甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及到氣體檢測分析領(lǐng)域，尤其涉及到一種甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程 激光遙測甲烷濃度的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 按照氣體檢測原理可以將甲烷氣體檢測方法分為如下幾類：氣敏檢測法、氣相色 譜檢測法、光干涉檢測法、差分檢測法、可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜檢測法等，現(xiàn)對其的不 足之處進行說明：氣敏檢測法存在的問題是檢測性能與敏感元件的制作、工藝等密切相關(guān)， 并且檢測結(jié)果還受到檢測現(xiàn)場溫度等環(huán)境因素的影響。檢測響應(yīng)速度較慢、元件容易中毒 且壽命短；氣相色譜法需要待測物的純品色譜定性數(shù)據(jù)，對組分未知的混合物難以做出定 性的分析，采用過程可能會發(fā)生附加反應(yīng)，響應(yīng)時間較長、無法進行實時測量、測量系統(tǒng)復(fù) 雜、無法實現(xiàn)在線測量，只能單點監(jiān)測，不能反映被測環(huán)境的整體情況；光干涉檢測法難以 實現(xiàn)遙測，線性范圍窄，長期穩(wěn)定性差，需后期加工；可調(diào)諧二極管激光器氣體光譜吸收檢 測法對激光器提出了很高的要求，需要光源可調(diào)諧范圍較寬，頻率穩(wěn)定性高，對溫度調(diào)諧和 電流調(diào)諧控制精度很高，光源驅(qū)動電路較復(fù)雜，同時，激光器的價格比較昂貴。
[0003] 現(xiàn)在多數(shù)使用的為美國漢斯生產(chǎn)的專門用于甲烷的氣體檢測儀和日本東京燃氣 公司生產(chǎn)的32A型甲烷氣體檢測儀，前者經(jīng)用戶使用柱密度濃度值測量存在較大的誤差， 誤報率比較高，同時，手持設(shè)備與機箱通過剛性連接管連接，在使用過程中易折斷；后者測 量距離比較短，工作環(huán)境溫度必須在零攝氏度以上才能正常工作，這就限制了其使用，動態(tài) 響應(yīng)較慢，電池使用不能超過1小時。
[0004] 最重要的是國內(nèi)外關(guān)于甲烷氣體激光檢測儀器設(shè)備，大都采用TDLAS技術(shù)測量的 甲烷氣團柱密度值，它的單位是ppm. m，這一結(jié)果不能實時顯示甲烷氣團當(dāng)前濃度值，存在 很大的偏差，這是當(dāng)前測量儀器存在的重大缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述問題，提供了一種甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程 激光遙測甲烷濃度的方法和裝置。
[0006] 本發(fā)明的甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的裝置，是由STM32控 制器、激光器驅(qū)動電路、激光器溫度控制電路、光電檢測電路、鎖相解調(diào)電路、三維空間激光 測量跟蹤器和內(nèi)置風(fēng)速傳感器構(gòu)成，STM32控制器分別與激光器驅(qū)動電路、激光器溫度控制 電路、鎖相解調(diào)電路和三維空間激光測量跟蹤器電路聯(lián)接；光電檢測電路與鎖相解調(diào)電路 聯(lián)接。
[0007] 作為本發(fā)明的進一步改進，激光器驅(qū)動電路包括正弦波發(fā)生電路I、正弦波發(fā)生 電路II、鋸齒波發(fā)生電路、恒流源電路和激光器，其中正弦波發(fā)生電路I、正弦波發(fā)生電路 II和鋸齒波發(fā)生電路的一端均與STM32控制器電路聯(lián)接，正弦波發(fā)生電路I的另一端電路 連接有帶通濾波器I，正弦波發(fā)生電路II的另一端電路連接有帶通濾波器II ;帶通濾波器 I、鋸齒波發(fā)生電路和STM32控制器的數(shù)模輸出接口 DA均與求和電路連接，求和電路、恒流 源電路和激光器依次電路聯(lián)接。
[0008] 作為本發(fā)明的進一步改進，激光器溫度控制電路中包括TEC驅(qū)動芯片、激光器 TEC、激光器溫度檢測電阻、恒流源發(fā)生電路和調(diào)理電路，其中TEC驅(qū)動芯片的一端與STM32 控制器電路聯(lián)接、另一端與激光器TEC電路聯(lián)接，激光器溫度檢測電阻置于激光器內(nèi)且分 別與恒流源發(fā)生電路和調(diào)理電路聯(lián)接，調(diào)理電路與STM32控制器電路聯(lián)接。
[0009] 作為本發(fā)明的進一步改進，鎖相解調(diào)電路是由依次電路聯(lián)接的前置放大電路、帶 通濾波電路和鎖相環(huán)電路構(gòu)成，其中前置放大電路與光電檢測電路聯(lián)接；鎖相環(huán)電路分別 與帶通濾波器I、帶通濾波器II電路聯(lián)接且通過電壓調(diào)理電路與STM32控制器電路聯(lián)接。
[0010] 作為本發(fā)明的進一步改進，該可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度裝置設(shè)有顯示器，且該 顯示器與STM32控制器電路聯(lián)接。
[0011] 使用甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的裝置測量甲烷濃度的方 法，識別甲烷氣團在三維空間的界面分布，根據(jù)甲烷氣體擴散規(guī)律，采用改進的高斯擴散模 型作為甲烷氣體擴散模型，動態(tài)模擬甲烷氣體的實際工況，并通過可調(diào)量程激光近紅外甲 烷檢測原理測得甲烷氣團濃度，其具體操作步驟如下：
[0012] 1)甲烷氣團界面的識別：向甲烷氣團方向由下逐漸向上多次發(fā)射激光束，通過檢 測反射的激光束是否被吸收來判斷其是否經(jīng)過甲烷氣團，并利用三維空間激光測量跟蹤器 記錄此照射點的空間坐標(biāo)，開始向下方發(fā)射的激光束測得甲烷氣團濃度為零時，則表明該 點下方區(qū)域無甲烷氣體，甲烷氣團濃度從無到有即視為經(jīng)過甲烷氣團下方邊界，甲烷氣團 濃度從有到無即視為經(jīng)過甲烷氣團上方邊界；
[0013] 2)甲烷氣團界面垂直地面的切面距離的確認：通過步驟一獲取的空間坐標(biāo)數(shù)據(jù) 并運用三角函數(shù)及微分積分方程，得到甲烷氣團正對本裝置的垂直地面的切面與本裝置的 直線距離；
[0014] 3)調(diào)節(jié)量程對甲烷氣團濃度的檢測：當(dāng)激光檢測確定泄漏點甲烷氣團擴散邊界， 根據(jù)步驟二得到的甲烷氣團正對本裝置的垂直地面的切面與本裝置的直線距離，通過可調(diào) 量程激光遙測技術(shù)測定甲烷氣團濃度，根據(jù)朗伯比爾定律、甲烷氣團吸收洛倫茲線型和波 長調(diào)制技術(shù)，得到直流以及諧波；
[0015] 4)甲烷氣團濃度的計算：通過步驟一、步驟二和步驟三并采用可調(diào)量程激光遙測 技術(shù)和歸一化的方法確定甲烷氣團的濃度，即可確定甲烷氣團的濃度。
[0016] 本發(fā)明的甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的方法和裝置，操作靈 活，可便攜式巡檢，也可裝在車上進行車載式巡檢；其測量速度快，可以達到ms級的響應(yīng)時 間，測量靈敏度高，可以達到ppm量級，最大檢測距離100米，30米長的范圍一次檢測完成， 大大提高了檢測效率；對環(huán)境要求不高，在高粉塵、強腐蝕性的被測氣體環(huán)境，對測量結(jié)果 無影響；而且遙距檢測功能使得一些不能到達或者難以到達的地方檢測得以實現(xiàn)。
【附圖說明】
[0017] 附圖1為本發(fā)明的甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的裝置的模 塊圖；
[0018] 附圖2為本發(fā)明的甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的裝置的激 光器驅(qū)動電路的模塊圖；
[0019] 附圖3為本發(fā)明的甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的裝置的激 光器溫度控制電路的模塊圖；
[0020] 附圖4為本發(fā)明的甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的裝置的鎖 相解調(diào)電路的t吳塊圖；
[0021] 附圖5為本發(fā)明的甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的裝置的激 光器TEC溫度控制系統(tǒng)框圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的裝 置，作進一步說明：
[0023] 本發(fā)明的甲烷氣團界面識別和可調(diào)量程激光遙測甲烷濃度的裝置，如圖1所示， 是由STM32控制器1、激光器驅(qū)動電路2、激光器溫度控制電路3、光電檢測電路4、鎖相解調(diào) 電路5和三維空間激光測量跟蹤器6構(gòu)成，STM32控制器1分別與激光器驅(qū)動電路2、激光 器溫度控制電路3、鎖相解調(diào)電路5和三維空間激光測量跟蹤器6電路聯(lián)接；光電檢測電路 4與鎖相解調(diào)電路5電路聯(lián)接。
[0024] 如圖2所示，激光器驅(qū)動電路包括正弦波發(fā)生電路I 7、正弦波發(fā)生電路II 25、鋸 齒波發(fā)生電路8、恒流源電路9和激光器10,其中STM32控制器1外設(shè)接口 SPI與正弦波發(fā) 生電路I 7、正弦波發(fā)生電路II 25和鋸齒波發(fā)生電路8的串行外設(shè)接口相聯(lián)接，STM32控制 器1的GPIO與正弦波發(fā)生電路I 7、正弦波發(fā)生電路II 25和鋸齒波發(fā)生電路8芯片選通端 相聯(lián)接，正弦波發(fā)生電路I 7的輸出端與帶通濾波器I 11的輸入端相聯(lián)接，正弦波發(fā)生電 路II 25的輸出端與帶通濾波器II 24的輸入端相聯(lián)接；STM32控制器1的數(shù)模輸出接口 DA、 帶通濾波器I 11和鋸齒波發(fā)生電路8與求和電路12的輸入端相聯(lián)接，求和電路12的輸出 端與恒流源電路9的輸入端相聯(lián)接，激光器10陽極與恒流源電路9的正極