專利名稱：煤礦采空區(qū)火災(zāi)光纖氣體檢測(cè)儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于煤礦采空區(qū)火災(zāi)檢測(cè)技術(shù)，具體而言是應(yīng)用于煤礦礦井的火災(zāi)氣體光纖檢測(cè)儀。

背景技術(shù)：
近幾年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速迅猛發(fā)展，越來越多的環(huán)境以及安全生產(chǎn)問題也不斷出現(xiàn)。近幾年來我國(guó)煤礦礦山頻頻出現(xiàn)傷及人身安全的大型安全事故，瓦斯爆炸不斷，煤礦火災(zāi)頻頻出現(xiàn)。要維護(hù)正常的生產(chǎn)生活，就必須對(duì)這些問題進(jìn)行有效的解決。氣體檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的一大手段。在煤礦，采空區(qū)自然發(fā)火的火災(zāi)預(yù)測(cè)也是基于一氧化碳、乙炔、乙烯、氫氣以及硫化物等微量氣體實(shí)現(xiàn)的，可見開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)痕量氣體檢測(cè)的傳感器對(duì)煤礦安全生產(chǎn)是十分有必要的?，F(xiàn)有煤礦普遍使用的基于特征氣體分析的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)儀表與裝置，主要有束管集中檢測(cè)系統(tǒng)和氣相色譜儀。束管集中檢測(cè)系統(tǒng)與傳感器。此系統(tǒng)也稱為束管系統(tǒng)，是目前我國(guó)煤礦使用得比較多的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于氣體分析的原理，已在許多礦井中應(yīng)用，而且近年亦有較大的改進(jìn)與提高。不足之處是，束管系統(tǒng)使用的是分離式傳感器，要增加維護(hù)量和經(jīng)費(fèi)；并且束管容易被堵塞或者破裂，影響檢測(cè)效果；同時(shí)它需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間通過束管從采空區(qū)抽取氣體，檢測(cè)反應(yīng)慢，不易在采空區(qū)長(zhǎng)期在線檢測(cè)。煤礦氣相色譜儀。適于分析常微量礦井大氣組分、火災(zāi)氣體組分和瓦斯突出氣體組分等，高檢測(cè)性能，檢測(cè)效果好。但是系統(tǒng)復(fù)雜，靈活性差，只能用作現(xiàn)場(chǎng)樣氣進(jìn)行采樣后才能分析氣體濃度，也是無法在采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。
目前國(guó)內(nèi)最先進(jìn)的氣體檢測(cè)技術(shù)是基于TDLAS的火災(zāi)氣體檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)方案使用懷特池結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光在氣體吸收池內(nèi)的多次反射，提高檢測(cè)的靈敏度，被廣泛應(yīng)用于大氣檢測(cè)等領(lǐng)域。但是該方案中的氣體吸收池部分入射端使用光纖準(zhǔn)直器入射一束平行光，光束多次反射后，從另一口輸出，輸出的光沒有耦合到光纖中，而是使用感光面較大的光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行信號(hào)處理，因此探頭與信號(hào)分析處理部分往往距離較近，無法遠(yuǎn)程檢測(cè)，從而無法在距離地面幾公里甚至幾十公里遠(yuǎn)的采空區(qū)使用。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于煤礦采空區(qū)自然發(fā)火火災(zāi)氣體檢測(cè)的遠(yuǎn)程不帶電全光纖氣體傳感器火災(zāi)檢測(cè)儀以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種煤礦采空區(qū)火災(zāi)光纖氣體檢測(cè)儀，它包括光源，探頭，光電探測(cè)器和信號(hào)處理，所述光源發(fā)出的光經(jīng)探頭送入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入信號(hào)處理單元處理，其特征是在所述光源和探頭之間的光路上設(shè)置光環(huán)行器，所述光源與光環(huán)行器第一端口連接，探頭與光環(huán)行器的第二端口連接，所述光環(huán)行器第三端口與光電轉(zhuǎn)換器連接，所述探頭結(jié)構(gòu)為多次反射式懷特池結(jié)構(gòu)，在懷特池的出射端設(shè)置末端光纖準(zhǔn)直器和光纖反射鏡，所述光源為分布反饋式半導(dǎo)體激光器。
所述光源由直流信號(hào)發(fā)生器，鋸齒波發(fā)生器和正弦信號(hào)發(fā)生器共同驅(qū)動(dòng)。所述光環(huán)形器采用通訊用1.5um中心波長(zhǎng)三端口光環(huán)形器。使用三端口光環(huán)形器可以有效地解決同一根光纖即作為探頭的輸入通路又做為探頭的返回光造成的巨大損耗。
探頭采用了多次反射式懷特池結(jié)構(gòu)，懷特池內(nèi)三塊鏡片曲率半徑相同；懷特池輸入端采用一個(gè)光纖準(zhǔn)直器作為入射端光纖準(zhǔn)直器；入射端光纖準(zhǔn)直器的工作距離等于懷特池鏡片曲率半徑，光纖內(nèi)的光直接輸出至空氣中將是發(fā)散的光，入射端光纖準(zhǔn)直器可以將光纖內(nèi)的光變?yōu)橐皇叫械墓馐l(fā)射出來；懷特池輸出端也采用與輸入端完全一樣的光纖準(zhǔn)直器來接收懷特池輸出的光，并耦合到光纖內(nèi)，使之適合于光纖內(nèi)傳輸；懷特池末端準(zhǔn)直器接收到的光被光纖反射鏡反射，使光按原路返回，根據(jù)光的可逆原理，反射光經(jīng)過懷特池、入射端準(zhǔn)直器和光纜可以原路返回到光環(huán)形器，通過光環(huán)形器的第二端口入，并由第三端口輸出。
激光在懷特池內(nèi)充分吸收后，通過光纜和光環(huán)形器返回進(jìn)入光電探測(cè)器。
所述光電探測(cè)器采用銦鉀砷光電探測(cè)器，可以有效地工作在近紅外波段進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
所述信號(hào)處理單元包括接收光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)的鎖相放大器，所述鎖相放大器輸出電信號(hào)經(jīng)數(shù)字采集卡送入計(jì)算機(jī)處理，所述鎖相放大器與正弦信號(hào)發(fā)生器通過倍頻電路連接。電信號(hào)進(jìn)入鎖相放大器，鎖相放大器的參考信號(hào)頻率等于光源正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的兩倍，是光源驅(qū)動(dòng)正弦信號(hào)發(fā)生器經(jīng)過倍頻后的信號(hào)；鎖相放大器在電子行業(yè)里普遍使用，功能是將信號(hào)中符合參考信號(hào)頻率的信號(hào)提取，其他成分濾除，因此鎖相放大器輸出的信號(hào)是二次諧波分量信號(hào)，直接體現(xiàn)了氣體的吸收強(qiáng)弱，計(jì)算機(jī)通過A/D數(shù)據(jù)采集卡采集這個(gè)信號(hào)進(jìn)行反演，計(jì)算出氣體濃度值，實(shí)現(xiàn)了氣體檢測(cè)。
本方案的重要理論依據(jù)是氣體分子的選擇吸收理論氣體分子只能吸收那些能量正好等于它的某兩個(gè)能級(jí)的能量之差的光子。因此，不同分子結(jié)構(gòu)的氣體會(huì)因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)不同所決定的不同能級(jí)而吸收不同頻率的光子，這就是氣體分子的選擇吸收。吸收這個(gè)光子后，分子躍遷到激發(fā)態(tài)，在激發(fā)態(tài)停留非常短的時(shí)間后，又通過直接發(fā)射，釋放出這個(gè)光子，回到穩(wěn)定的基狀。由于分子的不斷運(yùn)動(dòng)，釋放光子的出射方向已經(jīng)不是原入射方向了，而是4π球面立體角中任意發(fā)射。從另一個(gè)角度來說，這就相當(dāng)于入射方向上的光子被散射掉了(瑞利散射)。由于氣體分子結(jié)構(gòu)具有互異性，不同氣體的吸收光譜因其分子結(jié)構(gòu)的不同而互不相同，因此，當(dāng)檢測(cè)到某種特定波長(zhǎng)(或者頻率)的光被吸收了，就標(biāo)志這種特定的氣體存在。在吸收一發(fā)射過程中，分子的運(yùn)動(dòng)形式?jīng)Q定了它對(duì)不同頻率光子的不同能量轉(zhuǎn)移效率，這種效率的直觀表達(dá)，就是吸收系數(shù)的相對(duì)頻率的分布，也就是吸收線形。一些常見氣體在石英光纖的低損耗窗口內(nèi)的吸收峰見表1所示。
表1 常見氣體在近紅外波段的的吸收線 當(dāng)光通過某種氣體時(shí)，即使不發(fā)生反射、折射和衍射現(xiàn)象，其傳播情況也會(huì)發(fā)生變化。這是因?yàn)楣忸l電磁波與組成介質(zhì)的原子、分子將發(fā)生作用，使光波特性發(fā)生變化，主要包括吸收和散射。本方案主要是利用氣體介質(zhì)對(duì)光吸收而使光的強(qiáng)度產(chǎn)生衰減這一特性制成吸收式光纖氣體傳感器。
吸收式傳感器的理論模型如圖1所示，光源發(fā)出的光經(jīng)過氣室被氣體吸收，由Beer-Lambert定律可得出關(guān)系式 I＝I0exp(-αλcL)(1) 式中I-經(jīng)過氣體的吸收后的出射光強(qiáng)度； λ-入射激光波長(zhǎng)；； α-單位吸收長(zhǎng)度、單位濃度的氣體吸收系數(shù)； c-氣體濃度； L-通過氣室的路徑長(zhǎng)度(cm)。
由式(2-1)可推出 上式可以看出，在已知輸入光強(qiáng)和吸收系數(shù)并檢測(cè)出輸出光強(qiáng)時(shí)便可以計(jì)算出氣體的濃度值。
光源(1)發(fā)出一束波長(zhǎng)為λ的光，傳輸?shù)窖b載被測(cè)氣體的氣室(2)，入射光經(jīng)氣體吸收衰減后被光探測(cè)器(3)接受并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，把該微弱信號(hào)放大后進(jìn)行處理(4)，根據(jù)以上理論可以計(jì)算反演出氣體的濃度。
在煤礦采空區(qū)自然發(fā)火的氣體檢測(cè)中，往往在火災(zāi)未成形之前首先釋放出微量的一氧化碳等氣體，這些氣體對(duì)于火災(zāi)檢測(cè)十分有用，但是由于火災(zāi)尚未成行，只是在火災(zāi)幼發(fā)期，因此像一氧化碳這樣的關(guān)鍵氣體在空氣中的含量也緊緊是ppm的量級(jí)，目前使用普通掃描方法檢測(cè)氣體濃度的傳感器靈敏度達(dá)不到檢測(cè)要求，因此需要引進(jìn)諧波檢測(cè)來提高信號(hào)解調(diào)的信噪比。
諧波檢測(cè)(Harmonic Deteciton)最早是作為一種檢測(cè)微弱信號(hào)的方法被提出的，在電子光譜、核磁共振、Zeeman及Stark光譜以及聲光光譜的研究中得到廣泛的應(yīng)用。它的基本原理是通過高頻調(diào)制某個(gè)依賴于頻率的信號(hào)，使其掃描待測(cè)對(duì)象；然后在信號(hào)的檢測(cè)處理中，以調(diào)制頻率或調(diào)制頻率的倍頻作為參考信號(hào)，利用鎖相放大器記錄下要得到的特征信息即各次諧波系數(shù)。傅里葉變換理論是諧波檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，它要求被變換的函數(shù)滿足一定的條件，因此諧波檢測(cè)要求待測(cè)對(duì)象的特征滿足一定的數(shù)學(xué)模型條件，否則將在理論上帶來誤差。
在研究氣體的吸收系數(shù)時(shí)，利用諧波檢測(cè)方法得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算相當(dāng)吻合，由此說明氣體吸收的數(shù)學(xué)模型可以用來分析氣體的吸收現(xiàn)象。相反，當(dāng)已知某一氣體的吸收系數(shù)時(shí)，就可以應(yīng)用這一技術(shù)分析該氣體的濃度，這正是確定諧波檢測(cè)技術(shù)作為系統(tǒng)最終方案的理論依據(jù)。
諧波檢測(cè)的理論分析諧波檢測(cè)的基本思想是激光器經(jīng)過調(diào)制使輸出光的頻率成正弦變化，經(jīng)過待測(cè)氣體吸收后頻率調(diào)制轉(zhuǎn)化成強(qiáng)度調(diào)制，檢測(cè)輸出光強(qiáng)并分析其諧波分量與氣體濃度成一定關(guān)系。
激光器采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB)具有電流一頻率調(diào)制性質(zhì)。當(dāng)調(diào)制系數(shù)較小時(shí)，輸出光波長(zhǎng)隨注入電流強(qiáng)度成線性變化。調(diào)制光源的輸入電流可以表示為 i(t)＝i0(1+dsinωt) (3) 其中，直流量i0保證激光器的中心波長(zhǎng)接近λ0；d為調(diào)制系數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)正弦變化的波長(zhǎng)，調(diào)制波形如圖2.激光器的輸出波長(zhǎng)可表示為 λt＝λ0s(1+nsinωt) (4) 式中，λ0s為激光器注入電流i0時(shí)輸出中心波長(zhǎng)。
同時(shí)，光強(qiáng)也被正弦調(diào)制為 It＝I0(1+msinωt)(5) 公式中，m為強(qiáng)度調(diào)制系數(shù)； n為波長(zhǎng)調(diào)制系數(shù)； ω為調(diào)制頻率。
經(jīng)過調(diào)制后的Beer-Lamber定律可以表示為 在實(shí)際的檢測(cè)中，系統(tǒng)工作在常溫常壓的環(huán)境下，要檢測(cè)的氣體濃度較低，分子之間的碰撞影響小。因此，氣體的吸收線形主要由多普勒效應(yīng)決定，吸收系數(shù)可以表示為 將式(4)帶入式(7)可得 式中Δλ0＝λ0s-λ0，為光源中心波長(zhǎng)與氣體吸收中心波長(zhǎng)差； p＝ln2/Δλ2； Δλ-吸收譜的半寬度； 將式(8)帶入式(6)得 It＝I0(1+msinωt)-I0(1+msinωt)·c·L·α0·exp[-(Δλ0+nλ0ssinωt)2·p] (9) 激光器輸出光波長(zhǎng)λ0s與氣體吸收峰λ0非常接近即Δλ0≈0，調(diào)制幅度n也很小，因此

將式(9)進(jìn)行多項(xiàng)式展開得 輸出波長(zhǎng)在吸收峰時(shí)，即Δλ0＝0，上式變成 從式(10)和(11)可以看出，經(jīng)過氣體吸收后的光強(qiáng)中除了直流分量外，還包括基波、二次諧波和三次諧波，盡管它們都含有濃度信息，但很容易看出當(dāng)采取一定措施使Δλ0＝0時(shí)，二次諧波分量最大，并且也比較穩(wěn)定，易于檢測(cè)，因此檢測(cè)二次諧波是一種很好的方案；但是由于激光器輸出中心波長(zhǎng)λ0s還要受到環(huán)境溫度的影響，因此很難保證Δλ0＝0，疊加一個(gè)低頻的鋸齒波調(diào)制，使得λ0s圍繞吸收峰波長(zhǎng)λ0處掃描，將會(huì)在每一個(gè)鋸齒波周期內(nèi)都會(huì)得到一個(gè)二次分量的最大值，即對(duì)應(yīng)于λ0s＝λ0，從而解決了激光器輸出中心波長(zhǎng)漂移的問題。
由以上分析可以發(fā)現(xiàn)，首先是解決以上提及的束管系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間慢、束管易堵塞破裂問題，該方案中氣體傳感器探頭直接放置于采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)，無需采集樣氣至分析處理單元，因此不存在束管堵塞、破裂等問題；其次是氣相色譜儀的不靈活方便以及不易于長(zhǎng)期在線觀測(cè)問題，本方案中探頭直接安置于采空區(qū)當(dāng)?shù)?，無需采集樣氣，解決了采集樣氣造成的不靈活等問題，通過光纜進(jìn)行光的信號(hào)傳輸，不涉及供電問題，因此本質(zhì)安全，在采空區(qū)可以長(zhǎng)期在線檢測(cè)；最后是對(duì)TDLAS系統(tǒng)方案中的懷特池結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)，末端使用光纖準(zhǔn)直器接收輸出光，并且使用光纖反射鏡將光原路返回，因此信號(hào)處理部分與氣體吸收池部分僅僅使用同一根光纖作為連接，可以擺脫空間距離的束縛，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢測(cè)。這種設(shè)計(jì)不僅能夠在采空區(qū)不帶電情況下工作，并且能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，校正周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，提高了煤礦采空區(qū)內(nèi)火災(zāi)檢測(cè)的準(zhǔn)確性和安全性。本發(fā)明的有益效果十分明顯，首先，改進(jìn)了氣體吸收池的關(guān)鍵問題，使用了與入射端匹配的光纖準(zhǔn)直器接收光，并且使用光纖反射鏡使光按照原路返回，倍增了吸收光程，又使之能夠全部使用光纖連接，探頭與信號(hào)處理單元分離，從而能夠在煤礦中使用全光纖將探頭與解調(diào)儀遠(yuǎn)程連接，實(shí)現(xiàn)了光纖遠(yuǎn)程檢測(cè)；其次，通過利用氣體對(duì)激光的吸收原理以及激光掃描方式解決了傳統(tǒng)電子氣體檢測(cè)中存在的漂移和校正問題；第三，光纖傳輸光速度非?？?，檢測(cè)靈敏迅速，解決了束管系統(tǒng)和氣相色譜儀的檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間慢和長(zhǎng)期在線檢測(cè)的難度等問題。第四，使用光纖環(huán)行器作為返回光分離的器件，相比光纖耦合器而言，光纖環(huán)行器由于器件本身原因造成的光損耗不超過1dB，而使用光纖耦合器，器件本身損耗至少為6dB，從而大大減少的不必要的光損耗，提高了信噪比。



圖1、吸收型光纖氣體傳感器基本結(jié)構(gòu)圖； 圖2、掃描二次諧波原理圖； 圖3、二次諧波法氣體檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖4、激光器驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)； 圖5、氣體吸收后的原始信號(hào)； 圖6、鎖相放大器輸出二次諧波分量信號(hào)； 圖7、氣體吸收池結(jié)構(gòu)圖； 圖8、三端口光纖環(huán)形器； 圖9、不同濃度一氧化碳?xì)怏w檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖； 圖中1-入射端光纖準(zhǔn)直器，2-凹面反射鏡1，3-凹面反射鏡2，4-凹面反射鏡3，5-末端光纖準(zhǔn)直器，6-光纖反射鏡。

具體實(shí)施例方式 如圖3所示，選擇帶有溫控的分布反饋式半導(dǎo)體激光器作為光源；驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)與時(shí)間關(guān)系如圖4所示，為上述三種信號(hào)的疊加效果，由于激光器發(fā)出激光中心波長(zhǎng)與驅(qū)動(dòng)電流大小也近似為線性關(guān)系，因此此驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出的光波長(zhǎng)變化也是以上三種信號(hào)波形疊加效果。鋸齒波信號(hào)為100Hz，正弦信號(hào)為10KHz。光源的中心波長(zhǎng)要求根據(jù)表1中氣體對(duì)應(yīng)吸收峰位置選擇合適的中心波長(zhǎng)，不同種氣體需要不同中心波長(zhǎng)的激光器；例如檢測(cè)一氧化碳，我們選擇1.567um作為光源的中心波長(zhǎng)，其他氣體類似。
光源發(fā)出的光經(jīng)過光環(huán)形器、傳輸光纜連接到安裝于采空區(qū)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的探頭。光環(huán)形器采用通訊用1.5um中心波長(zhǎng)普通型號(hào)三端口光環(huán)形器，該類型三端口光環(huán)形器結(jié)構(gòu)如圖8所示，第一端口輸入的光大部分直接進(jìn)入第二端口輸出，損耗約0.2dB左右很小的損耗；第二端口入射的光由第三端口輸出，損耗大約為0.2dB左右，光路只能按照以上傳輸方式才能低損耗地連通，因此光路只能是由第一端口至第二端口，探頭返回的光再經(jīng)過第二端口從第三端口輸出。使用光環(huán)行器使得整個(gè)光傳輸過程損耗都非常小，一般都不超過1dB的損耗，如果用傳統(tǒng)的光纖耦合器，每次經(jīng)過器件都要有3dB損耗，因此總共損耗至少為6dB，二者相比較效果非常明顯，因此使用三端口光環(huán)形器可以有效地解決同一根光纖即作為探頭的輸入通路又做為探頭的返回光造成的巨大損耗。
探頭置于煤礦采空區(qū)內(nèi)，采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)空氣可以自由出入探頭；探頭采用了多次反射式懷特池結(jié)構(gòu)，并且經(jīng)過一定的改造，如圖7所示，懷特池內(nèi)三塊鏡片(2、3、4)曲率半徑相同；懷特池輸入端采用一個(gè)光纖準(zhǔn)直器作為入射端光纖準(zhǔn)直器1；入射端光纖準(zhǔn)直器1的工作距離等于懷特池鏡片曲率半徑，光纖內(nèi)的光直接輸出至空氣中將是發(fā)散的光，入射端光纖準(zhǔn)直器1可以將光纖內(nèi)的光變?yōu)橐皇叫械墓馐l(fā)射出來；懷特池末端也采用與輸入端完全一樣的光纖準(zhǔn)直器5作為末端光纖準(zhǔn)直器5來接收懷特池輸出的光，該末端光纖準(zhǔn)直器5接收懷特池輸出的光，并耦合到光纖內(nèi)，使之適合與光纖內(nèi)傳輸；懷特池末端光纖準(zhǔn)直器5接收到的光被光纖反射鏡6反射，使光按原路返回，根據(jù)光的可逆原理，反射光經(jīng)過懷特池、入射端光纖準(zhǔn)直器1和光纜可以原路返回到光環(huán)形器，通過光環(huán)形器的第二端口射入，并由第三端口輸出。光環(huán)行器第三端口輸出的光進(jìn)入光電探測(cè)器。光電探測(cè)器采用銦鉀砷光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，如圖5所示為被一定濃度氣體吸收后的信號(hào)圖；光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成的電信號(hào)送至鎖相放大器； 鎖相放大器功能是將信號(hào)中符合參考信號(hào)頻率的信號(hào)提取，其他成分濾除，因此鎖相放大器輸出的信號(hào)是與參考信號(hào)相同頻率的諧波分量信號(hào)。光源驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的正弦信號(hào)發(fā)生器信號(hào)一路進(jìn)入倍頻電路，倍頻電路將原正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)倍頻后送至鎖相放大器作為參考信號(hào)；鎖相放大器輸出信號(hào)為光電探測(cè)器探測(cè)到信號(hào)中的20K信號(hào)成分，典型信號(hào)波形如圖6所示；當(dāng)氣體吸收池內(nèi)含有不同濃度的被測(cè)氣體時(shí)，鎖相放大器就會(huì)輸出圖6中展示那樣不同高度的波形信號(hào)；計(jì)算機(jī)通過A/D數(shù)據(jù)采集卡采集這個(gè)信號(hào)進(jìn)行反演。
該系統(tǒng)搭建好后，首先要進(jìn)行標(biāo)定，即將不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體通入氣體吸收池，計(jì)算機(jī)信號(hào)分析出吸收信號(hào)的強(qiáng)弱(圖6所示波形的峰峰值)，然后作為參考原始數(shù)據(jù)記錄至計(jì)算機(jī)內(nèi)；檢測(cè)儀正常工作后，計(jì)算機(jī)分析出的吸收信號(hào)強(qiáng)弱再與標(biāo)定數(shù)據(jù)對(duì)比即可反演出此時(shí)氣體吸收池內(nèi)某種氣體的濃度值。如圖9所示為分別通入不同中濃度的一氧化碳?xì)怏w后檢測(cè)儀顯示的檢測(cè)結(jié)果，可以明顯看到能夠?qū)崿F(xiàn)氣體的濃度檢測(cè)，并且噪聲小，檢測(cè)靈敏度非常高。
權(quán)利要求
1、一種煤礦采空區(qū)火災(zāi)光纖氣體檢測(cè)儀，它包括光源，探頭，光電探測(cè)器和信號(hào)處理單元，所述光源發(fā)出的光經(jīng)探頭送入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入信號(hào)處理單元處理，其特征是在所述光源和探頭之間的光路上設(shè)置光環(huán)行器，所述光源與光環(huán)行器第一端口連接，探頭與光環(huán)行器的第二端口連接，所述光環(huán)行器第三端口與光電轉(zhuǎn)換器連接，所述探頭結(jié)構(gòu)為多次反射式懷特池結(jié)構(gòu)，在懷特池的出射端設(shè)置末端光纖準(zhǔn)直器和光纖反射鏡。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦采空區(qū)火災(zāi)光纖氣體檢測(cè)儀，其特征是所述光源為分布反饋式半導(dǎo)體激光器。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的煤礦采空區(qū)火災(zāi)光纖氣體檢測(cè)儀，其特征是所述光源由直流信號(hào)發(fā)生器，鋸齒波發(fā)生器和正弦信號(hào)發(fā)生器共同驅(qū)動(dòng)。
4、根據(jù)權(quán)利要求3所述的煤礦采空區(qū)火災(zāi)光纖氣體檢測(cè)儀，其特征是所述信號(hào)處理單元包括接收光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)的鎖相放大器，所述鎖相放大器輸出電信號(hào)經(jīng)數(shù)字采集卡送入計(jì)算機(jī)處理，所述鎖相放大器與正弦信號(hào)發(fā)生器通過倍頻電路連接。
5、根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的煤礦采空區(qū)火災(zāi)光纖氣體檢測(cè)儀，其特征是所述光環(huán)形器為三端口光環(huán)形器。
6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的煤礦采空區(qū)火災(zāi)光纖氣體檢測(cè)儀，其特征是所述光環(huán)形器為通訊用中心波長(zhǎng)1.5um的三端口光環(huán)形器。
7、根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的煤礦采空區(qū)火災(zāi)光纖氣體檢測(cè)儀，其特征是所述光電探測(cè)器采用銦鉀砷光電探測(cè)器。
全文摘要
一種煤礦采空區(qū)火災(zāi)光纖氣體檢測(cè)儀，它包括光源，探頭，光電探測(cè)器和信號(hào)處理單元，所述光源發(fā)出的光經(jīng)探頭送入光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入信號(hào)處理單元處理，其特征是在所述光源和探頭之間的光路上設(shè)置光環(huán)行器，所述光源與光環(huán)行器第一端口連接，探頭與光環(huán)行器的第二端口連接，所述光環(huán)行器第三端口與光電轉(zhuǎn)換器連接，所述探頭結(jié)構(gòu)為多次反射式懷特池結(jié)構(gòu)，在懷特池的出射端設(shè)置末端光纖準(zhǔn)直器和光纖反射鏡。
文檔編號(hào)G01J3/12GK101545856SQ20091001491
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者倪家升, 劉統(tǒng)玉, 昌 王, 宋志強(qiáng), 趙燕杰, 黔 王 申請(qǐng)人:山東省科學(xué)院激光研究所