一種分布式氣體傳感系統(tǒng)及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體傳感器領(lǐng)域，涉及一種分布式氣體傳感系統(tǒng)及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉(zhuǎn)換成可以被人員、儀器儀表、計算機(jī)等利用的信息的裝置。其中，基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的氣體傳感器是現(xiàn)有的一種測量氣體濃度的裝置，該氣體傳感器通過測量激光透過氣體后光譜的變化情況來測量該氣體的濃度，具有檢測精度高、準(zhǔn)確度高、響應(yīng)速度快、本質(zhì)安全、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。
[0003]可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜(tunabled1de laser absorpt1n spectroscopy,TDLAS)技術(shù)利用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器窄線寬和波長可調(diào)諧特性檢測氣體的單根分子吸收譜線，它與波長調(diào)制技術(shù)及二次諧波檢測技術(shù)相結(jié)合，是一種高靈敏度、高選擇性、高可靠性、快速在線、受環(huán)境干擾因素較小、非接觸測量的氣體檢測技術(shù)，在石油化工、環(huán)境監(jiān)測、冶金、煤炭、燃?xì)夤芫W(wǎng)等領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中的基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)的氣體傳感器利用氣體近紅外吸收光譜技術(shù)，篩選了檢測氣體吸收光譜，采用了 DFB (Distributed Feed Back，分布式反饋)激光器作為光源，PIN光電二極管為接收，采用光電結(jié)構(gòu)的氣室，激光經(jīng)光電二極管空間接收后轉(zhuǎn)化為電信號進(jìn)行信號處理，最終輸出氣體濃度數(shù)據(jù)。
[0005]但該氣體傳感器受光源價格的制約，單點(diǎn)測量成本高，組網(wǎng)難度大，不能滿足區(qū)域性多點(diǎn)測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]鑒于此，本發(fā)明提供了一種分布式氣體傳感系統(tǒng)及其控制方法，目的在于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)氣體濃度測量，降低系統(tǒng)成本。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種分布式氣體傳感系統(tǒng)，包括:激光器、氣體檢測主控板、光環(huán)形器、多路光開關(guān)和至少一個氣體檢測氣室；
[0009]所述氣體檢測主控板用于驅(qū)動所述激光器，以及控制多路光開關(guān)的選通；
[0010]所述光環(huán)形器的第一端口連接所述激光器的輸出端，第二端口連接所述多路光開關(guān)，第三端口連接所述氣體檢測主控板，用于將所述激光器輸出的激光信號傳送給所述多路光開關(guān)，以及將從所述多路光開關(guān)反饋回來的激光信號傳送給所述氣體檢測主控板；
[0011]所述多路光開關(guān)用于選通一路激光信號；以及
[0012]所述至少一個氣體檢測氣室用于吸收光譜并將激光信號反射回所述多路光開關(guān)，且氣體檢測氣室的輸入/輸出端與所述多路光開關(guān)連接；
[0013]所述氣體檢測主控板還用于接收從所述光環(huán)形器的第三端口輸出的激光信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行氣體濃度計算。
[0014]進(jìn)一步地，所述系統(tǒng)還包括顯示器，用于顯示氣體濃度計算結(jié)果，所述顯示器與所述氣體檢測主控板通過串行通信接口連接。
[0015]進(jìn)一步地，所述氣體檢測主控板包括:
[0016]光電二極管，用于將從所述光環(huán)形器的第三端口輸出的激光信號轉(zhuǎn)換成電流信號;
[0017]跨阻放大器，用于將所述電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，其輸入端連接所述光電二極管的輸出端；
[0018]電壓放大器，用于放大所述電壓信號，其輸入端連接所述跨阻放大器的輸出端；
[0019]模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于采樣經(jīng)所述電壓放大器放大后的電壓信號，其輸入端連接所述電壓放大器的輸出端；以及
[0020]控制器，用于計算反射回來的激光信號對應(yīng)氣體的濃度、驅(qū)動激光器和控制多路光開關(guān)的選通，其與所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端連接。
[0021]進(jìn)一步地，所述氣體檢測氣室包括外管和設(shè)置在與所述輸入/輸出端正對的另一端內(nèi)側(cè)的全反鏡，所述外管壁上開有通氣孔。
[0022]進(jìn)一步地，所述外管為銅管或陶瓷管。
[0023]進(jìn)一步地，所述多路光開關(guān)選用1X8通道、I X 16通道或1X32通道。
[0024]另一方面，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種針對上述一方面中任一所述的分布式氣體傳感系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟:
[0025]氣體檢測主控板控制多路光開關(guān)選通一路激光信號；
[0026]氣體檢測主控板驅(qū)動激光器進(jìn)行激光波長調(diào)制掃描；
[0027]氣體檢測主控板接收從所述光環(huán)形器的第三端口輸出的激光信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行氣體濃度計算。
[0028]進(jìn)一步地，所述接收從所述光環(huán)形器的第三端口輸出的激光信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行氣體濃度計算包括:
[0029]光電二極管將從所述光環(huán)形器的第三端口輸出的激光信號轉(zhuǎn)換成電流信號；
[0030]跨阻放大器將所述電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；
[0031]電壓放大器放大所述電壓信號；
[0032]模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣放大后的電壓信號；
[0033]控制器計算選通氣體濃度。
[0034]進(jìn)一步地，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行氣體濃度計算之后還包括:對計算出的氣體濃度進(jìn)行滑動平均濾波。
[0035]進(jìn)一步地，還包括顯示氣體濃度計算結(jié)果。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是:
[0037]本發(fā)明提供的一種分布式氣體傳感系統(tǒng)及其控制方法，在基于激光調(diào)制吸收光譜技術(shù)的氣體傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，在激光器輸出端依次設(shè)置了光環(huán)形器和多路光開關(guān)，通過氣體檢測主控板驅(qū)動激光器以及控制多路光開關(guān)的選通，并接收從氣體檢測氣室反射回來的激光信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行氣體濃度計算，解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能滿足區(qū)域性多點(diǎn)測量的問題和成本高的問題，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)氣體濃度測量，降低了系統(tǒng)成本。
【附圖說明】
[0038]下面將通過參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例，使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更清楚本發(fā)明的上述及其他特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中:
[0039]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的分布式氣體傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0040]圖2為本發(fā)明實(shí)施例二提供的分布式氣體傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖3為本發(fā)明實(shí)施例二提供的分布式氣體傳感系統(tǒng)中的主機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖4為本發(fā)明實(shí)施例三提供的分布式氣體傳感系統(tǒng)的控制方法流程圖；
[0043]圖5為本發(fā)明實(shí)施例三提供的主機(jī)的操作流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，以下將參照本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，通過實(shí)施方式清楚、完整地描述本發(fā)明的技術(shù)方案，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0045]實(shí)施例一
[0046]圖1給出了本發(fā)明實(shí)施例一提供的分布式氣體傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所不，該分布式氣體傳感系統(tǒng)包括:激光器10、氣體檢測主控板11、光環(huán)形器12、多路光開關(guān)13和至少一個氣體檢測氣室14 ；
[0047]其中，氣體檢測主控板11用于驅(qū)動激光器10，以及控制多路光開關(guān)13的選通；
[0048]光環(huán)形器12的第一端口連接激光器10的輸出端，第二端口連接多路光開關(guān)13，第三端口連接氣體檢測主控板11，用于將激光器10輸出的激光信號傳送給多路光開關(guān)13，以及將從多路光開關(guān)13反饋回來的激光信號傳送給氣體檢測主控板11 ;
[0049]多路光開關(guān)13用于選通一路激光信號；以及
[0050]至少一個氣體檢測氣室14用于吸收光譜并將激光信號反射回多路光開關(guān)13，且氣體檢測氣室14的輸入/輸出端與多路光開關(guān)13連接；
[0051]氣體檢測主控板11還用于接收從光環(huán)形器12的第三端口輸出的激光信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行氣體濃度計算。其中，激光光源10可以采用可調(diào)諧光纖激光器，也可以采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器；多路光開關(guān)11可以選用I X 8通道，可以選用I X 16通道，也可以選用I X 32通道，具體根據(jù)輪詢時間及用戶需求測量數(shù)量確定；另外，氣體檢測氣室14分布在不同的位置，以測量不同地點(diǎn)的氣體濃度；氣體檢測主控板11通過串行通信接口驅(qū)動激光器10產(chǎn)生不同波長的激光，同時控制選通多路光開關(guān)13，實(shí)現(xiàn)多路激光的切換，其中串行通信接口可以為RS-232接口。
[0052]本實(shí)施例中，光環(huán)形器12限制激光從光環(huán)形器12的第一端口進(jìn)第二端口出，或者從光環(huán)形器12的第二端口進(jìn)第三端口出，因此，由激光器10輸出的激光通過光環(huán)形器12送到多路光開關(guān)13的輸入端，被氣體檢測氣室14反射回來的激光通過光環(huán)形器12只能傳送到氣體檢測主控板11，以減小反射激光的損失，同時保護(hù)激光器10。
[0053]本發(fā)明實(shí)施例一提供的分布式氣體傳感系統(tǒng)，在基于激光調(diào)制吸收光譜技術(shù)的氣體傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，在激光器輸出端依次設(shè)置了光環(huán)形器和多路光開關(guān)，通過氣體檢測主控板驅(qū)動激光器以及控制多路光開關(guān)的選通，并接收從氣體檢測氣室反射回來的激光信號，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后進(jìn)行氣體濃度計算，解決了現(xiàn)有技術(shù)中不能滿足區(qū)域性多點(diǎn)測量的問題和成本高的問題，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)氣體濃度測量，降低了系統(tǒng)成本。
[0054]實(shí)施例二
[0055]圖2給出了本發(fā)明實(shí)施例二提供的分布式氣體傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，與本發(fā)明實(shí)施例一有所不同的是，該系統(tǒng)還包括:
[0056]顯示器20，用于顯示氣體濃度計算結(jié)果，顯示器20與氣體檢測主控板11通過串行通信接口連接。
[0057]其中，顯示器20可以通過RS-232接口與氣體檢測主控板11相連，氣體檢測主控板11通過相應(yīng)算法計算出氣體濃度，通過顯示器20展示給用戶。
[0058]本實(shí)施例中，氣體檢測氣室14包括外管和設(shè)置在與輸入/輸出端正對的另一端內(nèi)側(cè)的全反鏡，該全反鏡可以將經(jīng)光譜吸收后的激光全部反射回去，外管壁上開有通氣孔，優(yōu)選地，外管壁上均勻開有通氣孔，以使氣體均勻進(jìn)入，使得測量數(shù)據(jù)接近實(shí)際值；該外管可以為銅管，也可以為陶瓷管，優(yōu)選地，本實(shí)施例采用銅管作為氣體檢測氣室14的外管，這是因?yàn)殂~管不易腐蝕，強(qiáng)度大不易變形，能確保激光的直線傳輸，相對于陶瓷管，銅管不易碎m
ο
[0059]另外，本實(shí)施例中的激光光源10采用分布式反饋激光器，其掃描波長范圍為1369nm到1370nm，這是因?yàn)榉植际椒答伡す馄鳟a(chǎn)生的激光的光能量高、波長調(diào)諧范圍寬、波長易于調(diào)節(jié)，能夠準(zhǔn)確地篩選所調(diào)波段中的任一波長。
[0060]需要說明的是，本實(shí)施例中激光光源10輸出的激光波長只要滿足和被測氣體的吸收光譜相一致的條件，可以選擇使用任一激光