專利名稱：一氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用光學(xué)手段檢測氣體的領(lǐng)域，具體屬于一種利用氣體吸收光譜檢測技術(shù)實現(xiàn)對多種氣體濃度同時測量的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
氣體傳感技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)氣體過程控制和礦山安全等方面具有極其重要的地位，研究安全可靠、靈敏度高的有害氣體傳感技術(shù)具有重大科學(xué)、社會和經(jīng)濟意義。氣體種類和濃度的檢測，按檢測原理可分為光學(xué)式，半導(dǎo)體式，固體電解質(zhì)式，接觸燃燒式，電化學(xué)式等。其中光學(xué)式氣體傳感器具有許多其他傳感器無法比擬的優(yōu)點，如靈敏度高、相應(yīng)速度快、動態(tài)范圍大、防電磁干擾、防燃防爆、不易中毒等。光學(xué)式氣體傳感器根據(jù)檢測原理可分為吸收光譜型，熒光型，光纖化學(xué)材料型等。其中吸收光譜型傳感器具有靈敏度高、使用簡便、可靠性高和壽命長等優(yōu)勢，因而受到廣泛關(guān)注。它是利用不同氣體的吸收光波長不同，采用不同波長的單色光入射，可以測定不同氣體，該波長的光與氣體相互作用后，光強將會減弱，通過測定光功率的衰減，可以確定氣體的濃度。
目前的很多的文獻中都反映出該領(lǐng)域的研究工作，其中文獻“光譜吸收型光纖多氣體傳感系統(tǒng)”(儀器技術(shù)與傳感器，2006，No.2)，針對電力系統(tǒng)變壓器油中故障特征氣體檢測，實現(xiàn)了同時測量乙炔和一氧化碳兩種氣體。它通過光纖光柵和壓電陶瓷(PZT)對寬帶光源LED進行波長調(diào)制，獲得窄帶反射出射光，實現(xiàn)氣體濃度較高靈敏度的測量。
本發(fā)明針對煤礦生產(chǎn)中同時存在的兩種危害性最大的氣體——甲烷和一氧化碳的測量，提出—氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)。
一氧化碳是有毒有害氣體，超量的一氧化碳將對人的生命安全造成嚴(yán)重威脅。在煤層開采過程中經(jīng)常會發(fā)生一氧化碳超限的現(xiàn)象，除爆破和爆炸產(chǎn)生的一氧化碳外，通常認(rèn)為一氧化碳來源于煤層發(fā)生了自然發(fā)火或其他火災(zāi)，以及煤層本身賦存的一氧化碳。在常溫30℃條件下，煤炭即可釋放出一氧化碳?xì)怏w；當(dāng)溫度達到70～100℃時，氧化速度加劇，一氧化碳釋放量急劇增加，氧化速率迅速上升。此外，煤礦中煤層自燃，一方面產(chǎn)生大量的一氧化碳?xì)怏w，危害礦工生命安全；另一方面，煤層自燃產(chǎn)生的明火，若遇瓦斯超標(biāo)，還會引發(fā)瓦斯爆炸事故。相關(guān)的研究表明，一氧化碳的濃度常作為判斷煤層自然發(fā)火是否存在的重要依據(jù)。所以，采用有效可靠的手段測量一氧化碳濃度可以避免相關(guān)事故的發(fā)生。
瓦斯同樣是煤炭開采的伴生物，其主要成分是甲烷(甲烷)，約占83％-89％，人們通常認(rèn)為甲烷就是煤礦瓦斯。瓦斯為煤礦災(zāi)害之首，對煤礦安全生產(chǎn)威脅最大。因此，有必要對一氧化碳和甲烷等有害氣體進行同時測量。然而，井下現(xiàn)有的對有害氣體檢測的手段還比較落后。首先，井下現(xiàn)有的氣體檢測是利用一氧化碳傳感器和甲烷傳感器分別測量，沒有實現(xiàn)多種氣體一體化傳感與測量，需安裝傳感器和線纜較多，不利于調(diào)整、調(diào)試；其次，現(xiàn)用的傳感器多為催化燃燒式或電化學(xué)式傳感原理，壽命短、精度低、穩(wěn)定性差、調(diào)校困難，經(jīng)常存在誤測誤報現(xiàn)象。對煤礦有害氣體濃度的誤測和誤報，會向人們傳遞致命的錯誤信息，對礦井和人員安全構(gòu)成了極大威脅。因此，對礦井有害氣體濃度的實時、準(zhǔn)確檢測及超限報警斷電，是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能，也是現(xiàn)代化礦井的重要安全保障，具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用可調(diào)諧DFB激光器，將波長選擇調(diào)制技術(shù)和調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)技術(shù)的二次諧波檢測相結(jié)合，實現(xiàn)對一氧化碳和甲烷氣體濃度的同時測量。
本發(fā)明的目的按下述方案實現(xiàn)一氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)主要包括第一個DFB激光源、第二個DFB激光源、第一個波形發(fā)生器、第二個波形發(fā)生器、第一個波長選擇與調(diào)制器、第二個波長選擇與調(diào)制器、光纖耦合器、傳感探頭、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊和微處理器。連接方式如下第一個波形發(fā)生器產(chǎn)生100KHz的連續(xù)正弦波；作用于第一個波長選擇與調(diào)制器；第一個波長選擇與調(diào)制器控制第一個DFB激光源的光譜調(diào)制范圍，通過一定偏值電壓的100Hz的三角波調(diào)節(jié)在一氧化碳的吸收譜附近；同理，第二個波形發(fā)生器產(chǎn)生30KHz的連續(xù)正弦波，作用于第二個波長選擇與調(diào)制器；第二個波長選擇與調(diào)制器控制第二個DFB激光源的光譜調(diào)制范圍，通過一定偏值電壓的100Hz的三角波調(diào)節(jié)在甲烷的吸收譜附近。
第一個DFB激光源通過光纖連接耦合到光纖耦合器一個輸入端；第二個DFB激光源通過光纖連接耦合到光纖耦合器的另一個輸入端；耦合器的輸出端連接傳感探頭；傳感探頭連接光電轉(zhuǎn)換模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊通過導(dǎo)線連接信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊連接；數(shù)據(jù)采集模塊通過導(dǎo)線連接微處理器；微處理器選用高速DSP微處理器，完成對第一個和第二個波長選擇與調(diào)制器的控制，并完成數(shù)據(jù)采集、處理和氣體濃度值計算。
本發(fā)明利用基于調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)技術(shù)的二次諧波檢測和波長選擇調(diào)制技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)一氧化碳和甲烷的同時測量。首先對DFB激光器進行雙重波形調(diào)制，即在低頻(100Hz)三角波的基礎(chǔ)上疊加高頻(30KHz或100KHz)正弦波，其中，施加低頻三角波調(diào)制的目的是保證激光器出光波長能夠覆蓋所測氣體的吸收譜線，施加高頻正弦波是為了實現(xiàn)二次諧波檢測，提高靈敏度；其次，本發(fā)明對透過傳感探頭的光電信號采用FFT頻譜分析的方法，獲得二次諧波(60KHz或200KHz)數(shù)據(jù)，計算氣體濃度。
第一個DFB激光源的光譜范圍包含一氧化碳吸收譜。在第一個波長選擇和調(diào)制器調(diào)節(jié)下，第一個DFB激光源發(fā)出連續(xù)強度和波長調(diào)制的窄帶光，其強度被調(diào)制成頻率為f1的連續(xù)波，其波長選擇的范圍在一氧化碳吸收譜附近并調(diào)制該波長掃描，掃描范圍覆蓋一氧化碳的吸收譜，掃描頻率和第一個波長選擇和調(diào)制器的三角波同步。調(diào)制光通過內(nèi)有被測量氣體一氧化碳的傳感探頭時被吸收，當(dāng)激光中心平均波長對準(zhǔn)氣體吸收峰的波長，輸出光包含有調(diào)制頻率f1的二次諧波信號且信號幅度正比于氣體濃度。依此，可以計算一氧化碳的濃度值。
同理，第二個DFB激光源的光譜范圍包含甲烷吸收譜，在第二個波長選擇和調(diào)制器調(diào)節(jié)下，第二個DFB激光源發(fā)出連續(xù)強度和波長調(diào)制的窄帶光，其強度被調(diào)制成頻率為f2的連續(xù)波。為了能在數(shù)據(jù)處理的頻譜分析能清晰的分辨，f1和f2要保持一定頻率差。波長選擇的范圍在甲烷吸收譜附近并調(diào)制該波長掃描，掃描范圍覆蓋甲烷的吸收譜，掃描頻率和第二個波長選擇和調(diào)制器的三角波同步。調(diào)制光通過內(nèi)有被測量氣體甲烷的傳感探頭時被吸收，當(dāng)激光中心平均波長對準(zhǔn)氣體吸收峰的波長，輸出光包含有調(diào)制頻率f2的二次諧波信號且信號幅度正比于氣體濃度。依此，可以計算甲烷的濃度值。
由于兩個調(diào)制光的波長和頻率都不同，所以在光纖中傳輸時不會相互干擾。在傳感探頭中被測的兩種氣體一氧化碳和甲烷的吸收譜不重疊，且只會對其對應(yīng)的調(diào)制光產(chǎn)生作用，不會產(chǎn)生傳感信號的串?dāng)_，能實現(xiàn)一氧化碳和甲烷的單點同時測量。另外，利用現(xiàn)有的傳感網(wǎng)絡(luò)復(fù)用技術(shù)也可以方便的實現(xiàn)多點的一氧化碳和甲烷同時測量。
本發(fā)明涉及的一氧化碳和甲烷一體化傳感與檢測系統(tǒng)有其獨特優(yōu)點1.光纖傳輸損耗小，可長距離傳輸，適合于遠(yuǎn)距離測量與控制；2.傳感探頭處只有光信號，沒有電信號，本質(zhì)安全，適用于煤礦有害氣體檢測；3.光纖體積小，重量輕，可彎曲，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且有很好的電絕緣性，可在惡劣或危險環(huán)境下可靠地工作；4.易于組成光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多功能、智能化的要求，采用多路復(fù)用技術(shù)，可降低系統(tǒng)成本。


圖1.一氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)原理圖具體實施方式
如圖所示，一氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)主要包括第一個DFB激光源、第二個DFB激光源、第一個波形發(fā)生器、第二個波形發(fā)生器、第一個波長選擇與調(diào)制器、第二個波長選擇與調(diào)制器、光纖耦合器、傳感探頭、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊和微處理器。其特征在于連接方式如下第一個波形發(fā)生器作用于第一個波長選擇與調(diào)制器，第一個波長選擇與調(diào)制器控制第一個DFB激光源，第一個DFB激光源通過光纖連接耦合器的一個輸入端；第二個波形發(fā)生器作用于第二個波長選擇與調(diào)制器，第二個波長選擇與調(diào)制器控制第二個DFB激光源，第二個DFB激光源通過光纖連接耦合器的另一個輸入端；耦合器的輸出端連接傳感探頭；傳感探頭連接光電轉(zhuǎn)換模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊通過導(dǎo)線連接信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)采集模塊通過導(dǎo)線連接微處理器；微處理器控制第一個波長選擇與調(diào)制器、第二個波長選擇與調(diào)制器和顯示模塊。
如前所述的一氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)，其特征在于第一個DFB激光源的光譜范圍包含一氧化碳的吸收光譜，第二個DFB激光源的光譜范圍包含甲烷的吸收光譜。
如前所述的一氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)，其特征在于第一個波形發(fā)生器產(chǎn)生頻率為100KHz的正弦連續(xù)波和第二個波形發(fā)生器產(chǎn)生頻率為30KHz的正弦連續(xù)波。
如前所述的一氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)，其特征在于第一個波長選擇與調(diào)制器在DSP微處理器控制下產(chǎn)生具有一定偏值電壓的100Hz三角波，控制激光源出光的光譜調(diào)制范圍在一氧化碳的吸收譜1567nm附近，第二個波長選擇與調(diào)制器在DSP微處理器控制下產(chǎn)生具有一定偏值電壓的100Hz三角波，控制激光源的光譜調(diào)制范圍在甲烷的吸收譜1665nm附近。
如前所述的一氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)，其特征在于它包含有一個高速DSP微處理器，完成對第一個和第二個波長選擇與調(diào)制器的控制，并完成數(shù)據(jù)采集、處理和氣體濃度值計算。
本發(fā)明利用基于調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)技術(shù)的二次諧波檢測和波長選擇調(diào)制技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)一氧化碳和甲烷的同時測量。
第一個DFB激光源的光譜范圍包含一氧化碳吸收譜。第一個DFB激光源其波長選擇的范圍在一氧化碳吸收譜1567nm附近并調(diào)制該波長掃描，掃描范圍包含一氧化碳的吸收譜1567nm，掃描帶寬為0.2nm，掃描頻率和第一個波長選擇和調(diào)制器的三角波同步。調(diào)制光通過內(nèi)有被測量氣體一氧化碳的傳感探頭時被吸收，當(dāng)激光中心平均波長對準(zhǔn)氣體吸收峰的波長，輸出光中包含有調(diào)制頻率f1的二次諧波信號(2×f1)且信號幅度正比于氣體濃度。
同理，第二個DFB激光源的光譜范圍包含甲烷吸收譜，第二個DFB激光源其波長選擇的范圍在甲烷吸收譜1665nm附近并調(diào)制該波長掃描，掃描范圍包含甲烷的吸收譜1665nm，掃描帶寬為0.2nm，掃描頻率和第二個波長選擇和調(diào)制器的三角波同步。為了能在頻譜分析中清晰的分辨，f1和f2要保持一定頻率差。調(diào)制光通過內(nèi)有被測量氣體甲烷的傳感探頭時被吸收，當(dāng)激光中心平均波長對準(zhǔn)氣體吸收峰的波長，輸出光包含有調(diào)制頻率f2的二次諧波信號(2×f2)且信號幅度正比于氣體濃度。
由于兩個調(diào)制光的波長和頻率都不同，所以在光纖中傳輸時不會相互干擾。在傳感探頭中被測的兩種氣體一氧化碳和甲烷的吸收譜不重疊，且只會對其對應(yīng)的調(diào)制光產(chǎn)生作用，不會產(chǎn)生傳感信號的串?dāng)_，能實現(xiàn)一氧化碳和甲烷的單點同時測量。另外，利用現(xiàn)有的傳感網(wǎng)絡(luò)復(fù)用技術(shù)也可以方便的實現(xiàn)多點的一氧化碳和甲烷同時測量。
透過傳感探頭的光信號進過光電轉(zhuǎn)換模塊和信號條理與數(shù)據(jù)采集模塊后，變?yōu)閿?shù)字信號輸入微處理器，微處理器采用DSP2407的高頻處理器。微處理器對輸入的數(shù)字信號進行現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的頻譜分析技術(shù)，分別提取頻率為f1和f2的二次諧波信號，信號的幅度正比于氣體濃度，將計算的氣體濃度送顯示。
權(quán)利要求
一氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)其特征在于系統(tǒng)主要包括第一個DFB激光源、第二個DFB激光源、第一個波形發(fā)生器、第二個波形發(fā)生器、第一個波長選擇與調(diào)制器、第二個波長選擇與調(diào)制器、光纖耦合器、傳感探頭、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊和微處理器。連接方式如下第一個波形發(fā)生器產(chǎn)生100KHz的連續(xù)正弦光譜波，作用于第一個波長選擇與調(diào)制器；第一個波長選擇與調(diào)制器控制第一個DFB激光源光譜調(diào)制范圍，通過一定偏值電壓的100Hz的三角波調(diào)節(jié)在一氧化碳的吸收譜附近；同理，第二個波形發(fā)生器產(chǎn)生30KHz的連續(xù)正弦波，作用于第二個波長選擇與調(diào)制器；第二個波長選擇與調(diào)制器控制第二個DFB激光電源調(diào)制范圍，通過一定偏值電壓的30KHz的三角波調(diào)節(jié)將光譜調(diào)節(jié)在甲烷的吸收譜附近，第一個DFB激光源通過光纖連接耦合到光纖耦合器一個輸入端；第二個DFB激光源通過光纖連接耦合到光纖耦合器的另一個輸入端；耦合器的輸出端連接傳感探頭；傳感探頭連接光電轉(zhuǎn)換模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊通過導(dǎo)線連接信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊連接，數(shù)據(jù)采集模塊通過導(dǎo)線連接微處理器；微處理器選用高速DSP微處理器，完成對第一個和第二個波長選擇與調(diào)制器的控制，并完成數(shù)據(jù)采集、處理和氣體濃度值計算。
全文摘要
一氧化碳和甲烷一體化光纖傳感測量系統(tǒng)主要包括第一個DFB激光源、第二個DFB激光源、第一個波形發(fā)生器、第二個波形發(fā)生器、第一個波長選擇與調(diào)制器、第二個波長選擇與調(diào)制器、光纖耦合器、傳感探頭、光電轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊和微處理器。連接方式如下第一個波形發(fā)生器作用于第一個波長選擇與調(diào)制器，第一個波長選擇與調(diào)制器控制第一個DFB激光源，第一個DFB激光源通過光纖連接耦合器的一個輸入端；第二個波形發(fā)生器作用于第二個波長選擇與調(diào)制器，第二個波長選擇與調(diào)制器控制第二個DFB激光源，第二個DFB激光源通過光纖連接耦合器的另一個輸入端；耦合器的輸出端連接傳感探頭；傳感探頭連接光電轉(zhuǎn)換模塊；光電轉(zhuǎn)換模塊通過導(dǎo)線連接信號調(diào)理與數(shù)據(jù)采集模塊；數(shù)據(jù)采集模塊通過導(dǎo)線連接微處理器；微處理器控制第一個波長選擇與調(diào)制器、第二個波長選擇與調(diào)制器和顯示模塊。
文檔編號G01N21/39GK1888864SQ200610019709
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月25日
發(fā)明者姜德生, 王洪海, 王立新, 范典, 許儒泉 申請人:武漢理工大學(xué)