專利名稱：一種分光型紅外吸收式瓦斯檢測裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及礦井瓦斯檢測領域，特別涉及一種分光型紅外吸收式瓦斯檢測裝置及 方法。
背景技術：
瓦斯事故是煤礦安全生產(chǎn)的主要威脅之一，一直是困擾采礦業(yè)的重大難題，并給 國家和企業(yè)帶來很大的損失。煤礦瓦斯的主要成分為甲烷和一氧化碳，二者均為易燃易爆 氣體，如甲烷在大氣中濃度達到為5. 3% 15%時，具有爆炸性。因此，對礦井環(huán)境氣體需 要進行早期的檢測，及時地檢測瓦斯?jié)舛龋瑢ΦV井安全生產(chǎn)以及人身安全都有著十分重要 的作用。目前，煤礦礦井中兩種危險氣體甲烷和一氧化碳的檢測方法有電化學方法、光學 方法、半導體法、氣相色譜法以及紅外吸收法等多種。國內(nèi)外普遍使用的甲烷和一氧化碳氣 體的紅外吸收傳感器均是非色散紅外吸收式氣體傳感器。這種傳感器是利用發(fā)光二極管或 白熾燈作為光源，利用其發(fā)出的光經(jīng)過采樣氣室被吸收后，利用濾波片濾出甲烷或者一氧 化碳的本征吸收波長，再利用光電探測器進行光電轉(zhuǎn)化，并通過信號處理電路進行氣體濃 度的檢測；或者是利用半導體激光器直接發(fā)出甲烷或者一氧化碳的本征吸收波長紅外光， 通過采樣氣室后被光電探測器和信號處理電路處理，檢測得到氣體濃度。但是，非色散紅外吸收式氣體傳感器主要存在以下問題(1)采用發(fā)光二極管或 白熾燈作為光源，雖然價格低廉，但是其系統(tǒng)中的濾波片濾波后的紅外光線波段較寬，影響 檢測精度，而窄帶寬濾波片制作困難，價格昂貴。(2)采用半導體激光器，雖然檢測精度較 高，但是激光器造價貴，檢測成本較高。因此，開發(fā)一種靈敏度高、價格低廉、可靠安全的瓦 斯檢測系統(tǒng)具有很重大的社會意義以及經(jīng)濟前景。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的缺點，提供一種分光型紅外吸收式瓦斯檢 測裝置及方法，該裝置結合該方法不僅可以高選擇性、快速、穩(wěn)定地對瓦斯氣體進行檢測， 提高相應精度，而且還能實現(xiàn)甲烷、一氧化碳同時檢測，并降低成本。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來解決的這種分光型紅外吸收式瓦斯檢測裝置，包括氣室和準平行光組件，所述氣室內(nèi)設 有兩塊平面反射閃耀光柵，氣室的上端設有兩個熱釋電探測器，所述準平行光組件的光出 射端伸入所述氣室內(nèi)，準平行光組件的光入射端設有MEMS紅外光源，所述兩個熱釋電探測 器分別連接有信號處理電路；所述氣室由上端通入待檢測氣體、由下端出氣；所述MEMS紅 外光源的發(fā)射光經(jīng)過準平行光組件處理后進入氣室內(nèi)，由設置為不同角度的兩塊平面反射 閃耀光柵分別反射至所述兩個熱釋電探測器上，所述兩個熱釋電探測器將測試信號光電轉(zhuǎn) 化，最后傳輸至信號處理電路，由信號處理電路判斷甲烷、一氧化碳濃度是否超出限度，并 做出報警。
上述準平行組件的內(nèi)部為圓孔狀，并進行了金屬陽極氧化，防止雜散光在腔內(nèi)反 射，該準平行組件的入射端與MEMS紅外光源的出射端連接，準平行組件的出射端為限制出 射光角度的細小圓孔。上述兩塊平面反射閃耀光柵的表面均為鋸齒形狀。基于以上裝置，本發(fā)明還提出一種瓦斯檢測方法，包括以下步驟1)首先，使待檢測氣體由上端不斷通入氣室內(nèi)；2)使MEMS紅外光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過準平行組件，所述準平行組件出射的準平 行光入射至兩塊平面反射閃耀光柵，使兩塊平面反射閃耀光柵分別分光出以甲烷和一氧化 碳本征吸收波長為中心的窄帶寬紅外光，此紅外光通過與充滿待監(jiān)測氣體的氣室后，再利 用兩個熱釋電探測器分別探測兩束窄帶寬紅外光，3)使兩個熱釋電探測器將測試信號分別進行光電轉(zhuǎn)化后傳輸至信號處理電路，由 信號處理電路利用紅外吸收原理實現(xiàn)待監(jiān)測氣體濃度的檢測。進一步，上述MEMS紅外光源采用中心波長在4 μ m，并滿足3. 433μπι、4. 65μπι處有
較高輻射量。本發(fā)明具有以下有益效果(1)本發(fā)明的檢測方法的基本原理采用閃耀光柵分光獲得甲烷和一氧化碳本征吸 收波長3. 433 μ m、4. 65 μ m窄帶紅外光進行測試，從而具有更高靈敏度，并降低了其它氣體 對測量結果的干擾；(2)本發(fā)明的裝置所需的閃耀光柵，在MEMS批量加工下單件閃耀光柵的成本可以 很低，從而降低檢測與預警系統(tǒng)成本；(3)本發(fā)明采用準平行光組件出射準平行光入射光柵，保證分光效果的情況下，也 降低了系統(tǒng)光學組件安置的難度。(4)本發(fā)明的裝置利用閃耀光柵不同閃耀角對應不同的中心波長，從而可應用于 其它氣體的檢測，不但只是瓦斯氣體，應用更加廣泛。


圖1為本發(fā)明的示意圖；其中，1為MEMS紅外光源，2為準平行光組件，3和4為平面反射閃耀光柵，5和6 為熱釋電探測器，7為信號處理電路，8為氣室；圖2為平面反射閃耀光柵分光原理圖；圖3為閃耀光柵分光得到本征波長與熱釋電探測器的位置示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明給出的這種分光型紅外吸收式瓦斯檢測裝置及方法，其創(chuàng)新設計思想主要 體現(xiàn)在利用準平行光組件和閃耀光柵進行分光，設計原理為閃耀光柵分光原理。參看圖1，本發(fā)明的檢測裝置結構是該裝置包括氣室8和準平行光組件2，在氣室 8內(nèi)設有兩塊平面反射閃耀光柵3、4，兩塊平面反射閃耀光柵3、4的表面均為鋸齒形狀。氣 室8的上端設有兩個熱釋電探測器5、6。準平行組件2的內(nèi)部為圓孔狀，并進行了金屬陽極 氧化，防止雜散光在腔內(nèi)反射，該準平行組件2的入射端與MEMS (微機電系統(tǒng))紅外光源1
4的出射端連接，準平行組件2的出射端為限制出射光角度的細小圓孔。準平行光組件2的 光出射端伸入氣室8內(nèi)，準平行光組件2的光入射端設有MEMS紅外光源1，兩個熱釋電探 測器5、6分別連接有信號處理電路7 ；氣室8的上端設有氣體進口、下端設有氣體出口，因 此，氣室8是由上端通入待檢測氣體、由下端出氣；所述MEMS紅外光源1的發(fā)射光經(jīng)過準平 行光組件2出射一定發(fā)散角度的準平行光進入氣室8內(nèi)，準平行光組件2出射具有一定的 區(qū)域范圍，兩塊平面反射閃耀光柵3、4置于準平行光組件2出射區(qū)域，并根據(jù)閃耀光柵公式 計算出安置角度后固定(以下結合圖2詳細介紹)，設置為不同角度的兩塊平面反射閃耀 光柵3、4，分別將準平行光組件2的出射光入射至兩塊平面反射閃耀光柵3、4上，兩塊平面 反射閃耀光柵3、4分別分光出以甲烷和一氧化碳本征吸收波長為中心的窄帶寬紅外光，此 紅外光通過充滿待測氣體的開放氣室8后，再利用熱釋電探測器5、6分別探測兩束窄帶寬 紅外光。兩熱釋電探測器5、6分別探測兩塊平面反射閃耀光柵3、4分光出的甲烷和一氧化 碳本征吸收波長光，并將測試信號光電轉(zhuǎn)化，最后傳輸至信號處理電路7，由信號處理電路 7判斷甲烷、一氧化碳濃度是否超出限度，并做出報警。其中，為了檢測甲烷和一氧化碳，要 求MEMS紅外光源1采用中心波長在4 μ m，滿足3. 433 μ m、4. 65 μ m處有較高輻射量。以上的準平行光組件2采用圓孔內(nèi)腔和小孔出射，并進行金屬陽極氧化；閃耀光 柵采用平面閃耀光柵，表明呈鋸齒狀；氣室采用了開放式與環(huán)境氣體相連。參看圖2，該圖是光柵分光原理的示意圖。其中，N為底面的法線方向，即光柵法 線；η為鋸齒斜面的法線方向；d為光柵常數(shù)#為入射角，即入射方向與光柵法線的夾角； θ為衍射角，即衍射方向與光柵法線的夾角。閃耀光柵可以把大部分光強集中到某特定的 波長光譜中，而不會像透射光柵那樣，沒有色散的零極主極大占取了大部分光強。根據(jù)閃耀光柵分光原理J* (sin(妁士 sin(0)) = U (m = 0，士 1，士2，. · ·)(1)
Kb = —sinθα cosO-Θ )(2)
m
θ -φ-ψ ⑶式中φ—入射角(入射方向與光柵法線的夾角)/° ；θ—衍射角(衍射方向與光柵法線的夾角)/° ；d——閃耀光柵常數(shù)/ μ m ；m——衍射級次；ekb—閃耀角廣；確定光柵常數(shù)后，不同的入射角會產(chǎn)生不同的閃耀波長，而相同入射角會在不同 衍射角度衍射不同波長光，故根據(jù)甲烷和一氧化碳的本征吸收峰的寬度來設計窄帶寬紅外 光的波長范圍，通過這個波長范圍來設計準平行組件2出射的準平行光的角度。從而在空 間方面來確定兩個熱釋電探測器5、6的安置角度。參見圖3，經(jīng)過平面反射閃耀光柵3(4)分光得到氣體吸收本征波長，再利用熱釋 電探測器5(6)在本征波長角度進行了探測并光電轉(zhuǎn)換。
例如，在本發(fā)明中，采用準平行光組件長度為6cm，出射小孔直徑為5mm，則利用三 角函數(shù)計算可得，發(fā)散角為4. 7°，小于5°。分別選擇閃耀角31.7°光柵常數(shù)為3.33μπι 和閃耀角為30°光柵常數(shù)為5μπι的平面閃耀光柵3和4作為分光組件，利用公式(2)則可 分別計算出兩塊光柵在3. 433 μ m、4. 65 μ m衍射波長下入射角和出射角，分別為光柵3對 應 Φ = 43. 19°，θ = 20. 21° ；光柵 4 對應 Φ = 51. 57°，θ = 8. 43°。而當入射角范 圍在5°以下時，艮P Φ = 43. 19° 士2. 5°或者Φ = 51. 57° 士2. 5°，利用公式(2)其衍 射波長范圍在3. 433m士50nm和4. 65 μ m士50nm之內(nèi)，而此帶寬范圍屬于甲烷和一氧化碳的 紅外吸收光譜內(nèi)，適合測量。同時布置熱釋電探測器5和6的角度分別為20.21°和8. 43° 即可完成探測。上述角度均以閃耀光柵法線為基準。而根據(jù)紅外吸收原理公式Lambert-beer定律，也就是光的吸收定律I = I0exp (- α Lc) (4)c = Ιη(Ι0/Ι)/α L(5)式中I—光通過介質(zhì)吸收后的透射光強I0——入射介質(zhì)的光強/cd ；α —為介質(zhì)的吸收系數(shù)；c——介質(zhì)濃度L——為光通過介質(zhì)的長度/m。由上述公式可見，當介質(zhì)的吸收系數(shù) 強Itl 一定的時候，即可獲得目的氣體的濃度?；谝陨媳景l(fā)明所述的檢測裝置，本發(fā)明瓦斯檢測方法的具體步驟如下1)首先，使待檢測氣體由上端不斷通入氣室8內(nèi)，氣體由上端通入，充滿氣室8后 由下端排出；2)使MEMS紅外光源采用中心波長在4 μ m，并滿足3. 433 μ m、4.65 μ m處有較高輻 射量，然后使MEMS紅外光源1發(fā)出的紅外光經(jīng)過準平行組件2，該準平行組件2出射的準平 行光入射至兩塊平面反射閃耀光柵3、4，使兩塊平面反射閃耀光柵3、4分別分光出以甲烷 和一氧化碳本征吸收波長為中心的窄帶寬紅外光，此紅外光通過與充滿待監(jiān)測氣體的氣室 8后，再利用兩個熱釋電探測器5、6分別探測兩束窄帶寬紅外光，3)使兩個熱釋電探測器5、6將測試信號分別進行光電轉(zhuǎn)化后傳輸至信號處理電 路7，由信號處理電路7利用上述的紅外吸收原理實現(xiàn)待監(jiān)測氣體濃度的檢測。綜上所述，本發(fā)明利用準平行光和閃耀光柵得到甲烷和一氧化碳紅外吸收的本征 波長，實現(xiàn)甲烷和一氧化碳同時檢測濃度，既提高了系統(tǒng)氣體檢測的精度，又簡化了裝配和 加工，并降低成本，解決了傳統(tǒng)非色散紅外吸收傳感器價格高、提高精度困難的問題。此外， 本發(fā)明還可以通過更換調(diào)節(jié)平面反射閃耀光柵，來實現(xiàn)其它氣體的檢測，也可以用于汽車 尾氣檢測等，能夠連續(xù)對常規(guī)的氣體如CO2、CO、CH4、NO、SO2等氣體進行測量，其將可能逐步 取代以往的瓦斯檢測裝置。
/cd;
α、光通過介質(zhì)的長度L、透射光強I、入射光
權利要求
一種分光型紅外吸收式瓦斯檢測裝置，其特征在于包括氣室(8)和準平行光組件(2)，所述氣室(8)內(nèi)設有兩塊平面反射閃耀光柵(3、4)，氣室(8)的上端設有兩個熱釋電探測器(5、6)，所述準平行光組件(2)的光出射端伸入所述氣室(8)內(nèi)，準平行光組件(2)的光入射端設有MEMS紅外光源(1)，所述兩個熱釋電探測器(5、6)分別連接有信號處理電路(7)；所述氣室(8)由上端通入待檢測氣體、由下端出氣；所述MEMS紅外光源(1)的發(fā)射光經(jīng)過準平行光組件(2)處理后進入氣室(8)內(nèi)，由設置為不同角度的兩塊平面反射閃耀光柵(3、4)分別反射至所述兩個熱釋電探測器(5、6)上，所述兩個熱釋電探測器(5、6)將測試信號光電轉(zhuǎn)化，最后傳輸至信號處理電路(7)，由信號處理電路(7)判斷甲烷、一氧化碳濃度是否超出限度，并做出報警。
2.根據(jù)權利要求1所述的分光型紅外吸收式瓦斯檢測裝置，其特征在于所述準平行 組件(2)的內(nèi)部為圓孔狀，并進行了金屬陽極氧化，防止雜散光在腔內(nèi)反射，該準平行組件 ⑵的入射端與MEMS紅外光源⑴的出射端連接，準平行組件(2)的出射端為限制出射光 角度的細小圓孔。
3.根據(jù)權利要求1所述的分光型紅外吸收式瓦斯檢測裝置，其特征在于，所述兩塊平 面反射閃耀光柵(3、4)的表面均為鋸齒形狀。
4.一種基于權利要求1所述裝置的瓦斯檢測方法，其特征在于，包括以下步驟1)首先，使待檢測氣體由上端不斷通入氣室(8)內(nèi)；2)使MEMS紅外光源(1)發(fā)出的紅外光經(jīng)過準平行組件(2)，所述準平行組件(2)出射 的準平行光入射至兩塊平面反射閃耀光柵(3、4)，使兩塊平面反射閃耀光柵(3、4)分別分 光出以甲烷和一氧化碳本征吸收波長為中心的窄帶寬紅外光，此紅外光通過與充滿待監(jiān)測 氣體的氣室(8)后，再利用兩個熱釋電探測器(5、6)分別探測兩束窄帶寬紅外光，3)使兩個熱釋電探測器(5、6)將測試信號分別進行光電轉(zhuǎn)化后傳輸至信號處理電路 (7)，由信號處理電路(7)利用紅外吸收原理實現(xiàn)待監(jiān)測氣體濃度的檢測。
5.根據(jù)權利要求4所述的瓦斯檢測方法，其特征在于所述MEMS紅外光源采用中心波 長在4 μ m，并滿足3. 433 μ m、4. 65 μ m處有較高輻射量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分光型紅外吸收式瓦斯檢測裝置及方法，該裝置及方法運用甲烷、一氧化碳在波長3.433μm、4.65μm紅外譜線吸收原理，采用MEMS紅外光源發(fā)出紅外光線經(jīng)過準平行光組件，投射至閃耀光柵后分光得到波長3.433μm、4.65μm紅外譜線，通過開放氣室，實現(xiàn)采樣氣體內(nèi)甲烷、一氧化碳的濃度檢測。該裝置結合該方法不僅可以高選擇性、快速、穩(wěn)定地對瓦斯氣體進行檢測，提高相應精度，而且還能實現(xiàn)甲烷、一氧化碳同時檢測，并降低成本。
文檔編號G01N21/35GK101949838SQ201010270268
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月2日 優(yōu)先權日2010年9月2日
發(fā)明者孫國良, 岑迪, 王健云, 王海容, 蔣莊德, 門光飛 申請人:西安交通大學