一種煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置和方法。由于受長(zhǎng)距離光纖傳感波段的限制，只能利用氣體吸收線強(qiáng)較弱的近紅外泛頻帶，對(duì)指標(biāo)氣體中典型的CO、CO2、C2H2、C2H4等烷烴類(lèi)氣體進(jìn)行高靈敏實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。利用多頻波長(zhǎng)調(diào)制和新型長(zhǎng)光程多次反射池技術(shù)實(shí)現(xiàn)多組分微弱信號(hào)檢測(cè)，其裝置包括激光器、激光控制器、信號(hào)發(fā)生器、新型多次反射池、光纖準(zhǔn)直器、光束耦合器、光電探測(cè)器、鎖相放大器、采集A/D及終端的信號(hào)處理系統(tǒng)、防爆機(jī)箱。該裝置全光纖連接，無(wú)需人工取樣，響應(yīng)靈敏度高，可同時(shí)進(jìn)行多種指標(biāo)性氣體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，功率小，便于攜帶、安裝和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，動(dòng)態(tài)量程大。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及煤炭自燃指標(biāo)氣體的光學(xué)分析裝置領(lǐng)域，具體為一種煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]煤炭是我國(guó)的主要能源，煤炭生產(chǎn)在我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的作用。我國(guó)煤礦中，自然發(fā)火情況非常嚴(yán)重，是我國(guó)許多煤礦的重大災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)的現(xiàn)有煤礦中，國(guó)有重點(diǎn)煤礦54.9 %的礦井有自然發(fā)火危險(xiǎn)，地方國(guó)有煤礦年產(chǎn)3萬(wàn)噸以上的礦井中29.1 %有自然發(fā)火危險(xiǎn)。煤礦的自燃火災(zāi)次數(shù)占火災(zāi)總數(shù)的90%以上。煤炭自燃火災(zāi)給國(guó)家和礦井帶來(lái)了極大的危害及經(jīng)濟(jì)損失，其中有些自燃火區(qū)長(zhǎng)期無(wú)法撲滅，大量煤炭資源被凍結(jié)，昂貴的生產(chǎn)設(shè)備毀于火區(qū)之中，嚴(yán)重威脅著礦井的正常生產(chǎn)和礦工的生命安全。我國(guó)煤礦共發(fā)生火災(zāi)94%的為自然發(fā)火，采空區(qū)自燃則占自燃火災(zāi)的60%，萬(wàn)噸發(fā)火率為0.76次。20世紀(jì)90年代之后，煤礦生產(chǎn)逐步向高產(chǎn)高效集約化發(fā)展，其火災(zāi)發(fā)生的嚴(yán)重性和危害性也隨之升級(jí)，嚴(yán)重制約著采煤高產(chǎn)高效技術(shù)的發(fā)展。因此研究煤自燃早期測(cè)試和預(yù)報(bào)技術(shù)是成為扼制煤自燃事故發(fā)生的必然選擇。
[0003]煤礦自燃監(jiān)測(cè)，是通過(guò)監(jiān)測(cè)影響自然發(fā)火的參數(shù)，如一氧化碳、溫度等，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自然發(fā)火危險(xiǎn)狀況。上述這些參數(shù)借助于傳感器、信號(hào)傳輸與處理系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)。國(guó)外研制礦井監(jiān)控系統(tǒng)始于20世紀(jì)60年代，我國(guó)起步較晚，始于20世紀(jì)80年代初期。目前，我國(guó)煤礦中廣泛應(yīng)用著1^2、耵22、1^4、1^7、1^93、耵95等煤礦監(jiān)控系統(tǒng)。這些監(jiān)控系統(tǒng)主要進(jìn)行一般的生產(chǎn)和安全監(jiān)控，難以對(duì)自然發(fā)火危險(xiǎn)性做出準(zhǔn)確、可靠的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)。
[0004]應(yīng)用于早期監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭自燃的主要方法是指標(biāo)氣體法。是根據(jù)煤炭自燃發(fā)火隨氧化過(guò)程而釋放出一系列的有毒有害氣體產(chǎn)物，根據(jù)氧化氣體產(chǎn)物的組成、濃度及其變化速率等特性，來(lái)確定煤炭自然發(fā)火的進(jìn)程或預(yù)測(cè)煤炭自然發(fā)火的發(fā)展趨勢(shì)的方法。通過(guò)氣體指標(biāo)法可對(duì)煤炭自然發(fā)火做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，也是目前廣泛使用的方法。俄羅斯、中國(guó)等主要產(chǎn)煤國(guó)家在實(shí)驗(yàn)室中在不同溫度下對(duì)不同煤種、不同煤巖成分的煤進(jìn)行氧化實(shí)驗(yàn)，以尋找煤炭自燃早期預(yù)報(bào)的靈敏指標(biāo)氣體，目前常用的有CO、CO2, C2H2, C2H4等。指標(biāo)氣體法在應(yīng)用過(guò)程中受井下通風(fēng)條件和檢測(cè)儀器精度的制約。在現(xiàn)有檢測(cè)儀器精度條件下，如何提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。煤炭自燃指標(biāo)氣體的檢測(cè)主要有人工檢測(cè)和礦井監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(包括束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和礦井安全與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng))。人工束管檢測(cè)一直作為煤炭自燃指標(biāo)氣體的主要檢測(cè)手段。它是在自燃的危險(xiǎn)區(qū)域，人工取樣，地面通過(guò)色譜議分析，給出指標(biāo)氣體的成分與濃度，以此判斷煤的自然發(fā)火程度。該法適用性強(qiáng)、投入設(shè)備少，簡(jiǎn)單易行，但人工取樣工作量大，間隔時(shí)間長(zhǎng)，不能連續(xù)實(shí)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。目前，在裝備條件好的大、中型礦井，一般都裝備有安全與環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以連續(xù)監(jiān)測(cè)CO、CO2, C2H2, C2H4等環(huán)境參數(shù)，根據(jù)這些環(huán)境參數(shù)的變化可進(jìn)行自燃的預(yù)報(bào)，但是由于傳感器數(shù)量種類(lèi)少、價(jià)格昂貴、布置范圍小，沒(méi)能發(fā)揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于煤炭自燃預(yù)報(bào)應(yīng)有的作用。
[0005]可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)利用半導(dǎo)體激光器可調(diào)諧、窄線寬特性，通過(guò)檢測(cè)氣體的一條振轉(zhuǎn)吸收線實(shí)現(xiàn)氣體濃度的快速檢測(cè)，避免了氣體取樣和其它氣體干擾，是一種具有高靈敏、高分辨、快速檢測(cè)特點(diǎn)的氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，結(jié)合新型多次反射池技術(shù)，采用開(kāi)放光路的多頻波長(zhǎng)調(diào)制TDLAS技術(shù)，通過(guò)近紅外波段的光纖傳輸，對(duì)煤自燃過(guò)程中所釋放出的CO、CO2, C2H2, C2H4等指標(biāo)氣體的濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，為煤礦的安全生產(chǎn)提供有力的技術(shù)保證。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置和方法，以新型多次反射池和多頻調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)，用高靈敏吸收光譜測(cè)量來(lái)解決現(xiàn)有束管技術(shù)中人工取樣分析時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、靈敏度低、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。設(shè)計(jì)了基于新型多次反射池和多頻調(diào)制技術(shù)的監(jiān)測(cè)裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，只要一個(gè)多次反射池，就可以同時(shí)測(cè)量煤炭自燃中典型指標(biāo)氣體的濃度。特別是新型多次反射池的使用，其小容積長(zhǎng)光程保證了系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度和測(cè)量精度，而多頻調(diào)制技術(shù)的使用，節(jié)約了系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)了多組分微量氣體的測(cè)量。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置，由長(zhǎng)光程多次反射池8、多光纖準(zhǔn)直器9、4*1光纖耦合器10、鎧裝光纖11和多頻調(diào)制裝置組成，其中多頻調(diào)制裝置包括以分布式反饋(DFB)激光器1、激光控制器2、探測(cè)器3、濾波放大器4、信號(hào)發(fā)生器5、鎖相放大器6和信號(hào)處理系統(tǒng)7 ；
[0008]所述DFB激光器I為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，由四種CO、CO2, C2H2, C2H4氣體的DFB激光器構(gòu)成，包括用于測(cè)CO氣體的中心波長(zhǎng)1567nm的DFB激光器，用于測(cè)CO2氣體的中心波長(zhǎng)1436nm的DFB激光器，用于測(cè)C2H4氣體的中心波長(zhǎng)1626nm的DFB激光器，以及用于測(cè)C2H2氣體的中心波長(zhǎng)1538nm的DFB激光器，四種DFB激光器I出射的激光經(jīng)過(guò)4*1合束器耦合輸出，與鎧裝雙光纖11的輸入芯線熔接；
[0009]所述激光控制器2由四組溫度控制器和四組電流控制器組成，分別用于控制激光器I中的四種DFB激光器的輸出功率和波長(zhǎng)，注入電流改變功率，同時(shí)小范圍改變波長(zhǎng)，通過(guò)精確溫度控制鎖定波長(zhǎng)，使四種激光器輸出中心波長(zhǎng)位于所測(cè)指標(biāo)氣體的吸收線上；
[0010]所述鎧裝光纖11為雙芯光纖，用于傳輸由體激光器I發(fā)出的激光束通過(guò)光纖準(zhǔn)直器9進(jìn)入長(zhǎng)光程多次反射池8內(nèi)，同時(shí)將長(zhǎng)光程多次反射池8的出射光通過(guò)、4*1光纖耦合器10耦合進(jìn)鎧裝光纖11傳輸至探測(cè)器3 ；
[0011]所述光纖準(zhǔn)直器9能夠精細(xì)調(diào)節(jié)達(dá)到鏡面上的光束角度，調(diào)節(jié)精度為I度，轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋副，能夠?qū)⑷肷涔庖跃_角度入射到長(zhǎng)光程多次反射池8內(nèi)，保證反射池內(nèi)光束傳輸次數(shù)和出射光斑質(zhì)量；
[0012]所述長(zhǎng)光程多次反射池8用于延長(zhǎng)激光通過(guò)被測(cè)氣體路徑，反射池內(nèi)光束經(jīng)過(guò)多次來(lái)回反射極大地增強(qiáng)了吸收光程長(zhǎng)度，出射端面的透射光束包含被測(cè)氣體吸收信號(hào)，經(jīng)過(guò)、4*1光纖耦合器10和鎧裝光纖11到達(dá)光電探測(cè)器3 ；
[0013]所述探測(cè)器3將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入濾波放大器4，并將放大的信號(hào)分為五路并行輸出，其中四路分別輸入鎖相放大器6中的四組鎖相，用于解調(diào)吸多組分收信號(hào)的二次諧波；另一路經(jīng)過(guò)低通濾波后輸出三角波信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)7，用于整個(gè)系統(tǒng)的光強(qiáng)修正；
[0014]所述鎖相放大器6由四組鎖相放大器組成，分別用于四種指標(biāo)氣體的解調(diào)，其輸入?yún)⒖夹盘?hào)與調(diào)制信號(hào)一致，即用于CO解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為5KHZ，用于CO2解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為1KHz,用于C2H2解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為15KHz通過(guò)解調(diào)放大,用于C2H4解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為20KHz,其輸出的二次諧波信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)7，用于反演指標(biāo)氣體濃度；
[0015]所述信號(hào)發(fā)生器5由四組信號(hào)發(fā)生器組成，用來(lái)產(chǎn)生低頻掃描信號(hào)和高頻調(diào)制信號(hào)；四組信號(hào)發(fā)生器輸出30Hz鋸齒波掃描信號(hào)，分別掃描四只DFB激光器的波長(zhǎng)，使其產(chǎn)生測(cè)量目標(biāo)氣體的吸收譜線；同時(shí)，四組信號(hào)發(fā)生器分別輸出5ΚΗζ，ΙΟΚΗζ, 15KHz和20KHz的高頻正弦信號(hào)用于調(diào)制測(cè)量CO、CO2, C2H2, C2H4氣體的激光器；每種高頻調(diào)制信號(hào)分別引入所述鎖相放大器6中的四組鎖相放大器，作為參考信號(hào)對(duì)相應(yīng)的調(diào)制信號(hào)解調(diào)；
[0016]所述信號(hào)處理系統(tǒng)7由多通道采集A/D和工控機(jī)組成，采集A/D用于接收所述鎖相放大器6輸出的多組分二次諧波信號(hào)和放大濾波器4輸出的低頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入工控機(jī)，工控機(jī)用于以下幾個(gè)方面的操作:(I)通過(guò)激光控制器2調(diào)節(jié)激光器I溫度和注入電流，控制激光器I的輸出波長(zhǎng)和功率；(2)接收濾波放大器4的反饋信號(hào)，判斷激光器I輸出光功率在整個(gè)光路上的傳輸穩(wěn)定性，對(duì)濃度反演結(jié)果進(jìn)行光強(qiáng)修正；(3)將通過(guò)采集A/D接收到的多通道二次諧波信號(hào)首先做小波變換去噪處理，然后利用鋸齒波幅值修正光強(qiáng)，接著用最小二乘法擬合標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)反演濃度，最后利用Kalman濾波處理濃度數(shù)據(jù)已去除奇異波動(dòng)值；另外，計(jì)算所測(cè)二次諧波的峰值位置，與標(biāo)準(zhǔn)諧波信號(hào)分支位置相比對(duì)，以此計(jì)算激光器波長(zhǎng)漂移，通過(guò)激光器溫度串口控制命令在線修正，完成波長(zhǎng)鎖定。
[0017]所述激光器1，激光控制器2，探測(cè)器3，濾波放大器4，信號(hào)發(fā)生器5，鎖相放大器
6,信號(hào)處理系統(tǒng)7集成于防爆機(jī)箱12內(nèi)。
[0018]所述長(zhǎng)光程多次反射池8為由三個(gè)球面鏡組成穩(wěn)定諧振腔，長(zhǎng)光程多次反射池的基長(zhǎng)217mm，鏡面直徑60mm，鏡面鍍有532nm和1550nm的高反介質(zhì)膜，膜層帶寬土 150nm，反射率大于99%,長(zhǎng)光程多次反射池體積0.5L ;用532nm的尾纖激光器調(diào)節(jié)反射池內(nèi)的光斑分布，通過(guò)端面準(zhǔn)直器改調(diào)節(jié)入射角度，使光斑均勻分布，同時(shí)調(diào)節(jié)螺紋副來(lái)改變光程長(zhǎng)度，光程從8.8米至88米可調(diào)，另外用冶金粉末罩密封光路，具有防水防塵透氣性，小容積長(zhǎng)光程，有效減小系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)探測(cè)靈敏度。
[0019]所述激光器I調(diào)諧范圍為lnm，線寬達(dá)到Κ^-ΙΟΛπΓ1數(shù)量級(jí)，用這樣的窄線寬光源就可獲得分子的一些譜線中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提高測(cè)量分辨率，避免其他干擾氣體的影響。
[0020]所述探測(cè)器為銦鎵砷探測(cè)器。
[0021]一種煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0022](I)以分布式反饋激光器(DFB)作為光源，結(jié)構(gòu)為尾纖輸出的蝶形封裝，輸出功率大于lOmw，調(diào)諧范圍±lnm，激光線寬2MHz，中心波長(zhǎng)分別為1，2，3，4，通過(guò)激光控制器調(diào)節(jié)電流和溫度以改變輸出波長(zhǎng)和功率，將四種DFB激光器中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)到CO、CO2, C2H2, C2H4氣體吸收波段，即已知的HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)的吸收譜線位置；四組信號(hào)發(fā)生器輸出30Hz鋸齒波掃描信號(hào)，分別掃描四只DFB激光器的波長(zhǎng)，同時(shí)，四組信號(hào)發(fā)生器分別輸出5KHz, 1KHz,15KHz和20KHz的高頻正弦信號(hào)用于調(diào)制測(cè)量CO、CO2、C2H2、C2H4氣體的激光器；然后將調(diào)制掃描的四束激光器經(jīng)過(guò)光纖合束器與鎧裝雙光纖連接，經(jīng)過(guò)數(shù)公里的傳輸至長(zhǎng)光程多次反射池；
[0023](2)通過(guò)532nm的激光器調(diào)節(jié)多次反射池光路，光程長(zhǎng)度為88米，其入射端接收鎧裝光纖傳輸來(lái)的四種激光調(diào)制信號(hào)，反射池內(nèi)含有通過(guò)冶金粉末罩子滲透進(jìn)來(lái)的氣體，光束經(jīng)過(guò)多次反射吸收后經(jīng)過(guò)光纖耦合器輸入鎧裝光纖的另一纖芯，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸?shù)竭_(dá)銦鎵砷探測(cè)器；然后由放大濾波電路將含有四中調(diào)制頻率的吸收信號(hào)放大后并行輸入四個(gè)鎖相放大器，鎖相放大器用于解調(diào)的參考信號(hào)分別是相應(yīng)波長(zhǎng)的調(diào)制信號(hào)，解調(diào)出的二次諧波信號(hào)分別用于co、co2、c2H2、c2H4氣體濃度的反演。另外經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)電路低通濾波器，將高頻調(diào)制信號(hào)去除，保留低頻掃描信號(hào)，該信號(hào)幅值用于消除光強(qiáng)波動(dòng)影響；
[0024](3)四路解調(diào)后的二次諧波信號(hào)和經(jīng)過(guò)放大濾波后的掃描信號(hào)由采集卡模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)輸出多通道信號(hào)小波變換去噪處理、光強(qiáng)修正、最小二乘擬合標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)反演濃度、Kalman濾波處理以及激光器波長(zhǎng)漂移修正、激光器溫度串口控制命令；
[0025](4)指標(biāo)氣體濃度的反演過(guò)程為:鎖相放大器將對(duì)應(yīng)調(diào)制頻率的吸收信號(hào)解調(diào)出二次諧波信號(hào)，與事先標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)濃度二次諧波信號(hào)做最小二乘擬合，通過(guò)擬合系數(shù)乘以標(biāo)準(zhǔn)濃度值反演出監(jiān)測(cè)空間的指標(biāo)氣體；
[0026](5)四種氣體的監(jiān)測(cè)共用一個(gè)長(zhǎng)光程多次反射池和探測(cè)器，利用鎖相放大器的解調(diào)屬性，以及四種氣體近紅外吸收譜帶間隔較窄的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)煤炭自燃同一空間指標(biāo)氣體多組分遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，不僅節(jié)約了系統(tǒng)成本，在實(shí)際應(yīng)用中操作更為簡(jiǎn)便。
[0027]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果在于:本發(fā)明利用近紅外波段的可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)測(cè)量煤炭自燃指標(biāo)氣體，通過(guò)長(zhǎng)光程多次反射池的使用，增大了測(cè)量光程，小容積保證了響應(yīng)靈敏度，鏡面高反射膜層帶寬較大保證了多組分氣體同時(shí)測(cè)量。多頻調(diào)制技術(shù)使各個(gè)DFB激光器經(jīng)調(diào)制后的光束同時(shí)耦合進(jìn)入一根光纖，由另一根光纖輸出帶有吸收的信號(hào)，即鎧裝雙芯光纖就可滿(mǎn)足系統(tǒng)需要，節(jié)約了光纖鋪設(shè)成本，更重要的是通過(guò)調(diào)制解調(diào)將各組分濃度明確區(qū)分測(cè)量出來(lái)，實(shí)現(xiàn)煤炭自燃中多組分微量指標(biāo)氣體的在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0028]圖1為本發(fā)明整體裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明為長(zhǎng)光程多次反射池結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖3為本發(fā)明光路光斑分布圖；
[0031]圖4為本發(fā)明所用冶金粉末密封罩的電鏡掃描圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032]如圖1所示，本發(fā)明的整體裝置結(jié)構(gòu)示意圖，包括DFB激光器1，激光控制器2，探測(cè)器3,濾波放大器4,信號(hào)發(fā)生器5,鎖相放大器6,信號(hào)處理系統(tǒng)7,長(zhǎng)光程多次反射池8,光纖準(zhǔn)直器9，4*1光纖耦合器10，鎧裝雙芯光纖11，防爆箱12。其中:
[0033]激光器I為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，具有可調(diào)諧、窄線寬等特性。組成部分包括用于測(cè)CO氣體的中心波長(zhǎng)1567nm的DFB激光器，用于測(cè)CO2氣體的中心波長(zhǎng)1436nm的DFB激光器，用于測(cè)C2H4氣體的中心波長(zhǎng)1626nm的DFB激光器，以及用于測(cè)C2H2氣體的中心波長(zhǎng)1538nm的DFB激光器，四種激光器出射的激光經(jīng)過(guò)4*1光纖耦合束器耦合輸出，與鎧裝光纖的輸入芯線熔接。
[0034]激光控制器2由四組溫度器和電流控制器組成，分別用于控制激光器I中的四只DFB激光器的輸出功率和波長(zhǎng)，通過(guò)注入電流改變功率，同時(shí)小范圍改變波長(zhǎng)，通過(guò)精確溫度控制鎖定波長(zhǎng)，使四種激光器輸出中心波長(zhǎng)位于所測(cè)指標(biāo)氣體的吸收線上。
[0035]鎧裝光纖11為雙芯光纖，用于傳輸由半導(dǎo)體激光器I發(fā)出的激光束通過(guò)光纖準(zhǔn)直器9進(jìn)入新型多次反射池8內(nèi)，同時(shí)將多次反射池8的出射光通過(guò)4*1光纖耦合器10耦合進(jìn)鎧裝光纖11傳輸至探測(cè)器3。
[0036]所述光纖準(zhǔn)直器9可以精細(xì)調(diào)節(jié)達(dá)到鏡面上的光束角度，調(diào)節(jié)精度為I度，轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋副，能夠?qū)⑷肷涔庖跃_角度入射到長(zhǎng)光程多次反射池8內(nèi)，保證反射池內(nèi)光束傳輸次數(shù)和出射光斑質(zhì)量。
[0037]長(zhǎng)光程多次反射池8用于延長(zhǎng)激光通過(guò)被測(cè)氣體路徑，反射池內(nèi)光束經(jīng)過(guò)多次來(lái)回反射極大地增強(qiáng)了吸收光程長(zhǎng)度，出射端面的透射光束包含被測(cè)氣體吸收信號(hào)，經(jīng)過(guò)4*1光纖耦合器10到達(dá)光電探測(cè)器3。
[0038]探測(cè)器3將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入濾波放大器4，將其放大的信號(hào)分為五路并行輸出，其中四路分別輸入鎖相放大器6中的四組鎖相，用于解調(diào)吸多組分收信號(hào)的二次諧波；另一路經(jīng)過(guò)低通濾波后輸出三角波信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)7，用于整個(gè)系統(tǒng)的光強(qiáng)修正。
[0039]鎖相放大器6由四組鎖相放大器組成，分別用于四種指標(biāo)氣體的解調(diào)，其輸入?yún)⒖夹盘?hào)與調(diào)制信號(hào)一致，即用于CO解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為5KHZ，用于CO2解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為1KHz,用于C2H2解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為15KHz通過(guò)解調(diào)放大，用于C2H4解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為20KHz，其輸出的二次諧波信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)7，用于反演指標(biāo)氣體濃度。
[0040]信號(hào)發(fā)生器5由四組信號(hào)發(fā)生器組成，用來(lái)產(chǎn)生低頻掃描信號(hào)和高頻調(diào)制信號(hào)。四組信號(hào)發(fā)生器輸出30Hz鋸齒波掃描信號(hào)，分別掃描四只DFB激光器的波長(zhǎng)，使其產(chǎn)生測(cè)量目標(biāo)氣體的吸收譜線；同時(shí)，四組信號(hào)發(fā)生器分別輸出5ΚΗζ，ΙΟΚΗζ, 15KHz和20KHz的高頻正弦信號(hào)用于調(diào)制測(cè)量C0、C02、C2H2、C2H4氣體的激光器。每種高頻調(diào)制信號(hào)分別引入所述鎖相放大器6中的四組鎖相放大器，作為參考信號(hào)對(duì)相應(yīng)的調(diào)制信號(hào)解調(diào)。
[0041]信號(hào)處理系統(tǒng)7由多通道采集A/D和工控機(jī)組成，采集A/D用于接收所述鎖相放大器6輸出的多組分二次諧波信號(hào)和放大濾波器4輸出的低頻信號(hào)，分辨率為14bits，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入工控機(jī)程序，其主要用于以下幾個(gè)方面的操作:(I)通過(guò)激光控制器2調(diào)節(jié)激光器I溫度和注入電流，控制激光器I的輸出波長(zhǎng)和功率；(2)接收濾波放大器4的反饋信號(hào)，判斷激光器I輸出光功率在整個(gè)光路上的傳輸穩(wěn)定性，對(duì)濃度反演結(jié)果進(jìn)行光強(qiáng)修正；(3)將通過(guò)采集A/D接收到的多通道二次諧波信號(hào)首先做小波變換去噪處理，然后利用鋸齒波幅值修正光強(qiáng)，接著用最小二乘法擬合標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)反演濃度，最后利用Kalman濾波處理濃度數(shù)據(jù)已去除奇異波動(dòng)值。另外，計(jì)算所測(cè)二次諧波的峰值位置，與標(biāo)準(zhǔn)諧波信號(hào)分支位置相比對(duì)，以此計(jì)算激光器波長(zhǎng)漂移，通過(guò)激光器溫度串口控制命令在線修正，完成波長(zhǎng)鎖定。
[0042]所述激光器I產(chǎn)生波長(zhǎng)位于氣體吸收的基頻帶，調(diào)諧范圍為lnm，線寬可以達(dá)到1^-1O-8Cm-1數(shù)量級(jí)，用這樣的窄線寬光源就可獲得分子的一些譜線中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提高測(cè)量分辨率，避免其他干擾氣體的影響。
[0043]所述長(zhǎng)光程多次反射池8由膜層反射率>99%的鏡片組成(如圖2所示)。圖2為本發(fā)明中所用長(zhǎng)光程多次反射池8結(jié)構(gòu)示意圖，其中三個(gè)球面鏡鏡片11、12、22組成穩(wěn)定諧振腔，腔體基長(zhǎng)為L(zhǎng)，鏡片11、鏡片12和鏡片22皆為平凹球面鏡，曲率半徑皆為R，與腔體長(zhǎng)度L的關(guān)系滿(mǎn)足穩(wěn)定光學(xué)諧振腔條件，即0〈(1-L/R)2〈1 ;鏡片21和鏡片22單面高度拋光，反射面鍍有反射率>99%的介質(zhì)膜，膜層反射波長(zhǎng)帶寬±150nm。反射池基長(zhǎng)在保證光程長(zhǎng)度最大的同時(shí)保證傳輸光斑大小和質(zhì)量(如圖3所示)，圖3是新型多次反射池典型的光斑分布形式，由入射角和光軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度決定，呈螺旋狀分布，極大地增加測(cè)量氣體的吸收光程長(zhǎng)度，提高檢測(cè)氣體的靈敏度；反射池側(cè)面由冶金粉末密封(如圖4所示)；圖4是電鏡掃描下的冶金粉末顆粒，其顆粒直徑為lOum，顆粒間隙lOOum，用于防塵防水透氣。
[0044]所述防爆機(jī)箱12用于集成DFB激光器1，激光控制器2，探測(cè)器3，濾波放大器4，信號(hào)發(fā)生器5,鎖相放大器6,信號(hào)處理系統(tǒng)7。
【權(quán)利要求】
1.一種煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于由長(zhǎng)光程多次反射池、多光纖準(zhǔn)直器、4*1光纖耦合器、鎧裝光纖和多頻調(diào)制裝置組成，其中多頻調(diào)制裝置包括以分布式反饋(DFB)激光器1、激光控制器、探測(cè)器、濾波放大器、信號(hào)發(fā)生器、鎖相放大器和信號(hào)處理系統(tǒng)； 所述DFB激光器為可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器，由四種CO、CO2、C2H2、C2H4氣體的DFB激光器構(gòu)成，包括用于測(cè)CO氣體的中心波長(zhǎng)1567nm的DFB激光器，用于測(cè)CO2氣體的中心波長(zhǎng)1436nm的DFB激光器，用于測(cè)C2H4氣體的中心波長(zhǎng)1626nm的DFB激光器，以及用于測(cè)C2H2氣體的中心波長(zhǎng)1538nm的DFB激光器，四種DFB激光器出射的激光經(jīng)過(guò)4*1合束器耦合輸出，與鎧裝雙光纖的輸入芯線熔接； 所述激光控制器由四組溫度控制器和四組電流控制器組成，分別用于控制激光器中的四種DFB激光器的輸出功率和波長(zhǎng)，注入電流改變功率，同時(shí)小范圍改變波長(zhǎng)，通過(guò)精確溫度控制鎖定波長(zhǎng)，使四種激光器輸出中心波長(zhǎng)位于所測(cè)指標(biāo)氣體的吸收線上； 所述鎧裝光纖為雙芯光纖，用于傳輸由體激光器發(fā)出的激光束通過(guò)光纖準(zhǔn)直器進(jìn)入長(zhǎng)光程多次反射池內(nèi)，同時(shí)將長(zhǎng)光程多次反射池8的出射光通過(guò)、4*1光纖耦合器耦合進(jìn)鎧裝光纖傳輸至探測(cè)器； 所述光纖準(zhǔn)直器能夠精細(xì)調(diào)節(jié)達(dá)到鏡面上的光束角度，調(diào)節(jié)精度為I度，轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋副，能夠?qū)⑷肷涔庖跃_角度入射到長(zhǎng)光程多次反射池8內(nèi)，保證反射池內(nèi)光束傳輸次數(shù)和出射光斑質(zhì)量； 所述長(zhǎng)光程多次反射池用于延長(zhǎng)激光通過(guò)被測(cè)氣體路徑，反射池內(nèi)光束經(jīng)過(guò)多次來(lái)回反射極大地增強(qiáng)了吸收光程長(zhǎng)度，出射端面的透射光束包含被測(cè)氣體吸收信號(hào)，經(jīng)過(guò)、4*1光纖耦合器和鎧裝光纖到達(dá)光電探測(cè)器； 所述探測(cè)器將光電信號(hào)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入濾波放大器，并將放大的信號(hào)分為五路并行輸出，其中四路分別輸入鎖相放大器中的四組鎖相，用于解調(diào)吸多組分收信號(hào)的二次諧波；另一路經(jīng)過(guò)低通濾波后輸出三角波信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)，用于整個(gè)系統(tǒng)的光強(qiáng)修正； 所述鎖相放大器6由四組鎖相放大器組成，分別用于四種指標(biāo)氣體的解調(diào)，其輸入?yún)⒖夹盘?hào)與調(diào)制信號(hào)一致，即用于CO解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為5KHz，用于CO2解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為1KHz,用于C2H2解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為15KHz通過(guò)解調(diào)放大，用于C2H4解調(diào)的鎖相放大器的輸入?yún)⒖夹盘?hào)為20KHz，其輸出的二次諧波信號(hào)進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)7，用于反演指標(biāo)氣體濃度； 所述信號(hào)發(fā)生器由四組信號(hào)發(fā)生器組成，用來(lái)產(chǎn)生低頻掃描信號(hào)和高頻調(diào)制信號(hào)；四組信號(hào)發(fā)生器輸出30Hz鋸齒波掃描信號(hào)，分別掃描四只DFB激光器的波長(zhǎng)，使其產(chǎn)生測(cè)量目標(biāo)氣體的吸收譜線；同時(shí)，四組信號(hào)發(fā)生器分別輸出5ΚΗζ，ΙΟΚΗζ, 15KHz和20KHz的高頻正弦信號(hào)用于調(diào)制測(cè)量CO、CO2, C2H2, C2H4氣體的激光器；每種高頻調(diào)制信號(hào)分別引入所述鎖相放大器中的四組鎖相放大器，作為參考信號(hào)對(duì)相應(yīng)的調(diào)制信號(hào)解調(diào)； 所述信號(hào)處理系統(tǒng)由多通道采集A/D和工控機(jī)組成，采集A/D用于接收所述鎖相放大器輸出的多組分二次諧波信號(hào)和放大濾波器4輸出的低頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入工控機(jī)，工控機(jī)用于以下幾個(gè)方面的操作:(I)通過(guò)激光控制器調(diào)節(jié)激光器I溫度和注入電流，控制DFB激光器的輸出波長(zhǎng)和功率；(2)接收濾波放大器的反饋信號(hào)，判斷DFB激光器輸出光功率在整個(gè)光路上的傳輸穩(wěn)定性，對(duì)濃度反演結(jié)果進(jìn)行光強(qiáng)修正；(3)將通過(guò)采集A/D接收到的多通道二次諧波信號(hào)首先做小波變換去噪處理，然后利用鋸齒波幅值修正光強(qiáng)，接著用最小二乘法擬合標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)反演濃度，最后利用Kalman濾波處理濃度數(shù)據(jù)已去除奇異波動(dòng)值；另外，計(jì)算所測(cè)二次諧波的峰值位置，與標(biāo)準(zhǔn)諧波信號(hào)分支位置相比對(duì)，以此計(jì)算DFB激光器波長(zhǎng)漂移，通過(guò)激光器溫度串口控制命令在線修正，完成波長(zhǎng)鎖定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:所述DFB激光器，激光控制器，探測(cè)器，濾波放大器，信號(hào)發(fā)生器，鎖相放大器，信號(hào)處理系統(tǒng)均集成于防爆機(jī)箱內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:所述長(zhǎng)光程多次反射池為由三個(gè)球面鏡組成穩(wěn)定諧振腔，長(zhǎng)光程多次反射池的基長(zhǎng)217mm,鏡面直徑60mm，鏡面鍍有532nm和1550nm的高反介質(zhì)膜，膜層帶寬土 150nm，反射率大于99%,長(zhǎng)光程多次反射池體積0.5L ;用532nm的尾纖激光器調(diào)節(jié)反射池內(nèi)的光斑分布，通過(guò)端面準(zhǔn)直器改調(diào)節(jié)入射角度，使光斑均勻分布，同時(shí)調(diào)節(jié)螺紋副來(lái)改變光程長(zhǎng)度，光程從8.8米至88米可調(diào)，另外用冶金粉末罩密封光路，具有防水防塵透氣性，小容積長(zhǎng)光程，有效減小系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，增強(qiáng)探測(cè)靈敏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:所述DFB激光器調(diào)諧范圍為lnm，線寬達(dá)到Κ^-ΙΟΛπΓ1數(shù)量級(jí)，用這樣的窄線寬光源就可獲得分子的一些譜線中的精細(xì)結(jié)構(gòu)，提高測(cè)量分辨率，避免其他干擾氣體的影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:所述探測(cè)器為銦鎵砷探測(cè)器。
6.一種煤炭自燃指標(biāo)氣體多組分實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法，其特征在于實(shí)現(xiàn)步驟如下: (1)以分布式反饋激光器(DFB)作為光源，結(jié)構(gòu)為尾纖輸出的蝶形封裝，輸出功率大于lOmw，調(diào)諧范圍±lnm，激光線寬2MHz，中心波長(zhǎng)分別為1，2，3，4共四種，通過(guò)激光控制器調(diào)節(jié)電流和溫度以改變輸出波長(zhǎng)和功率，將四種DFB激光器中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)到CO、CO2、C2H2X2H4氣體吸收波段，即已知的HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)的吸收譜線位置；四組信號(hào)發(fā)生器輸出30Hz鋸齒波掃描信號(hào)，分別掃描四只DFB激光器的波長(zhǎng)，同時(shí)，四組信號(hào)發(fā)生器分別輸出5KHz, 1KHz,15KHz和20KHz的高頻正弦信號(hào)用于調(diào)制測(cè)量CO、CO2、C2H2、C2H4氣體的激光器；然后將調(diào)制掃描的四束激光器經(jīng)過(guò)光纖合束器與鎧裝雙光纖連接，經(jīng)過(guò)數(shù)公里的傳輸至長(zhǎng)光程多次反射池； (2)通過(guò)532nm的激光器調(diào)節(jié)多次反射池光路，光程長(zhǎng)度為88米，其入射端接收鎧裝光纖傳輸來(lái)的四種激光調(diào)制信號(hào)，反射池內(nèi)含有通過(guò)冶金粉末罩子滲透進(jìn)來(lái)的氣體，光束經(jīng)過(guò)多次反射吸收后經(jīng)過(guò)光纖耦合器輸入鎧裝光纖的另一纖芯，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸?shù)竭_(dá)銦鎵砷探測(cè)器；然后由放大濾波電路將含有四中調(diào)制頻率的吸收信號(hào)放大后并行輸入四個(gè)鎖相放大器，鎖相放大器用于解調(diào)的參考信號(hào)分別是相應(yīng)波長(zhǎng)的調(diào)制信號(hào)，解調(diào)出的二次諧波信號(hào)分別用于CO、CO2, C2H2, C2H4氣體濃度的反演；另外經(jīng)過(guò)放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)電路低通濾波器，將高頻調(diào)制信號(hào)去除，保留低頻掃描信號(hào)，該信號(hào)幅值用于消除光強(qiáng)波動(dòng)影響； (3)四路解調(diào)后的二次諧波信號(hào)和經(jīng)過(guò)放大濾波后的掃描信號(hào)由采集卡模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)輸出多通道信號(hào)小波變換去噪處理、光強(qiáng)修正、最小二乘擬合標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)反演濃度、Kalman濾波處理以及激光器波長(zhǎng)漂移修正、激光器溫度串口控制命令； (4)指標(biāo)氣體濃度的反演過(guò)程為:鎖相放大器將對(duì)應(yīng)調(diào)制頻率的吸收信號(hào)解調(diào)出二次諧波信號(hào)，與事先標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)濃度二次諧波信號(hào)做最小二乘擬合，通過(guò)擬合系數(shù)乘以標(biāo)準(zhǔn)濃度值反演出監(jiān)測(cè)空間的指標(biāo)氣體； (5)四種氣體的監(jiān)測(cè)共用一個(gè)長(zhǎng)光程多次反射池和探測(cè)器，利用鎖相放大器的解調(diào)屬性，以及四種氣體近紅外吸收譜帶間隔較窄的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)煤炭自燃同一空間指標(biāo)氣體多組分遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
【文檔編號(hào)】G01N21/39GK104237161SQ201410545356
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】夏滑, 吳邊, 張志榮, 龐濤, 孫鵬帥, 韓犖, 崔小娟, 董鳳忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院