一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)及其主的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)及其主機(jī)，包括主機(jī)及分布在各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測探頭，主機(jī)內(nèi)安裝有激光器，激光器的輸出端連接于輸出光開關(guān)的輸入端，輸出光開關(guān)的輸出端通過輸入光纖連接到各對應(yīng)的監(jiān)測探頭，各監(jiān)測探頭通過輸出光纖連接至主機(jī)中設(shè)置的輸入光開關(guān)的對應(yīng)輸入端，輸入光開關(guān)的輸出端與紅外光電探測器相連；該主機(jī)中還設(shè)置有用于控制輸出光開關(guān)和輸入光開關(guān)選通設(shè)定監(jiān)測探頭對應(yīng)光路的控制模塊。本實(shí)用新型的主機(jī)采用光開關(guān)實(shí)現(xiàn)激光的分時復(fù)用，在同等功率激光器的條件下，光纖傳感器可以分布得更遠(yuǎn)；另外，只需要在輸出光開關(guān)之后設(shè)置單一的紅外光電傳感器，降低了成本。
【專利說明】一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)及其主機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)及其主機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]煤礦安全生產(chǎn)過程中的瓦斯氣體防治是重中之重。傳統(tǒng)上使用先抽后采的方法是防范瓦斯氣體事故和提高煤礦安全生產(chǎn)作業(yè)的保障之策。另外，抽采上來的瓦斯有害氣體可以進(jìn)行發(fā)電生產(chǎn)，這將會給煤礦帶來很大經(jīng)濟(jì)利益。
[0003]可是，在瓦斯氣體的抽采過程中，需要對瓦斯氣體濃度進(jìn)行實(shí)時的在線監(jiān)測。現(xiàn)在國內(nèi)許多礦井已經(jīng)建立了甲烷濃度的監(jiān)測系統(tǒng)，基本上都是分支樹型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在煤礦井上設(shè)置控制中心主站，井下現(xiàn)場設(shè)置多個測控分站。分站采集信息并傳送給主站，主站處理信息后發(fā)出相應(yīng)控制命令，由分站接收并執(zhí)行。主站與分站之間信息和命令的傳輸，通過敷設(shè)專用電纜，采用RS485、PSK、FSK等技術(shù)，按各自規(guī)定的專用通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。在分站到傳感器之間的甲烷信息，依靠專用電纜，采用4?20mA或200?1000Hz的模擬信號來傳輸，存在傳感器壽命短、需頻繁調(diào)校、測量范圍小、接入不靈活、實(shí)現(xiàn)跟進(jìn)不方便、無法反映工作面甲烷空間梯度的分布等缺點(diǎn)。
[0004]現(xiàn)有多監(jiān)測點(diǎn)的在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)均在各個監(jiān)測點(diǎn)均布置監(jiān)測儀器或傳感器，測量監(jiān)測點(diǎn)的氣體參數(shù)，分析數(shù)據(jù)并通過通訊電纜將測量數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)主機(jī)或服務(wù)器。這些監(jiān)測儀器或傳感器一般包括:測量敏感元件、信號處理單元、數(shù)據(jù)分析單元、信號變送傳輸單元等，所以普遍存在系統(tǒng)組成復(fù)雜、成本投入過大、故障率高等問題。
[0005]過去十年用于環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)氣體過程控制最成功的技術(shù)是激光光譜檢測技術(shù)，它可以提供相當(dāng)高的檢測精度，與光纖傳感技術(shù)結(jié)合，成為一種分布式激光氣體吸收光譜檢測技術(shù)。這種技術(shù)可以提供氣體的長距離、在線、實(shí)時探測，使得惡劣工程環(huán)境下的應(yīng)用成為可能，在安全監(jiān)測方面以及航天和核工業(yè)領(lǐng)域有著極好的應(yīng)用前景。
[0006]近幾年，隨著光纖傳感技術(shù)和光纖通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用光纖帶寬大、易于成網(wǎng)的特點(diǎn)，組成一個復(fù)用的光纖多點(diǎn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，已成為當(dāng)前世界上最熱的傳感研究領(lǐng)域之一。把光電子技術(shù)和材料領(lǐng)域的最新成果應(yīng)用于甲烷檢測研究，發(fā)展新一代免維護(hù)、抗干擾、高靈敏度的甲烷檢測系統(tǒng)，是目前國際上最新的研究動向。采用光纖復(fù)用技術(shù)，使多個傳感器共用一根傳輸光纖和一個光源可以大大降低整個系統(tǒng)的成本，而且系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化方便了系統(tǒng)的維護(hù)管理，為光纖氣體傳感系統(tǒng)走向?qū)嵱瞄_辟了嶄新的道路。
[0007]可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(簡稱TDLAS技術(shù))就是在上述研究成果基礎(chǔ)上發(fā)展起來的氣體檢測技術(shù)，其原理如下:物質(zhì)對不同頻率的電磁波有不同的吸收，因此吸收譜線可作為識別不同氣體分子的“指紋”，根據(jù)吸收譜線的位置和強(qiáng)度確定分子的成分和濃度。由于多數(shù)有機(jī)和無機(jī)污染成分在可見和紅外波段都具有吸收線，利用這些吸收線可以定量分析各種污染成分。TDLAS技術(shù)以可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器作為光源，具有很高的光譜分辨率和可調(diào)諧性，利用這些特點(diǎn)對待測氣體分子在該光譜范圍內(nèi)的一條振轉(zhuǎn)線的光譜吸收進(jìn)行測量，從而實(shí)現(xiàn)氣體濃度的探測。[0008]中國專利申請?zhí)?00810100549.2公開了一種光纖分布式多點(diǎn)瓦斯實(shí)時監(jiān)測儀及監(jiān)測方法，這種監(jiān)測儀就采用了上述TDLAS技術(shù)，同時，為了監(jiān)測多個監(jiān)測點(diǎn)，采用了光纖分路器對激光進(jìn)行分路傳輸，而且對應(yīng)每個監(jiān)測點(diǎn)的返回光纖，均設(shè)有一個紅外光電探測器，每個紅外光電探測器用于探測對應(yīng)監(jiān)測點(diǎn)返回的光譜信息。該方案由于對激光進(jìn)行了分路處理，其傳輸?shù)木嚯x有所降低，只能實(shí)現(xiàn)短距離的分布點(diǎn)監(jiān)測，并且在返回主機(jī)時在光纖分路器的每個輸入接口都要設(shè)置一個紅外光電探測器，成本較高，控制使用也較為復(fù)雜。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0009]本實(shí)用新型的目的是提供一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測距離短及控制復(fù)雜的問題，同時提供了一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)。
[0010]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)所采用的技術(shù)方案是:一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)，包括主機(jī)及分布在各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測探頭，所述主機(jī)內(nèi)安裝有激光器，所述激光器的輸出端連接于1*N路輸出光開關(guān)的輸入端，1*N路輸出光開關(guān)的N路輸出端通過輸入光纖連接到各對應(yīng)的監(jiān)測探頭，各監(jiān)測探頭通過輸出光纖連接至主機(jī)中設(shè)置的1*N輸入光開關(guān)的N路對應(yīng)輸入端，1*N輸入光開關(guān)的輸出端與紅外光電探測器相連；該主機(jī)中還設(shè)置有用于控制1*N路輸出光開關(guān)和1*N輸入光開關(guān)選通設(shè)定監(jiān)測探頭對應(yīng)光路的控制模塊。
[0011]所述控制模塊通過傳輸光纖與各監(jiān)測探頭內(nèi)設(shè)的本地顯示和報警單元通信連接。
[0012]所述傳輸光纖與控制模塊和監(jiān)測探頭內(nèi)設(shè)的本地顯示和報警單元之間均設(shè)有對應(yīng)的光纖收發(fā)器。
[0013]所述主機(jī)內(nèi)還設(shè)有主顯示模塊和用于與礦用分站通信連接的通信接口。
[0014]所述控制模塊采用FPGA芯片。
[0015]本實(shí)用新型光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)所采用的技術(shù)方案是:一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)，包括內(nèi)設(shè)的激光器，所述激光器的輸出端連接于1*N路輸出光開關(guān)的輸入端，1*N路輸出光開關(guān)的N路輸出端用于通過輸入光纖連接到各對應(yīng)的監(jiān)測探頭，用于從各監(jiān)測探頭輸出的光信號通過輸出光纖連接至主機(jī)中設(shè)置的1*N輸入光開關(guān)的N路對應(yīng)輸入端，1*N輸入光開關(guān)的輸出端與紅外光電探測器相連；該主機(jī)中還設(shè)置有用于控制1*N路輸出光開關(guān)和1*N輸入光開關(guān)選通設(shè)定監(jiān)測探頭對應(yīng)光路的控制模塊。
[0016]所述主機(jī)內(nèi)還設(shè)有主顯示模塊和用于與礦用分站通信連接的通信接口。
[0017]所述控制模塊采用FPGA芯片。
[0018]本實(shí)用新型的主機(jī)根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量不同，利用1*N輸入光開關(guān)分時發(fā)出一路或多路激光至各個采樣氣室，并利用1*N輸出光開關(guān)接收從各個采樣氣室返回的激光，采用光開關(guān)實(shí)現(xiàn)激光的分時復(fù)用，在同等功率激光器的條件下，光纖傳感器可以分布得更遠(yuǎn)；另夕卜，只需要在1*N輸出光開關(guān)之后設(shè)置單一的紅外光電傳感器，降低了成本，并易于擴(kuò)展用于其它氣體的吸收，特別是長波紅外吸收，因?yàn)閱翁綔y器可以采用需要制冷的探測器，如果多探測器，則由于成本和復(fù)雜程度，則很難采用。該監(jiān)測系統(tǒng)可為煤礦井下、礦山、車間作業(yè)場所監(jiān)測多點(diǎn)氣體參數(shù)，成本較低、性能穩(wěn)定可靠，設(shè)計思路新穎、合理，便于現(xiàn)場安裝，使用方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)的拓?fù)鋱D；
[0020]圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖及具體的實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步介紹。
[0022]如圖1所示為本實(shí)用新型光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)的拓?fù)鋱D，該系統(tǒng)包括主機(jī)及用于分布在各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測探頭，該主機(jī)設(shè)置在距離各監(jiān)測點(diǎn)距離較近，且方便安裝、維護(hù)的位置，而監(jiān)測探頭內(nèi)設(shè)有對應(yīng)的氣體采樣裝置(本實(shí)施例的氣體采樣裝置為采樣氣室)，并分布安裝在需要監(jiān)測的地點(diǎn)，被測氣體可自由進(jìn)出采樣氣室；各采樣氣室與主機(jī)之間用光纖連接。
[0023]如圖2所示為光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，主機(jī)內(nèi)安裝有半導(dǎo)體激光器和控制模塊，半導(dǎo)體激光器作為待測氣體的檢測激光光源，利用激光控制電路將激光器輸出中心波長調(diào)諧到待測氣體的吸收線中心，在工作時首先選擇激光器的溫度工作點(diǎn)，把激光器管芯溫度控制在該工作點(diǎn)上，然后給激光施加恒定電流，激光器會發(fā)射出一束光強(qiáng)恒定的被調(diào)制的激光。
[0024]半導(dǎo)體激光器的輸出端連接于1*N路輸出光開關(guān)的輸入端，1*N路輸出光開關(guān)的N路輸出端通過輸入光纖連接到各對應(yīng)的監(jiān)測探頭內(nèi)設(shè)的采樣氣室，各監(jiān)測探頭通過輸出光纖連接至主機(jī)中設(shè)置的1*N輸入光開關(guān)的N路對應(yīng)輸入端，1*N輸入光開關(guān)的輸出端與紅外光電探測器相連；該主機(jī)中還設(shè)置有用于控制1*N路輸出光開關(guān)和1*N輸入光開關(guān)選通設(shè)定監(jiān)測探頭對應(yīng)光路的控制模塊。
[0025]半導(dǎo)體激光器的出射光傳輸?shù)?*N路輸出光開關(guān)的輸入端,從輸出光開關(guān)的各輸出端輸出的N路輸出激光通過輸入光纖傳輸?shù)綄?yīng)的各監(jiān)測探頭內(nèi)設(shè)的采樣氣室中，控制模塊對1*N路輸出光開關(guān)的N通道采用設(shè)定時間的掃描周期進(jìn)行掃描，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)中激光的N路分時檢測。在激光進(jìn)入對應(yīng)的采樣氣室后，激光波長掃過待測氣體吸收線形成信號光，從采樣氣室穿過的經(jīng)待測氣體吸收過的N路返回信號光通過輸出光纖傳輸回主機(jī)中設(shè)置的1*N輸入光開關(guān)的對應(yīng)輸入端，1*N輸入光開關(guān)和1*N路輸出光開關(guān)通道選擇同步，順序?qū)⒏鳈z測光路的返回光信號選通到1*N輸入光開關(guān)的輸出端。從1*N輸入光開關(guān)的輸出端輸出的信號光由一紅外光電探測器接收，轉(zhuǎn)換成電信號及前置放大、濾波，并由鎖相放大器實(shí)現(xiàn)二次諧波檢測(二次諧波幅度與被測氣體的濃度成線性關(guān)系，氣體濃度越高，激光被吸收的程度越大)，采用已知濃度的待測氣體進(jìn)行標(biāo)定，即可實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測點(diǎn)空氣中待測氣體濃度的測量；同時檢測紅外光電探測器輸出信號的一次諧波，通過計算二次諧波與一次諧波的比值，可以消除光源光強(qiáng)起伏的影響。
[0026]本實(shí)用新型采用光開關(guān)，而不是光纖分路器，通過分時復(fù)用的方式:在同一時刻，通過控制兩個光開關(guān)，使兩光開關(guān)同步選通某個監(jiān)測探頭所對應(yīng)的光路，以對該監(jiān)測探頭對應(yīng)的光路信息進(jìn)行檢測分析。該方式不會減弱光強(qiáng)度，所以傳輸距離遠(yuǎn)，在同等功率激光器的條件下，光纖傳感器可以分布得更遠(yuǎn)；另外，只需要在1*N輸出光開關(guān)之后設(shè)置單一的紅外光電傳感器，降低了成本。
[0027]主機(jī)內(nèi)的控制模塊采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠的優(yōu)點(diǎn)，主機(jī)根據(jù)出廠前不同成分氣體的參數(shù)標(biāo)定值，分析各監(jiān)測點(diǎn)取樣氣室中氣體成分參數(shù)，并顯示出來?？刂颇K中安裝有濃度計算軟件，通過對鎖相放大器輸出的激光吸收信號的二次及一次諧波信號進(jìn)行處理，獲得各監(jiān)測點(diǎn)待測氣體濃度信息，由主顯示模塊在主機(jī)處顯示；同時將濃度信息通過傳輸光纖和主機(jī)及監(jiān)測探頭內(nèi)設(shè)的光纖收發(fā)器下傳給對應(yīng)的監(jiān)測探頭內(nèi)設(shè)的本地顯示和報警單元，該本地顯示和報警單元包括超限判別模塊及與其控制連接的聲音報警模塊及本地顯示和光報警模塊，實(shí)現(xiàn)濃度超限的判別和本地聲光報警，符合現(xiàn)場工作人員的工作習(xí)慣，與傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)在使用方法上具有兼容性。
[0028]本實(shí)施例的光纖有三個作用:一是將激光器發(fā)出的窄線寬激光從主機(jī)傳輸至分布式采樣氣室；二是將經(jīng)采樣氣室吸收后的激光傳輸至主機(jī)；三是把主機(jī)測量到的各分布點(diǎn)甲烷濃度信息，以光信號的形式下傳至各分布式監(jiān)測探頭，實(shí)現(xiàn)本地濃度超限判別與聲光報警。采用光纖代替電纜傳輸信號，有利用提高產(chǎn)品的本安性，有效降低成本。
[0029]本實(shí)施例的分布式監(jiān)測探頭采用電池供電，采用小功率的激光器，系統(tǒng)主機(jī)功耗小,主機(jī)由小功率的本安電源模塊I供電即可滿足系統(tǒng)要求。
[0030]主機(jī)具有模擬信號、數(shù)字信號輸出功能，可將各個監(jiān)測點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)通過礦用監(jiān)測分站、環(huán)網(wǎng)交換機(jī)等設(shè)備上傳至遠(yuǎn)端各類監(jiān)控系統(tǒng)。本實(shí)施例的主機(jī)通過一組通信接口與分站實(shí)現(xiàn)信息交換，主機(jī)與礦用監(jiān)測分站采用一個RS485接口、一個RJ45百兆網(wǎng)口及200-1000HZ頻率信號接口相連，實(shí)現(xiàn)主機(jī)與分站之間的信息交換。
[0031]本實(shí)用新型還提供了一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)，其結(jié)構(gòu)如上所述。
[0032]另外，對半導(dǎo)體激光器的激光電流進(jìn)行高頻調(diào)制，可以配合鎖相放大器實(shí)現(xiàn)微弱信號檢測。在激光進(jìn)入采樣氣室后，采用光纖準(zhǔn)直器把半導(dǎo)體激光變成準(zhǔn)直光束，在采樣氣室中折返合適的次數(shù)，達(dá)到合適的光程，然后耦合到輸出光纖中，傳回主機(jī)。
【權(quán)利要求】
1.一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)，包括主機(jī)及分布在各監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測探頭，所述主機(jī)內(nèi)安裝有激光器，其特征在于:所述激光器的輸出端連接于1*N路輸出光開關(guān)的輸入端，1*N路輸出光開關(guān)的N路輸出端通過輸入光纖連接到各對應(yīng)的監(jiān)測探頭，各監(jiān)測探頭通過輸出光纖連接至主機(jī)中設(shè)置的1*N輸入光開關(guān)的N路對應(yīng)輸入端，1*N輸入光開關(guān)的輸出端與紅外光電探測器相連；該主機(jī)中還設(shè)置有用于控制1*N路輸出光開關(guān)和1*N輸入光開關(guān)選通設(shè)定監(jiān)測探頭對應(yīng)光路的控制模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述控制模塊通過傳輸光纖與各監(jiān)測探頭內(nèi)設(shè)的本地顯示和報警單元通信連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于:所述傳輸光纖與控制模塊和監(jiān)測探頭內(nèi)設(shè)的本地顯示和報警單元之間均設(shè)有對應(yīng)的光纖收發(fā)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述主機(jī)內(nèi)還設(shè)有主顯示模塊和用于與礦用分站通信連接的通信接口。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述控制模塊采用FPGA芯片。
6.一種光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)，包括內(nèi)設(shè)的激光器，其特征在于:所述激光器的輸出端連接于1*N路輸出光開關(guān)的輸入端，1*N路輸出光開關(guān)的N路輸出端用于通過輸入光纖連接到各對應(yīng)的監(jiān)測探頭，用于從各監(jiān)測探頭輸出的光信號通過輸出光纖連接至主機(jī)中設(shè)置的1*N輸入光開關(guān)的N路對應(yīng)輸入端，1*N輸入光開關(guān)的輸出端與紅外光電探測器相連；該主機(jī)中還設(shè)置有用于控制1*N路輸出光開關(guān)和1*N輸入光開關(guān)選通設(shè)定監(jiān)測探頭對應(yīng)光路的控制模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)，其特征在于:所述主機(jī)內(nèi)還設(shè)有主顯示模塊和用于與礦用分站通信連接的通信接口。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光纖分布式多點(diǎn)在線氣體監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī),其特征在于:所述控制模塊采用FPGA芯片。
【文檔編號】G01N21/39GK203490168SQ201320550748
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】陳軍, 王凱, 李波, 詹放易, 王鵬飛 申請人:鄭州光力科技股份有限公司