一種雙波長差分甲烷濃度傳感器的制造方法
【專利摘要】本申請涉及一種雙波長差分甲烷濃度傳感器，包括光源，光處理模塊，信號處理模塊和信號分析模塊。其中光源用于發(fā)出光信號。光處理模塊包括一個光電探測器，光處理模塊用于過濾光源發(fā)出的光信號，使一組第一波長的光信號和一組第二波長的光信號通過，然后周期性的使上述兩組光信號分別經(jīng)過待測氣體傳送至光電探測器，再由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。信號處理模塊用于對光處理模塊輸出的電信號進(jìn)行濾波和放大。信號分析模塊用于分析信號處理模塊輸出的電信號。
【專利說明】一種雙波長差分甲烷濃度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請屬于安全生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種基于紅外差分檢測原理的雙波長差分甲烷濃度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]甲烷是一種易燃易爆氣體，是礦井瓦斯及天然氣等多種氣體燃料的主要成分。它廣泛存在于地質(zhì)煤層中，是威脅煤礦安全的第一因素。因此，研究一種檢測方法，實時準(zhǔn)確地檢測甲烷濃度，對煤礦安全運行有重要意義。
[0003]到目前為止，檢測甲烷氣體濃度的方法有很多種，國內(nèi)使用的檢測方法主要有:催化元件法、熱傳導(dǎo)法、光干涉法和紅外光譜吸收法。
[0004]催化元件法是利用惠更斯電橋，甲烷在催化物質(zhì)作用下通過加熱使催化原件的電阻發(fā)生變化，從而改變了電橋平衡來測量甲烷濃度。這種方法存在著適用壽命短、測量范圍小，易中毒和穩(wěn)定度差這些缺點。
[0005]熱導(dǎo)原理是利用空氣與甲烷的熱導(dǎo)率不同來測定甲烷濃度。這種方法的缺點在于它對導(dǎo)熱率不同于空氣的氣體均敏感，在檢測甲烷時，某些背景氣體會帶來一定的誤差。
[0006]光干涉法是應(yīng)用光的折射率和測量氣體中甲烷的濃度有關(guān)來檢測甲烷氣體的濃度的。這種方法的弊端是選擇性差，受溫度變化和氣壓影響會帶來誤差，還有容易受其他氣體的影響等。
[0007]紅外光譜吸收法是近幾年來發(fā)展起來的一種新方法，它是由光譜分析技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。利用這種原理所研制的瓦斯傳感器可以克服現(xiàn)役傳感器固有的缺陷，實現(xiàn)反應(yīng)快、壽命長、調(diào)校周期長等技術(shù)目標(biāo)，目前該裝置已經(jīng)廣泛運用于甲烷濃度探測當(dāng)中。雙波長差分法為紅外光譜吸收法的一種，傳統(tǒng)的雙波長差分法由于使用了倆個光電探測器，其檢測結(jié)果必然會存在誤差，其采用的普通氣室也會存在雜質(zhì)粒子散射和氣室內(nèi)壁散射的問題，導(dǎo)致檢測結(jié)果的不準(zhǔn)確。
實用新型內(nèi)容
[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本申請?zhí)岢隽艘环N雙波長差分甲烷濃度傳感器，技術(shù)方案如下:
[0009]包括光源，光處理模塊，信號處理模塊和信號分析模塊；
[0010]其中
[0011]所述光源用于發(fā)出光信號；
[0012]所述光處理模塊包括一個濾光模塊、一個光電探測器、一個旋轉(zhuǎn)采光機(jī)和一個氣室;
[0013]所述濾光模塊用于過濾光源發(fā)出的光信號，使一組第一波長的光信號和一組第二波長的光信號通過；
[0014]所述氣室內(nèi)流通有待測氣體；[0015]所述旋轉(zhuǎn)采光機(jī)周期性的使上述兩組光信號分別經(jīng)過所述氣室傳送至所述光電探測器；
[0016]所述光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0017]所述信號處理模塊用于對所述光處理模塊輸出的電信號進(jìn)行濾波和放大；
[0018]所述信號分析模塊用于分析所述信號處理模塊輸出的電信號。
[0019]進(jìn)一步的，
[0020]所述光源是發(fā)光二極管LED或半導(dǎo)體激光器。
[0021]進(jìn)一步的，
[0022]所述濾光模塊包括凸透鏡、圓柱體光室、上濾光片、下濾光片；
[0023]所述凸透鏡用于將光源發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)換為平行光信號；
[0024]所述上濾光片和下濾光片設(shè)置于所述圓柱體光室的光路徑中間截面；
[0025]所述上濾光片可以通過中心波長為第一波長的光信號；
[0026]所述下濾光片可以通過中心波長為第二波長的光信號；
[0027]所述旋轉(zhuǎn)采光機(jī)設(shè)置于所述圓柱體光室的末端；
[0028]所述旋轉(zhuǎn)米光機(jī)、氣室和光電探測器一起旋轉(zhuǎn)。
[0029]進(jìn)一步的，
[0030]所述上濾光片和下濾光片的濾波系數(shù)相等。
[0031]進(jìn)一步的，
[0032]采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)采光機(jī)、氣室和光電探測器旋轉(zhuǎn)；
[0033]所述旋轉(zhuǎn)米光機(jī)包括一個通光窗口 ；
[0034]所述旋轉(zhuǎn)米光機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈，所述通光窗口有上下兩個停止位置；
[0035]當(dāng)停止于上面的停止位置時，所述第一波長的光信號從所述通光窗口穿過；
[0036]當(dāng)停止于下面的停止位置時，所述第二波長的光信號從所述通光窗口穿過。
[0037]進(jìn)一步的，
[0038]所述氣室的入口、出口為楔形棱鏡；
[0039]所述氣室前后兩端為兩塊平面反射鏡；
[0040]所述氣室的上下兩端為防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
[0041]進(jìn)一步的，
[0042]所述光電探測器是光電子發(fā)射探測器或光電導(dǎo)探測器或光伏探測器。
[0043]進(jìn)一步的，
[0044]所述第一波長為1.650 μ m ;
[0045]所述第二波長為1.620 μ m。
[0046]本申請所提出的雙波長差分甲烷濃度傳感器，通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，消除了不同探測器特性差異帶來的誤差以及氣室散射帶來的問題，進(jìn)一步提高了檢測的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]圖1為本申請雙波長差分甲烷濃度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。
[0048]圖2為光處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0049]其中，附圖標(biāo)記依次為:凸透鏡201、圓柱體光室202、上濾光片203、下濾光片204、旋轉(zhuǎn)采光機(jī)205、氣室206、光電探測器207。
[0050]圖3為信號處理模塊濾波和放大電路示意圖。
【具體實施方式】
[0051]本申請?zhí)岢龅碾p波長差分甲烷濃度傳感器主要由光源，光處理模塊，信號處理模塊，信號分析模塊四部分組成，如圖1所示。
[0052]其中，光源用于發(fā)出光信號；
[0053]光處理模塊用于對光信號進(jìn)行處理，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0054]信號處理模塊用于對電信號進(jìn)行處理；
[0055]信號分析模塊用于對電信號進(jìn)行分析從而得到甲烷的濃度。
[0056]光源可以選擇發(fā)光二極管LED或半導(dǎo)體激光器LD。
[0057]圖2為光處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，這是整個傳感器的核心模塊，由凸透鏡201、圓柱體光室202、上濾光片203、下濾光片204、旋轉(zhuǎn)采光機(jī)205、氣室206和光電探測器207組成。
[0058]光處理模塊對光進(jìn)行處理的過程如下:由光源發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡201后轉(zhuǎn)換為平行光，平行光經(jīng)過圓柱體光室202，在圓柱體光室202的光路徑中間沿截面設(shè)置有兩塊濾光片203、204，上濾光片203可以通過中心波長為A1(LeSOym)的光線，下濾光片可以通過中心波長為λ 2(1.620 μπι)的光線，兩塊濾光片的濾光系數(shù)相等，上述兩種波長的光線可以穿過濾光片沿光路徑繼續(xù)傳輸，而除兩塊濾光片外，截面的其它部分不透光。光線經(jīng)過上、下濾光片后一分為二，剩余中心波長為A1(USOym)和λ 2 (1.620 μ m)的兩組光線。
[0059]在圓柱體光室202的末端設(shè)置有一個旋轉(zhuǎn)采光機(jī)205，由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，步進(jìn)電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)采光機(jī)205、氣室206和光電探測器207 —起旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)采光機(jī)205包括一個通光窗口，旋轉(zhuǎn)采光機(jī)205每轉(zhuǎn)動一圈，通光窗口有上下兩個停止位置，當(dāng)停止于上面的停止位置時，波長為λ 光線從通光窗口穿過，當(dāng)停止于下面的停止位置時，波長為λ2的光線從通光窗口穿過，該旋轉(zhuǎn)采光機(jī)205用于將上述兩組波長不同的光線在不同的時間段傳送到氣室206，由同一個光電探測器207來進(jìn)行檢測，從而消除由于光電探測器個體的特性不同給測量結(jié)果帶來的誤差。
[0060]氣室206中的待測氣體對光產(chǎn)生吸收作用。光線傳送到氣室206后，氣室206的入口為楔形棱鏡，有利于調(diào)整光線的入射角度。氣室前后兩端為兩塊平面反射鏡，通過調(diào)整光線的入射角度，利用反射鏡使光路在氣室中經(jīng)過多次反射，能夠增加光程，進(jìn)而可以有效的提高檢測的靈敏度。圖2氣室206中的折線示出了光路。氣室206的上下兩端為防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，既有利于空氣的流通，又能避免空氣中粉塵對測量結(jié)果帶來的誤差。氣室206的出口也為楔形棱鏡。最后，光線從出口棱鏡中射出至光電探測器207，利用光電探測器207將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
[0061]光電探測器207可以采用光電子發(fā)射探測器、光電導(dǎo)探測器或者光伏探測器。
[0062]信號處理模塊對光電探測器207輸出的電信號進(jìn)行濾波、放大處理,信號處理模塊可以采用各種濾波和放大模塊，圖3只是示出了一種適用于本申請的濾波器和放大器結(jié)構(gòu)，信號(電信號)從左端輸入，經(jīng)濾波、放大后輸出。
[0063]最后，信號處理模塊將電信號輸出至信號分析模塊，由信號分析模塊根據(jù)測量到的電信號K，和預(yù)設(shè)的規(guī)則對甲烷濃度進(jìn)行分析。
[0064]光電探測器207在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)接收到兩組光信號\、\，
【權(quán)利要求】
1.一種雙波長差分甲烷濃度傳感器，其特征在于: 包括光源，光處理模塊，信號處理模塊和信號分析模塊； 其中 所述光源用于發(fā)出光信號； 所述光處理模塊包括一個濾光模塊、一個光電探測器、一個旋轉(zhuǎn)采光機(jī)和一個氣室；所述濾光模塊用于過濾光源發(fā)出的光信號，使一組第一波長的光信號和一組第二波長的光信號通過； 所述氣室內(nèi)流通有待測氣體； 所述旋轉(zhuǎn)采光機(jī)周期性的使上述兩組光信號分別經(jīng)過所述氣室傳送至所述光電探測器； 所述光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號； 所述信號處理模塊用于對所述光處理模塊輸出的電信號進(jìn)行濾波和放大； 所述信號分析模塊用于分析所述信號處理模塊輸出的電信號； 所述濾光模塊包括凸透鏡、圓柱體光室、上濾光片、下濾光片； 所述凸透鏡用于將光源發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)換為平行光信號； 所述上濾光片和下濾光片設(shè)置于所述圓柱體光室的光路徑中間截面； 所述上濾光片可以通過中心波長為第一波長的光信號； 所述下濾光片可以通過中心波長為第二波長的光信號； 所述旋轉(zhuǎn)采光機(jī)設(shè)置于所述圓柱體光室的末端； 所述旋轉(zhuǎn)米光機(jī)、氣室和光電探測器一起旋轉(zhuǎn)； 所述旋轉(zhuǎn)米光機(jī)包括一個通光窗口； 所述旋轉(zhuǎn)采光機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈，所述通光窗口有上下兩個停止位置； 當(dāng)停止于上面的停止位置時，所述第一波長的光信號從所述通光窗口穿過； 當(dāng)停止于下面的停止位置時，所述第二波長的光信號從所述通光窗口穿過。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 所述光源是發(fā)光二極管LED或半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 所述上濾光片和下濾光片的濾波系數(shù)相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)采光機(jī)、氣室和光電探測器旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 所述氣室的入口、出口為楔形棱鏡； 所述氣室前后兩端為兩塊平面反射鏡； 所述氣室的上下兩端為防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 所述光電探測器是光電子發(fā)射探測器或光電導(dǎo)探測器或光伏探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 所述第一波長為1.650 μ m ； 所述第二波長為1.620 μ m。
【文檔編號】G01N21/3504GK203720078SQ201320656317
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】侯志文, 王啟銀, 王曉強(qiáng), 劉秀卿, 姚學(xué)武, 安雷, 趙飛 申請人:國家電網(wǎng)公司, 山西省電力公司大同供電分公司