專利名稱：礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀的制作方法
礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀技術(shù)領(lǐng)域 一本發(fā)明屬于礦井瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測技術(shù)，具體而言是應(yīng)用于礦井的瓦其i 遠 程光纖激光檢測儀。
背景技術(shù)：
由于煤炭是我國最主要的一次能源，煤炭的安全生產(chǎn)直接影響著國計民 生的大事，甲垸爆炸歷來都是煤礦的重要災(zāi)害之一，所以近幾年來一直深受國家和社會關(guān)注。光纖氣體傳感器是80年代前后出現(xiàn)的一種新型傳感器， 光纖瓦斯氣體傳感器的研究與應(yīng)用國內(nèi)外都有出現(xiàn)，許多方法都得到了實驗 應(yīng)用。目前，基于光纖光譜吸收技術(shù)的瓦斯檢測主要有寬帶光源窄帶濾波法、 諧波法、熒光法等。但是這些方法依然存在一些不足之處，制約了傳感器的 實際應(yīng)用。在光纖甲烷氣體檢測系統(tǒng)的研究這篇文獻中提出的系統(tǒng)框圖如圖1所示通過中心波長不同的R與F2兩個濾光片實現(xiàn)了光源功率的波動消除。但是這種方法有個缺點就是Fi與F2的差異性，也會造成溫度對其產(chǎn)生的影響 不能完全消除；濾光片帶寬往往比氣體吸收線寬很多倍，往往一個濾光片帶 寬內(nèi)覆蓋幾種氣體的吸收峰，因此易產(chǎn)生幾種氣體交叉干擾現(xiàn)象；另外這種 方案中，參考氣室與測量氣室不可能有同步的污染和損耗變化，因此測量結(jié) 果不準確。二次諧波法基本原理是將信號分離，有甲烷與無甲烷氣體通入時的信號 如圖2所示，從信號中分離出一次諧波分量可以看作是參考信號，二次諧波 分量為氣體吸收信號，二者相對變化值便代表了甲烷氣體濃度情況。這種方 案檢測精度高，往往配合鎖相放大器等技術(shù)使用能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的氣體檢 測，但是存在一個缺點是穩(wěn)定性差，電子電路的溫度特性等容易造成結(jié)果的 溫度漂移，激光光源中心波長的溫度特性也會導(dǎo)致不能完全解決溫度漂移問 題，因次無法做成實際可用的可靠儀器來使用。熒光光源法使用泵浦TnT3+摻雜光纖產(chǎn)生的光來作為檢測氣體的光源，由于其光源本身不穩(wěn)定，因此很難做成一個長期穩(wěn)定監(jiān)測的瓦斯監(jiān)測儀 器。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種消除溫度影響，長期穩(wěn)定并 且具有自參考功能的礦用瓦斯光纖遠程檢測儀。本方案是通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)的它包括光源及與之連接的第一耦 合器和第二耦合器，第一耦合器通過第二光纖與第二耦合器串接，第一耦合器通過第四光纖與參考氣室連接，從所述參考氣室射出的光通過第五光纖與 第三光電探測器連接，第二耦合器一路經(jīng)第三光纖與瓦斯傳感器探頭連接， 另一路經(jīng)第六光纖與第一光電探測器連接，從瓦斯傳感器探頭返回的光經(jīng)第 三光纖和第二耦合器后經(jīng)第七光纖與第二光電探測器連接，第一光電探測 器、第二光電探測器和第三光電探測器與數(shù)據(jù)采集卡電連接，并將電信號送 至計算機。這種設(shè)計不僅使用參考消除了光路傳輸?shù)扔绊懀€通過連續(xù)掃描和自身 參考解決了己有檢測方法中存在的溫度漂移和零點漂移問題，提高了系統(tǒng)受 光路損耗和電路漂移影響的抗干擾能力。本方案的具體特點還有，所述光源為分布反饋式半導(dǎo)體激光器，所述光 源驅(qū)動電路為鋸齒波光源驅(qū)動電路。分布反饋式半導(dǎo)體激光器為中心波長L6um分布反饋式半導(dǎo)體激光器。選取瓦斯在1.6um波長附近的一條氣體吸 收峰，使用激光進行掃描來檢測瓦斯氣體濃度。所述數(shù)據(jù)采集卡為USB接口多路數(shù)據(jù)采集卡。計算機通過所述數(shù)據(jù)采 集卡將信號采集至計算機進行分析，數(shù)據(jù)采集卡通過USB接口連接計算機。在所述第三光纖與至少一個瓦斯探頭之間設(shè)置有光開關(guān)，通過數(shù)據(jù)采集 卡輸出信號控制光開關(guān)選擇光通道來實現(xiàn)多路檢測。所述瓦斯傳感器探頭由單端反射式準直器及防塵防潮以及金屬保護外 殼構(gòu)成。所述單端反射式準直器包括在固定支架一端的光纖準直器，及另一 端與之對應(yīng)設(shè)置反射鏡。本方案的有益效果可根據(jù)對上述方案的敘述得知1) 采用鋸齒波連續(xù)波長掃描以及自身參考方法解決了溫度對檢測結(jié)果 的影響，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。2) 使用參考氣室來尋找瓦斯氣體吸收峰中心，從而能夠在低濃度下也 能夠?qū)ξ瘴恢脺蚀_定位。3) 單端反射式傳感器探頭，加長了有效吸收長度，便于布線和傳感器 小型化因此本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，實現(xiàn)了技術(shù)目的。


圖1濾光片法光纖瓦斯氣體檢測系統(tǒng)框圖；圖2 二次諧波法通氣前后信號對比圖；圖3礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀系統(tǒng)框圖；圖4為單端反射式準直器結(jié)構(gòu)圖；圖5為單端反射式準直器側(cè)視圖；圖6為不同濃度瓦斯氣體吸收信號圖;圖中1、鋸齒波光源驅(qū)動電路，2、分布反饋激光器，3、第一耦合器， 4、第二光纖，5、第二耦合器，6、第三光纖，7、光開關(guān)，8、礦用光纜，9、 瓦斯傳感器探頭，10、第四光纖，11、參考氣室，12、第三光電探測器，13、 第七光纖，14、第二光電探測器，15、第六光纖，16、第一光電探測器，17、 數(shù)據(jù)采集卡，18、計算機，19、光纖準直透鏡，20、固定底座，21、反射鏡。
具體實施方式
礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀原理圖如圖3，它包括分布反饋式半導(dǎo)體 激光器2、耦合器、光開關(guān)7、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡17、計算機18等。 分布反饋式半導(dǎo)體激光器2與第一耦合器3相連，第一耦合器3通過第二光 纖4與第二耦合器5連接，第一耦合器3通過第四光纖10與參考氣室11連 接，從參考氣室11射出的光通過第五光纖19與第三光電探測器12連接， 第二耦合器2 —路經(jīng)第三光纖6經(jīng)過光開關(guān)7與礦用光纜8、瓦斯傳感器探 頭9連接，另一路經(jīng)第六光纖15與第一光電探測器(16)連接，從瓦斯傳 感器探頭9返回的光經(jīng)光開關(guān)7、第三光纖6和第二耦合器5后經(jīng)第七光纖 13與第二光電探測器14連接，第一光電探測器16、第二光電探測器14和 第三光電探測器12輸出的電信號與數(shù)據(jù)采集卡17連接，并將信號送至計算 機18分析處理顯示，數(shù)據(jù)采集卡17輸出信號控制光開關(guān)7選擇光通道實現(xiàn) 多路檢測。從分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB)發(fā)出的光通過氣體滿足Lambert定律I二I^exp (—a (A)LC ) (1) 式中I。、 I為吸收前和吸收后光強度， a為被測氣體吸收系數(shù)， L為被測氣體吸收腔長度， C為被測氣體濃度， K為損耗系數(shù)，DFB分布反饋式激光器溫度恒定下所發(fā)出的光與其驅(qū)動電流大小近似成 線性關(guān)系，因此在鋸齒波電路的驅(qū)動下發(fā)出的光類似于可調(diào)激光器，掃描頻 率與驅(qū)動電路鋸齒波頻率相同，本系統(tǒng)使用掃描頻率為14Hz。整個掃描周期掃過一條瓦斯氣體吸收線，在吸收峰波長入x吸收最強處) 的信號表示為I產(chǎn)Io糸exp (-a (、)LC ) (2)在瓦斯無氣體吸收波長A 2處信號表示為I2=I0*exp (-a ( A2)LC ) (3) 由于本系統(tǒng)中采用了功率的歸一化，從而使得I。 (、) 二 I。(入2) 由公式2、公式3可得[a (A)-a "2)]*LI0"2) I 1 n I "2)1[InI (A)i a，)i u2)-i (a) i (義，)因此得出氣體濃度公式<formula>formula see original document page 6</formula>由于["(A)-" "PPL是確定值，因此只需要知道1 (,)( )("即可得到氣 體濃度。從公式6可以看出，信號傳輸過程中的損耗等影^將被抵消，另外由于此系統(tǒng)中q)、 up處所對應(yīng)的瓦斯吸收信號和參考信號都是來自同一光源信號，完全來自同一光路路徑，因此同步性非常好，這也正是解決溫度 對檢測穩(wěn)定性影響的關(guān)鍵所在。本系統(tǒng)框圖如圖3所示，光源發(fā)出的光經(jīng)過第一耦合器3，分出一束光 透過參考氣室11被第三光電探測器12探測到，參考氣室11內(nèi)部充滿高濃 度瓦斯氣體，主要目的是在被測氣體濃度不高的情況下也能夠準確地定位瓦 斯吸收峰中心位置；另外一束光進入第二耦合器5，第二耦合器5分出的光，一束通過光開關(guān)7和一段較長光纜8進入放置于煤礦井下的瓦斯傳感器探頭 9，實現(xiàn)遠程檢測；另外一束光被第一光電探測器16探測到，直接被用作參 比消除鋸齒波掃描帶來的功率變化。瓦斯傳感器探頭9使用單端反射式準直 器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示，激光進入瓦斯傳感器探頭9，被末端反射鏡21 反射原路返回，中間兩次被被測氣體充分吸收。返回的光攜帶氣體吸收信息 原路返回至第二耦合器5被第二光電探測器14探測到。計算機18通過A/D 數(shù)據(jù)采集卡17采集到三個輸出信號相除消除鋸齒波影響之后的信號如圖5 所示(分別對應(yīng)三種不同瓦斯?jié)舛?，在第三光電探測器12幫助定位吸收峰 位置之后，找出吸收峰與無吸收波長處的相對比例，便能夠得到瓦斯?jié)舛取?計算機還通過A/D數(shù)據(jù)采集卡17控制光開關(guān)7進行各路信號的切換，從而 非常容易地實現(xiàn)了多點探測。本發(fā)明為礦用光纖激光瓦斯氣體遠程檢測儀，其中光源選擇使用中心波 長為1.6um的分布反饋式半導(dǎo)體激光器(DFB)、耦合器為通訊用1.5um普 通光纖耦合器、光纜為通訊常用波長礦用光纜、光電探測器(PD)、光開關(guān) (1X8)、數(shù)據(jù)采集卡(A/D)為采樣頻率10KHzUSB接口數(shù)據(jù)采集卡。實 驗中，首先對探頭用幾種不同濃度標準瓦斯氣體進行標定并把標定結(jié)果寫入 程序中，然后對其通入不同濃度的瓦斯氣體進行測試，測試結(jié)果與理想值基 本吻合。本發(fā)明的高性能瓦斯傳感器，該光纖瓦斯傳感器在煤礦開采以及其 他瓦斯監(jiān)測領(lǐng)域具有很強的應(yīng)用前景。權(quán)利要求
1. 一種礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀，它包括光源及與之連接的第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器通過第二光纖與第二耦合器串接，第一耦合器通過第四光纖與參考氣室連接，從所述參考氣室射出的光通過第五光纖與第三光電探測器連接，第二耦合器一路經(jīng)第三光纖與瓦斯傳感器探頭連接，另一路經(jīng)第六光纖與第一光電探測器連接，從瓦斯傳感器探頭返回的光經(jīng)第三光纖和第二耦合器后經(jīng)第七光纖與第二光電探測器連接，第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器與數(shù)據(jù)采集卡電連接，并將電信號送至計算機。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀，其特征是所 述光源包括分布反饋式半導(dǎo)體激光器和光源驅(qū)動電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀，其特征是分 布反饋式半導(dǎo)體激光器為中心波長1.6um分布反饋式半導(dǎo)體激光器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀，其特征 是所述光源驅(qū)動電路為鋸齒波光源驅(qū)動電路。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀，其特征是計 算機通過所述數(shù)據(jù)采集卡將信號采集至計算機進行分析，數(shù)據(jù)采集卡通過 USB接口連接計算機。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀，其特征是在 所述第三光纖與至少一個瓦斯傳感器探頭之間設(shè)置有光開關(guān)，計算機通過數(shù) 據(jù)采集卡對光開關(guān)進行控制。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀，其特征是所 述瓦斯傳感器探頭由單端反射式準直器和金屬保護外殼構(gòu)成。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀，其特征是所 述單端反射式準直器包括在固定支架左端設(shè)置光纖準直器，右端與之對應(yīng)設(shè) 置反射鏡。
全文摘要
一種礦用瓦斯遠程光纖激光檢測儀，它包括光源及與之連接的第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器通過第二光纖與第二耦合器串接，第一耦合器通過第四光纖與參考氣室連接，從所述參考氣室射出的光通過第五光纖與第三光電探測器連接，第二耦合器一路經(jīng)第三光纖與瓦斯傳感器探頭連接，另一路經(jīng)第六光纖與第一光電探測器連接，從瓦斯傳感器探頭返回的光經(jīng)第三光纖和第二耦合器后經(jīng)第七光纖與第二光電探測器連接，第一光電探測器、第二光電探測器和第三光電探測器與數(shù)據(jù)采集卡電連接，并將電信號送至計算機。本發(fā)明主要用于煤礦瓦斯檢測。
文檔編號G01N21/39GK101251482SQ20081001561
公開日2008年8月27日 申請日期2008年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
發(fā)明者倪家升, 劉統(tǒng)玉, 李艷芳, 黔 王, 趙燕杰 申請人:山東省科學院激光研究所