(hào)的實(shí)時(shí)標(biāo)定，并對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)氣體波長(zhǎng)和實(shí)測(cè)激光器波長(zhǎng)，通過激光器溫度和電流控制模塊3對(duì)激光波長(zhǎng)漂移進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)CH4氣體近紅外吸收線的鎖定。輸出激 光耦合進(jìn)lxN路光纖分路器7, lxN路光纖分路器7的N路輸出激光分別通過 輸入單模光纖18傳輸?shù)礁骶聶z測(cè)光路19，井下檢測(cè)光路19即在待測(cè)點(diǎn)放置 有連接輸入單模光纖與輸出單模光纖的微型光學(xué)傳感器20,井下氣體透過PTFE 隔膜26進(jìn)入微型光學(xué)傳感器20中，并由輸出單模光纖22將經(jīng)過氣體吸收的光 信號(hào)傳輸回主機(jī)系統(tǒng)。N路返回的光信號(hào)由安裝在主機(jī)箱的N個(gè)紅外光電探測(cè) 器9接收，通過N路模擬信號(hào)切換開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路14在數(shù)據(jù)采集、處理和控制模 塊16發(fā)出的選通信號(hào)作用下將各檢測(cè)光路經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)順序輸出。 探測(cè)器信號(hào)被分為兩路， 一路送鎖相放大板15進(jìn)行二次諧波信號(hào)檢測(cè)，鎖相放 大板15的參考信號(hào)來自于信號(hào)發(fā)生電路4產(chǎn)生的正弦調(diào)制信號(hào)；另一路直接送 數(shù)據(jù)采集、處理和控制模塊16，首先進(jìn)行數(shù)字低通濾波，然后對(duì)其作線性擬合 作為激光光強(qiáng)信號(hào)，鎖相放大板15輸出的二次諧波信號(hào)利用擬合光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行 歸一化處理以消除光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)濃度檢測(cè)的影響。歸一化后的二次諧波信號(hào)經(jīng)多次 累加平均得到一條檢測(cè)吸收譜，利用預(yù)先保存的氣體標(biāo)定池6的標(biāo)準(zhǔn)吸收信號(hào)對(duì) 檢測(cè)的吸收譜進(jìn)行最小二乘積擬合并扣除定標(biāo)氣體濃度得到氣體的光程積分濃 度，或除以總光程得到光程平均氣體濃度。濃度結(jié)果由液晶顯示屏17顯示，并 對(duì)超出報(bào)警限的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行聲光報(bào)警。圖4是光波調(diào)制波形生成硬件結(jié)構(gòu)圖。本電路的作用是在單片機(jī)的控制下由信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生可調(diào)諧二極管激光器的鋸齒掃描信號(hào)和正弦調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)激 光器光波調(diào)制。信號(hào)發(fā)生電路主要包括1、單片機(jī)控制電路部分；2、正弦波產(chǎn) 生電路部分主要由直接數(shù)字合成(DDS)正弦產(chǎn)生電路、后級(jí)放大電路和低通 濾波電路組成；3、鋸齒波產(chǎn)生電路部分主要由高速D/A轉(zhuǎn)換器、放大濾波電 路組成。各部分具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)系統(tǒng)采用單片機(jī)AT89C52做中央處理芯片，將根據(jù)參考頻率將所需的頻 率和相位控制字分別寫入DDS芯片AD9834的頻率選擇寄存器和相位偏 移寄存器，頻率控制字在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)和相位累加器累加一次，得到的相位值以二進(jìn)制碼的形式尋址正弦查詢表，將相位轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化正弦幅度 值，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A轉(zhuǎn)換器)得到頻率、相位可調(diào)的模擬正弦信號(hào)， 再通過后級(jí)放大和低通濾波電路得到頻率、相位、幅度可調(diào)的正弦波。(2) 單片機(jī)AT89C52和高速D/A轉(zhuǎn)換器AD7237之間由并口連接，通過單片 機(jī)的管腳寫入需要產(chǎn)生的鋸齒信號(hào)波形數(shù)據(jù)，經(jīng)過放大濾波電路去除 AD7237產(chǎn)生鋸齒信號(hào)的臺(tái)階，得到平滑的鋸齒波。(3) 調(diào)制正弦波經(jīng)過電壓跟隨器直接加到激光器調(diào)制引腳上進(jìn)行波長(zhǎng)調(diào)制，掃 描鋸齒波經(jīng)過電壓跟隨器加到激光器控制模塊上再控制激光器波長(zhǎng)掃描， 兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)激光器的光波調(diào)制功能。
權(quán)利要求
1、一種光纖分布式多點(diǎn)瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特征在于包括有主機(jī)箱和安裝在現(xiàn)場(chǎng)的多點(diǎn)并聯(lián)井下檢測(cè)光路，所述的主機(jī)箱內(nèi)安裝有中心波長(zhǎng)為1653nm的激光器，信號(hào)發(fā)生電路，信號(hào)發(fā)生電路接入到所述激光器的溫度電流控制模塊，所述的半導(dǎo)體激光器出射光接入氣體標(biāo)定池，氣體標(biāo)定池的出射光耦合進(jìn)1×N路光纖分路器，1×N路光纖分路器的各路輸出激光通過輸入單模光纖傳輸?shù)礁鱾€(gè)井下檢測(cè)光路，信號(hào)光穿過各井下檢測(cè)光路后由輸出單模光纖傳輸至安裝在主機(jī)箱的各個(gè)紅外光電探測(cè)器接收，各紅外光電探測(cè)器的輸出信號(hào)一路直接輸出送數(shù)據(jù)采集、處理和控制模塊；另一路送鎖相放大板進(jìn)行二次諧波信號(hào)檢測(cè)；所述的井下檢測(cè)光路由連接輸入單模光纖與輸出單模光纖的微型光學(xué)傳感器組成，微型光學(xué)傳感器安裝于保護(hù)盒內(nèi)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光纖分布式多點(diǎn)瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀，其特征在于所述的 微型光學(xué)傳感器是由帶尾纖的一對(duì)自聚焦透鏡精確對(duì)準(zhǔn)，并安裝于保護(hù)盒內(nèi) 的V型槽支架兩端構(gòu)成，在微型光學(xué)傳感器外部保護(hù)盒的表面開口處固定了 PTFE隔膜，實(shí)現(xiàn)了透氣、防水、防塵。
3、 一種光纖分布式多點(diǎn)瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，其特征在于采用中心波長(zhǎng)為 1653nm的近紅外DFB半導(dǎo)體激光器作為CH4的檢測(cè)激光光源，利用激光器 溫度和電流控制模塊將激光器輸出中心波長(zhǎng)調(diào)諧到1653.7nm附近的CH4吸 收線中心，信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的50Hz鋸齒波信號(hào)疊加在激光器的驅(qū)動(dòng)電流 上使激光波長(zhǎng)緩慢掃描過CH4氣體的吸收線，信號(hào)發(fā)生電路同時(shí)產(chǎn)生5KHz 正弦波信號(hào)疊加在激光器的驅(qū)動(dòng)電流上對(duì)激光輸出波長(zhǎng)進(jìn)行高頻調(diào)制；激光 由尾纖輸出通過連接法蘭耦合入氣體標(biāo)定池，氣體標(biāo)定池中充滿一個(gè)大氣壓 標(biāo)準(zhǔn)濃度CH4氣體，用于對(duì)檢測(cè)吸收信號(hào)的實(shí)時(shí)標(biāo)定，并對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)氣體波長(zhǎng) 和實(shí)測(cè)激光器波長(zhǎng)，通過激光器溫度和電流控制模塊對(duì)激光波長(zhǎng)漂移進(jìn)行自 適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)CH4氣體近紅外吸收線的鎖定；從氣體標(biāo)定池輸出的激光耦 合進(jìn)lxN路光纖分路器，lxN路光纖分路器的各路輸出激光分別通過輸入 單模光纖傳輸?shù)礁鱾€(gè)井下檢測(cè)光路，各個(gè)井下檢測(cè)光路放置有連接輸入單模 光纖與輸出單模光纖的微型光學(xué)傳感器，井下氣體透過PTFE隔膜進(jìn)入微型光學(xué)傳感器中，并由輸出單模光纖輸出經(jīng)過氣體吸收的光信號(hào)；各個(gè)輸出光信號(hào)由對(duì)應(yīng)的紅外光電探測(cè)器接收，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后輸出電信號(hào)， 一路送鎖相 放大板進(jìn)行二次諧波信號(hào)檢測(cè)，鎖相放大板的參考信號(hào)來自于所述的信號(hào)發(fā) 生電路產(chǎn)生的正弦調(diào)制信號(hào)，另一路直接送數(shù)據(jù)采集、處理和控制模塊，首 先進(jìn)行數(shù)字低通濾波，然后對(duì)其作線性擬合作為激光光強(qiáng)信號(hào)，鎖相放大板 輸出的二次諧波信號(hào)利用擬合光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理以消除光強(qiáng)波動(dòng)對(duì)濃度檢測(cè)的影響。歸一化后的二次諧波信號(hào)經(jīng)多次累加平均得到一條檢測(cè)吸收 譜，利用預(yù)先保存的氣體標(biāo)定池的標(biāo)準(zhǔn)吸收信號(hào)對(duì)檢測(cè)的吸收譜進(jìn)行最小二 乘積擬合得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯氣體的光程積分濃度，或除以總光程得到光程平均 氣體濃度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光波調(diào)制光譜法的光纖分布式多點(diǎn)瓦斯實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀及監(jiān)測(cè)方法，儀器主機(jī)箱內(nèi)有半導(dǎo)體DFB激光器，光纖分路器，氣體定標(biāo)池，激光器控制電路板、信號(hào)發(fā)生電路板、鎖相放大板、數(shù)據(jù)采集卡及控制模塊，多路模擬信號(hào)選擇開關(guān)及驅(qū)動(dòng)電路，主機(jī)箱與各井下檢測(cè)光路中的微型光學(xué)傳感器通過單模光纖連接。利用信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的低頻掃描信號(hào)和高頻調(diào)制信號(hào)實(shí)現(xiàn)氣體激光吸收光譜的波長(zhǎng)調(diào)制。利用內(nèi)置氣體定標(biāo)池對(duì)激光波長(zhǎng)漂移進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)甲烷吸收線的鎖定。利用多路模擬信號(hào)選擇開關(guān)的切換實(shí)現(xiàn)煤礦井下分布式多點(diǎn)瓦斯氣體濃度監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK101281127SQ200810100549
公開日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2008年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者瑩 何, 劉建國(guó), 劉文清, 慧 夏, 張玉鈞, 敏 王, 輝 耿, 闞瑞峰, 俊 阮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所