專利名稱：激光遙感瓦斯探測器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種遙感探測氣體濃度的裝置，具體為激光遙感瓦斯探測器。
背景技術：
目前，用于探測瓦斯的裝置或設備主要有電化學法探測裝置輸入的被檢測氣體由檢測電極電離，產(chǎn)生的離子電流正比于被探測氣體濃度。電極積碳或灰塵積累對測量結果影響較大，電極壽命較短，不適合長期測量。
催化燃燒法探測裝置當被檢測氣體與具有一定溫度的半導體氣敏器件接觸時，由于燃燒導致半導體氣敏器件溫度發(fā)生變化，這種溫度變化將使半導體氣敏器件電阻或電壓等電參數(shù)發(fā)生變化，由此可確定被探測氣體的濃度。主要缺點是易“中毒”，響應慢，選擇性不好等。
以上兩種裝置均不能進行遙感檢測。
現(xiàn)有的利用光學方法進行瓦斯遙感檢測的裝置，都采用雙激光源產(chǎn)生雙波長探測光，并使用機械斬波器進行斬波處理。由于采用雙激光源和機械斬波器，使裝置結構復雜，成本昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型解決現(xiàn)有瓦斯探測裝置存在的缺陷和不足，特別是解決現(xiàn)有的激光遙感瓦斯探測裝置必須采用雙激光源作用探測光以及使用機械斬波器所帶來的裝置結構復雜，成本昂貴的問題，提供一種以單激光源作用探測光的遙感瓦斯探測裝置——激光遙感瓦斯探測器，并只以提供該裝置的硬件結構為目的。
本實用新型所述的激光遙感瓦斯探測器是基于如下的探測原理用一確定頻率的正弦信號去調(diào)制具有被探測氣體吸收峰的中心頻率的二極管激光器發(fā)出的激光作為探測光，該探測光穿過被探測區(qū)域后被角反射器或墻面等自然靶材料反(散)射，其反(散)射光被接收裝置接收并聚焦于一光電探測器上進行光電信號轉換，轉換來的電信號由兩個相敏檢測器分別進行一次諧波信號和二次諧波信號的檢測，其中相敏檢測器的參考信號頻率與正弦調(diào)制信號的頻率一致，被探測區(qū)域的氣體路徑-積分濃度(路徑-積分濃度即CR值除以探測距離或光程R得到氣體的平均濃度)將由下式確定CR＝K(P2f/P1f)，這里P2f、P1f是兩個相敏檢測器分別檢測到的激光回波的一次和二次諧波的功率，K由定標校準實驗確定。
基于上述原理，本實用新型是采用如下技術方案實現(xiàn)的激光遙感瓦斯探測器，包含殼體和內(nèi)部電路，在殼體的前端面上固定有其中心開有光孔的透鏡，在殼體內(nèi)透鏡的焦距處固定有光電探測器，在內(nèi)部電路中包含一個二極管激光發(fā)射模塊，二極管激光發(fā)射模塊的激光發(fā)射出口與傳導光纖相連，傳導光纖的另一端置于透鏡中心的光孔內(nèi)，在內(nèi)部電路中還包含正弦調(diào)制信號發(fā)生電路模塊，正弦調(diào)制信號發(fā)生電路模塊的信號輸出端與二極管激光發(fā)射模塊的調(diào)制信號輸入端口相連，內(nèi)部電路還包含兩個相敏檢測電路模塊，每個相敏檢測電路模塊的檢測信號輸入端分別與光電探測器的電信號輸出端相連，同時，每個相敏檢測電路模塊的參考頻率信號的輸入端分別與正弦調(diào)制信號發(fā)生模塊的信號輸出端相連，兩個相敏檢測電路模塊的輸出端與以微處理器CPU為核心的信號處理、顯示電路相連并受該信號處理、顯示電路的控制。
不同的被測氣體有公知的激光吸收峰的中心頻率或中心波長。下面是幾種經(jīng)常被探測氣體的吸收峰的中心波長甲烷1.653μm，一氧化碳1.581μm，二氧化碳1.580μm，氨氣1.99μm。
從理論上講，正弦調(diào)制信號的頻率對探測氣體濃度的結果不產(chǎn)生影響，但在某一氣體吸收峰的中心頻率下，二極管激光發(fā)射模塊調(diào)制不同頻率的正弦調(diào)制信號將影響二極管激光發(fā)射模塊的發(fā)射輸出功率，進而影響激光的探測距離，因此，在激光頻率(通常為針對不同待測氣體的吸收峰的中心頻率)確定的情況下，正弦調(diào)制信號的頻率應保證二極管激光發(fā)射模塊所發(fā)出的激光功率最大，以保證有最大的探測距離。由于不同的二極管激光發(fā)射模塊甚至同一廠家生產(chǎn)的同一型號的激光二極管，在調(diào)制正弦信號后其輸出功率具有極大的離散性，實際操作過程中，每一個二極管激光發(fā)射模塊在一定激光頻率下，保證其輸出功率最大所對應的正弦調(diào)制信號的頻率需通過調(diào)試來確定。
本實用新型所述的激光遙感瓦斯探測器，由于其激光發(fā)射部件以及各功能電路都采用了現(xiàn)有的電路模塊，各功能電路模塊可以選用不同廠家、不同型號的產(chǎn)品，但各電路模塊的各線端的功能是已知的，因此，各模塊之間如何連接對電學領域的普通技術人員來說是已知的且無需創(chuàng)造性勞動。以微處理器CPU為核心的信號處理、顯示電路實際上就是以CPU為核心的一個計算機硬件組合，其工作過程為適時采集兩個相敏檢測電路檢測到的激光回波一、二次諧波的功率信號(實際上檢測到的是與一、二次諧波功率相關的參數(shù)，相關參數(shù)即可計算出兩諧波功率的比值)，在相應計算機軟件的支持下計算出兩諧波功率的比值，以此最終得到被測氣體的濃度，并對濃度值加以顯示。完成上述功能的計算機硬件電路在計算機技術高度發(fā)達的今天，對計算機領域的普通技術來說是無需創(chuàng)造性勞動即可完成的，因此，本實用新型在權利要求中對模塊之間的具體連接(哪個線端連接哪個線端)以及信號處理、顯示電路具體的電路連接結構未作詳細描述，但在說明書附圖中給出了信號處理、顯示電路的具體電路原理圖。
本實用新型與現(xiàn)有的瓦斯探測裝置相比，主要特點是實現(xiàn)了遙感探測，且具有靈敏度高、實時性好、不會產(chǎn)生傳感元件的“中毒”現(xiàn)象。同時，由于使用單一的激光源實現(xiàn)對瓦斯氣體的遙感探測，優(yōu)化了探測器的結構，降低了成本，使光學遙感探測瓦斯技術達到了實用的程度。該探測器也可用于探測危險區(qū)域或不便于安裝普通探測器區(qū)域的其它有害氣體濃度。


圖1為本發(fā)明所述設備的結構示意圖；圖2為本發(fā)明所述設備內(nèi)各電路模塊間線端連接的示意圖；圖3為信號處理、顯示電路的具體電路原理圖；圖4為與圖8連接的信號處理、顯示電路的另一部分；圖5為設備殼體圖；圖6為設備殼體后面板結構圖；圖7為設備殼體前面板結構圖；圖8為本實用新型用于煤礦井下瓦斯監(jiān)測示意圖；
圖9為本實用新型用于煤氣管道泄漏探測示意圖；具體實施方式
激光遙感瓦斯探測器，包含殼體9和內(nèi)部電路，在殼體9的前端面上固定有其中心開有光孔的透鏡4，在殼體內(nèi)透鏡4的焦距處固定有光電探測器5，在內(nèi)部電路中包含一個二極管激光發(fā)射模塊2，二極管激光發(fā)射模塊的激光發(fā)射出口與傳導光纖3相連，傳導光纖3的另一端置于透鏡4中心的光孔內(nèi)，在內(nèi)部電路中還包含正弦調(diào)制信號發(fā)生電路模塊1，正弦調(diào)制信號發(fā)生電路模塊1的信號輸出端與二極管激光發(fā)射模塊2的調(diào)制信號輸入端口相連，內(nèi)部電路還包含兩個相敏檢測電路模塊6、7，每個相敏檢測電路模塊的檢測信號輸入端分別與光電探測器5的電信號輸出端相連，同時，每個相敏檢測電路模塊的參考頻率信號的輸入端分別與正弦調(diào)制信號發(fā)生模塊1的信號輸出端相連，兩個相敏檢測電路模塊6、7的輸出端與以微處理器CPU為核心的信號處理、顯示電路8相連并受該信號處理、顯示電路的控制。透鏡選用菲涅爾透鏡；在光纖伸入透鏡光孔的一端上連接一個GRIN光纖準直器10，光纖準直器的一端伸入透鏡光孔內(nèi)，使出射光與光發(fā)射平面垂直。
光電探測器選用日本濱松公司生產(chǎn)的G8605-23。二極管激光發(fā)射模塊選用美國Power Technology公司生產(chǎn)的IQ1A(1654-5)F2X46，相敏檢測電路模塊選用德國FEMTO公司生產(chǎn)的LIA-BVD-150H，此型號的相敏檢測電路模塊中就帶有一個調(diào)制信號可選插接芯片，直接選用插接于一個相敏檢測電路模塊中的該可選插接芯片作為內(nèi)部電路中的正弦調(diào)制信號發(fā)生電路模塊(該模塊為德國FEMTO公司生產(chǎn)的SOM-1)。二極管激光發(fā)射模塊的中心波長調(diào)為1.581μm(瓦斯的吸收峰的中心波長為1.581μm)。該型號的二極管激光發(fā)射模塊在此激光頻率下，通過調(diào)試確定正弦調(diào)制信號的頻率為10KHZ，幅度為1.2V。
選用的每一個相敏檢測電路模塊有32對輸入、輸出線端，每對中的兩個線端用A、C區(qū)分，這樣，每個相敏檢測電路模塊的32對輸入、輸出線端就表示為PinA1-PinA32和PinC1-PinC32，在每個線端標號的后面標注-1或-2，用以區(qū)分兩個相敏檢測電路模塊的線端。帶有調(diào)制信號可選插接芯片的相敏檢測電路模塊的線端PinA30、PinA17(即正弦調(diào)制信號發(fā)生電路模塊1的信號輸出端)與二極管激光發(fā)射模塊2的調(diào)制信號輸入端口相連，帶有調(diào)制信號可選插接芯片的相敏檢測電路模塊的線端PinA30、PinA17同時與另一個相敏檢測電路模塊的參考頻率信號輸入端PinA32、PinA31相連，兩個相敏檢測電路模塊6、7的輸出端PinA12-1、PinC15-1和PinA12-2、PinC15-2與以微處理器CPU為核心的信號處理、顯示電路8的相應端相連，每個相敏檢測電路模塊的檢測信號輸入端PinC2-1和PinC2-2分別與光電探測器5的電信號輸出端相連。
以微處理器CPU為核心的信號處理、顯示電路8包含CPU芯片(U1W78E58)、收發(fā)器(U2 74HCT245)、鎖存器(U3 74HCT573)、存儲器(U4 62256)、譯碼器(U5 74HCT138)、接口擴展芯片(U6 8255)、鎖存器(U13 74HCT574)、模-數(shù)轉換器(U12 ADC7874)和顯示器(128X64LCD)。在CPU的P1.0-P1.5線端上分別連接有開關SW1-SW6，開關SW1-SW6置于殼體的后面板上并分別對應于自檢、校準、單測、連測、地址+1、存儲的功能，在CPU的RESET線端連接有包含開關SW0的開關電路，開關SW0也置于殼體的后面板上并對應于電源開關。液晶顯示器的顯示屏置于殼體的后面板上，以顯示被測氣體的濃度值。兩相敏檢測電路模塊的的輸出端PinA12-1、PinC15-1和PinA12-2、PinC15-2與模-數(shù)轉換器的相應端相連；接口擴展芯片的相應線端與兩個相敏檢測電路模塊的相應線端相連(相互對應關系在附圖中有詳細的顯示)，用以對兩個相敏檢測電路模塊的控制。
在調(diào)制信號的控制作用下，二極管激光模塊發(fā)出調(diào)制的激光探測光，經(jīng)光纖并經(jīng)激光準直器從透鏡的中心光孔發(fā)射出去，激光照射到探測區(qū)域，并由自然靶材料表面反射回，由接收透鏡匯聚至光電轉換器進行光電轉換，轉換后的電信號連同調(diào)制信號一同送給兩個相敏檢測電路模塊，解調(diào)出一次諧波信號和二次諧波信號。這兩個信號在根據(jù)前述探測原理所編制計算機軟件的支持下，由數(shù)據(jù)處理顯示電路處理后得到被探測區(qū)域的瓦斯氣體平均濃度，并給予顯示。
該探測器可用于煤礦井下瓦斯監(jiān)測(如圖8所示)；也可用于煤氣管道泄漏探測(如圖9所示)。
權利要求1.一種激光遙感瓦斯探測器，包含殼體(9)和內(nèi)部電路，在殼體(9)的前端面上固定有其中心開有光孔的透鏡(4)，在殼體內(nèi)透鏡(4)的焦距處固定有光電探測器(5)，在內(nèi)部電路中包含一個二極管激光發(fā)射模塊(2)，二極管激光發(fā)射模塊的激光發(fā)射出口與傳導光纖(3)相連，傳導光纖(3)的另一端置于透鏡(4)中心的光孔內(nèi)，其特征為在內(nèi)部電路中還包含正弦調(diào)制信號發(fā)生電路模塊(1)，正弦調(diào)制信號發(fā)生電路模塊(1)的信號輸出端與二極管激光發(fā)射模塊(2)的調(diào)制信號輸入端口相連，內(nèi)部電路還包含兩個相敏檢測電路模塊(6)、(7)，每個相敏檢測電路模塊的檢測信號輸入端分別與光電探測器(5)的電信號輸出端相連，同時，每個相敏檢測電路模塊的參考頻率信號的輸入端分別與正弦調(diào)制信號發(fā)生模塊(1)的信號輸出端相連，兩個相敏檢測電路模塊(6)、(7)的輸出端與以微處理器CPU為核心的信號處理、顯示電路(8)相連并受該信號處理、顯示電路的控制。
2.如權利要求1所述的激光遙感瓦斯探測器，其特征為相敏檢測電路模塊選用德國FEMTO公司生產(chǎn)的LIA-BVD-150H，此型號的相敏檢測電路模塊中就帶有一個調(diào)制信號可選插接芯片，直接選用插接于一個相敏檢測電路模塊中的該可選插接芯片作為內(nèi)部電路中的正弦調(diào)制信號發(fā)生電路模塊。
專利摘要本實用新型為激光遙感瓦斯探測器，包含殼體和內(nèi)部電路，在殼體的前端面上固定有其中心開有光孔的透鏡，在殼體內(nèi)透鏡的焦距處固定有光電探測器，在內(nèi)部電路中包含一個二極管激光發(fā)射模塊、正弦調(diào)制信號發(fā)生電路模塊、兩個相敏檢測電路模塊，兩個相敏檢測電路模塊的輸出端與以微處理器CPU為核心的信號處理、顯示電路相連并受該信號處理、顯示電路的控制。本實用新型與現(xiàn)有的瓦斯探測裝置相比，主要特點是實現(xiàn)了遙感探測，且具有靈敏度高、實時性好、不會產(chǎn)生傳感元件的“中毒”現(xiàn)象。同時，由于使用單一的激光源實現(xiàn)對瓦斯氣體的遙感探測，優(yōu)化了探測器的結構，降低了成本，使光學遙感探測瓦斯技術達到了實用的程度。
文檔編號G01N21/47GK2632670SQ0326847
公開日2004年8月11日 申請日期2003年6月20日 優(yōu)先權日2003年6月20日
發(fā)明者賈鎖堂, 尹王保, 馬維光, 肖連團, 李昌勇, 趙建明 申請人:山西大學