專利名稱：煤礦瓦斯氣體濃度光譜吸收檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種瓦斯氣體光譜吸收檢測(cè)裝置，特別是一種對(duì)煤礦井 下瓦斯氣體濃度的光譜吸收檢測(cè)裝置，屬于檢測(cè)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在我國(guó)煤礦安全事故中，瓦斯爆炸造成的傷亡人數(shù)占所有重大事故傷亡
人數(shù)的50%以上。為了有效的檢測(cè)井下瓦斯氣體濃度，必須設(shè)置能在線實(shí)時(shí) 快速檢測(cè)瓦斯氣體濃度的儀器和設(shè)備。瓦斯氣體的基本檢測(cè)方法有氣敏傳感 法、熱催化式傳感法、氣相色譜法、光學(xué)方法等許多種。常見的幾種檢測(cè)方 法不能在線實(shí)時(shí)檢測(cè)瓦斯氣體的濃度，同時(shí)其檢測(cè)的靈敏度也較低，對(duì)煤礦 安全生產(chǎn)事故得不到及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而造成生產(chǎn)的安全隱患。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)有煤礦瓦斯氣體濃度檢測(cè)技 術(shù)的不足，提供一種靈敏度較高，在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的煤礦瓦斯氣體濃度光譜吸 收檢測(cè)裝置。
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型釆用的技術(shù)方案是 一種煤礦瓦斯 氣體濃度光譜吸收檢測(cè)裝置，其特征在于由電源模塊、傳感模塊、信號(hào)處 理模塊和存儲(chǔ)分析模塊組成；所述電源模塊包括驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)流電路、溫
控電路和調(diào)制電路，所述穩(wěn)流電路、溫控電路和調(diào)制電路分別連接驅(qū)動(dòng)電
路；所述傳感模塊包括LD、氣室和光電探測(cè)器，LD的輸出通過氣室傳送 到光電探測(cè)器輸入端；所述信號(hào)處理模塊包括放大電路、濾波電路、多功
能信號(hào)發(fā)生器、多點(diǎn)信號(hào)平均器和選頻放大電路，所述放大電路輸出端連 接濾波電路，所述濾波電路輸出端連接多點(diǎn)信號(hào)平均器，所述多功能信號(hào) 發(fā)生器輸出端連接多點(diǎn)信號(hào)平均器，所述多點(diǎn)信號(hào)平均器輸出端連接選頻放大電路；所述存儲(chǔ)分析模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、示波器和計(jì)算機(jī)，A/D轉(zhuǎn) 換器輸出端連接示波器，所述示波器輸出端連接計(jì)算機(jī)；所述驅(qū)動(dòng)電路輸
出端連接LD,所述光電探測(cè)器輸出端連接放大電路，所述選頻放大電路
輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換器。
所述放大電路由電阻R1、 R2、 R3、電容C1和運(yùn)算放大器LM358組成；
電阻R1、 R2和運(yùn)算放大器LM358組成一個(gè)有源放大電路，電阻R3為平衡
電阻，電容C1完成輸入信號(hào)的高頻濾波。
所述氣室右側(cè)上端設(shè)置有進(jìn)氣孔，所述氣室左側(cè)下端設(shè)置有出氣孔。 所述氣室長(zhǎng)60，，內(nèi)徑為3，。
本實(shí)用新型和現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)
該檢測(cè)裝置具有靈敏度高、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍大、不受電磁干擾、耐腐 蝕、體積小、可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)遙測(cè)、傳感器可以放入 惡劣環(huán)境(如有毒，高溫氣體)中，實(shí)時(shí)檢測(cè)煤礦瓦斯氣體濃度，及時(shí)排除煤 礦安全生產(chǎn)隱患，在煤礦安全生產(chǎn)中具有重要的意義。
下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖i為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)框圖2為本實(shí)用新型氣室的結(jié)構(gòu)示意圖3為本實(shí)用新型放大電路的電路圖4為本實(shí)用新型基于同步積分器的濾波電路的電路圖5為本實(shí)用新型選頻放大電路的電路附圖標(biāo)記說明
l一調(diào)制電路；
4一驅(qū)動(dòng)電路；
7—光電探測(cè)器；
IO—選頻放大電路;
2 —溫控電路； 5—LD; 8—濾波電路； 11一A/D轉(zhuǎn)換器;
3—穩(wěn)流電路； 6—?dú)馐遥?br> 9一多點(diǎn)信號(hào)平均器: 12 —示波器；13—計(jì)算機(jī)； H —多功能信號(hào)發(fā)生15—放大電路；
器；
16—出氣孔； 17—光源； 18 —進(jìn)氣孔；
20—電源模塊； 21—傳感模塊； 22—信號(hào)處理模塊；
23—存儲(chǔ)分析模塊；
具體實(shí)施方式
如圖l所示，煤礦瓦斯氣體濃度光譜吸收檢測(cè)裝置包括電源模塊20、 傳感模塊21、信號(hào)處理模塊22和存儲(chǔ)分析模塊23;所述電源模塊20包 括驅(qū)動(dòng)電路4、穩(wěn)流電路3、溫控電路2和調(diào)制電路1，所述穩(wěn)流電路3、 溫控電路2和調(diào)制電路1分別連接驅(qū)動(dòng)電路4;所述傳感模塊21包括LD5、 氣室6和光電探測(cè)器7， LD5的輸出通過氣室6傳送到光電探測(cè)器7輸入 端；所述信號(hào)處理模塊22包括放大電路15、濾波電路8、多功能信號(hào)發(fā) 生器14、多點(diǎn)信號(hào)平均器9和選頻放大電路10,所述放大電路15輸出端 連接濾波電路8，所述濾波電路8輸出端連接多點(diǎn)信號(hào)平均器9,所述多 功能信號(hào)發(fā)生器14輸出端連接多點(diǎn)信號(hào)平均器9，所述多點(diǎn)信號(hào)平均器9 輸出端連接選頻放大電路10;所述存儲(chǔ)分析模塊23包括A/D轉(zhuǎn)換器11、 示波器12和計(jì)算機(jī)13, A/D轉(zhuǎn)換器11輸出端連接示波器12，所述示波 器12輸出端連接計(jì)算機(jī)13;所述驅(qū)動(dòng)電路4輸出端連接LD5，所述光電 探測(cè)器7輸出端連接放大電路10,所述選頻放大電路IO輸出端連接A/D 轉(zhuǎn)換器11。
電源的型號(hào)為VITC002 (包括穩(wěn)流電路3、溫控電路2、調(diào)制電路l和 驅(qū)動(dòng)電路4)。
所述LD5選用的是杭州海洋科技有限公司銷售的半導(dǎo)體激光器組件，包 括一個(gè)單模雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光二極管LD5和一塊驅(qū)動(dòng)電源，LD5型號(hào)為 VCT1654，工作波長(zhǎng)為1.654/^，具有溫控功能，表l給出了其性能參數(shù)。
5表1 VCT1654型LD5性能參數(shù)
額定功率(w『)_0.48 單模抑制比(必) 30
光譜寬度(臓) <3 電流調(diào)諧系數(shù)()0.7
閾值電流() <5.5 溫度調(diào)諧系數(shù)(，廣C ) o.ii
調(diào)制電流(^ ) 0.49-4.66工作溫度("C ) 0-50
額定功率下正向電壓(r)<2.0 模擬帶寬(似他) 30
如圖2所示，本實(shí)用新型氣室6右側(cè)上端設(shè)置有進(jìn)氣孔18,左側(cè)的下端 設(shè)置有出氣孔16,光源17從氣室6左側(cè)射入，右側(cè)射出?？紤]到易加工性 和靈敏度需要，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了長(zhǎng)60，的測(cè)量氣室6，內(nèi)徑為3，，氣室材料 由95#玻璃制成。通過計(jì)算，該氣室的容積為「 = ^(3/2)2><6(^424.115^。為 了使光得到充分的吸收和設(shè)備的方便性，氣室6長(zhǎng)度選擇60，，從而得到較 大光強(qiáng)變化，便于后續(xù)的檢測(cè)分析。
圖3為放大電路15，釆用LM358運(yùn)算放大器，電阻R1， R2和運(yùn)算放大 器LM358組成一個(gè)有源放大電路，電阻R3為平衡電阻，電容Cl完成對(duì)輸 入信號(hào)的高頻濾波。放大電路15輸出信號(hào)V。-(l+R2/Rl)Vi,起到對(duì)信號(hào)Vi 的濾波和放大作用。
圖4為本實(shí)用新型選用的同步積分器電路，電路中輸入信號(hào)先要經(jīng)過低 通濾波器進(jìn)行預(yù)處理，然后通過8個(gè)通道的RC積分電路，由模擬開關(guān) MAX307順序選通這8個(gè)通路，設(shè)有用信號(hào)頻率為/，則參考方波信號(hào)頻率 為V,經(jīng)過移相后再分頻，得到三種頻率/,2/和4,的方波信號(hào)來控制 MAX307的選通門。最后經(jīng)過OP177組成的電壓跟隨器和帶通濾波器，將會(huì) 輸出與有用信號(hào)成正比的正弦信號(hào)，噪聲被極大程度地壓制。
多點(diǎn)信號(hào)平均器是一種信號(hào)處理裝置，能從較強(qiáng)的干擾和噪聲中提取信 號(hào)，依據(jù)時(shí)域特性的取樣平均來改善信噪比，復(fù)現(xiàn)被噪聲淹沒的信號(hào)波形。 它適用于重復(fù)信號(hào)的波形復(fù)現(xiàn)，在信號(hào)出現(xiàn)以后依次取多個(gè)信號(hào)樣品，并按 固定頻率重復(fù)取樣。把每一個(gè)周期的許多取樣信號(hào)，依次一一對(duì)應(yīng)相加求平 均，從而有效地改善了信噪比，對(duì)于多點(diǎn)信號(hào)平均器，可以由數(shù)字存儲(chǔ)器或
6模擬存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)求和平均，原理相同。多點(diǎn)信號(hào)平均器的取樣點(diǎn)的多少， 與要求復(fù)現(xiàn)的波形精度有關(guān)，取樣點(diǎn)越多，復(fù)現(xiàn)波形越精確。具體要釆樣多 少點(diǎn)數(shù)，應(yīng)根據(jù)要求復(fù)現(xiàn)的波形精度，成本及技術(shù)的可能性來決定。目前釆 用數(shù)字存儲(chǔ)器的多點(diǎn)信號(hào)平均器，通常選用120個(gè)取樣點(diǎn)。本設(shè)備釆用模擬 存儲(chǔ)器，優(yōu)點(diǎn)是直觀形象，成本低廉。
圖5所示選頻放大電路中，輸入信號(hào)Vm經(jīng)過由Rp R2和Po組成的反相 放大器輸出Vp V,作為差分放大電路(由R3、 R5、 R6和P2組成)的同相輸
入信號(hào)，差分放大電路的反相輸入信號(hào)是由輸出信號(hào)V4經(jīng)過由R8、 d、 P, 組成的積分電路得到的輸出信號(hào)V5，差分放大電路的輸出信號(hào)V3經(jīng)過由R7、
C2和P3組成的積分電路最終輸出信號(hào)V4。
存儲(chǔ)分析模塊23包括接收選頻放大電路輸出的A/D轉(zhuǎn)換器11、 A/D轉(zhuǎn) 換器11將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入示波器中的數(shù)據(jù)釆集卡板(由硬件 驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)工作)，通過系統(tǒng)總線送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和存儲(chǔ)。
工作原理電源模塊20提供480Hz的三角波調(diào)制信號(hào)，通過對(duì)LD5的 注入電流進(jìn)行三角波調(diào)制，使光源頻率和輸出光強(qiáng)也受到相應(yīng)的調(diào)制。LD5 發(fā)出的光耦合進(jìn)入氣室6，氣室6中含有需要檢測(cè)的氣體，光通過氣室6時(shí) 發(fā)生衰減，從氣室6出來的光信號(hào)通過光電探測(cè)器7中的光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換 成電信號(hào)，該電信號(hào)包含了氣體濃度信息，通過檢測(cè)該電信號(hào)就可得出氣體 的濃度。系統(tǒng)選用的半導(dǎo)體激光二極管本身帶有溫度控制，同時(shí)釆用帶溫控 的恒流驅(qū)動(dòng)電源來保證其溫度和輸出功率的穩(wěn)定，實(shí)際測(cè)量表明到達(dá)探測(cè)器 的光強(qiáng)波動(dòng)不超過0.19%。系統(tǒng)的輸出光主要是二次諧波分量(一次諧波可 忽略不計(jì))，且正比于氣體的濃度，檢測(cè)該值就可以精確測(cè)量待測(cè)氣體的體 積分?jǐn)?shù)。利用信號(hào)處理模塊22檢測(cè)二次諧波作為系統(tǒng)輸出并對(duì)微弱信號(hào)進(jìn) 行處理，同時(shí)也能夠?qū)⒃肼暢?，使得系統(tǒng)達(dá)到很高的靈敏度。
光電探測(cè)器7接收到通過氣室6后的光，轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，經(jīng)過放大電 路15,輸出電壓信號(hào)，再進(jìn)行濾波和選頻放大等模擬處理環(huán)節(jié)后得到與光強(qiáng) 有關(guān)的模擬電壓信號(hào)，模擬電壓信號(hào)通過信號(hào)處理模塊22再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器11將模擬信號(hào)不失真地轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利用計(jì)算機(jī)13在數(shù)字域進(jìn)一步 對(duì)信號(hào)加工處理和計(jì)算，在計(jì)算機(jī)13的顯示屏上顯示實(shí)驗(yàn)測(cè)量值。
權(quán)利要求1、一種煤礦瓦斯氣體濃度光譜吸收檢測(cè)裝置，其特征在于由電源模塊、傳感模塊、信號(hào)處理模塊和存儲(chǔ)分析模塊組成；所述電源模塊包括驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)流電路、溫控電路和調(diào)制電路，所述穩(wěn)流電路、溫控電路和調(diào)制電路分別連接驅(qū)動(dòng)電路；所述傳感模塊包括LD、氣室和光電探測(cè)器，LD的輸出通過氣室傳送到光電探測(cè)器輸入端；所述信號(hào)處理模塊包括放大電路、濾波電路、多功能信號(hào)發(fā)生器、多點(diǎn)信號(hào)平均器和選頻放大電路，所述放大電路輸出端連接濾波電路，所述濾波電路輸出端連接多點(diǎn)信號(hào)平均器，所述多功能信號(hào)發(fā)生器輸出端連接多點(diǎn)信號(hào)平均器，所述多點(diǎn)信號(hào)平均器輸出端連接選頻放大電路；所述存儲(chǔ)分析模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、示波器和計(jì)算機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器輸出端連接示波器，所述示波器輸出端連接計(jì)算機(jī)；所述驅(qū)動(dòng)電路輸出端連接LD，所述光電探測(cè)器輸出端連接放大電路，所述選頻放大電路輸出端連接A/D轉(zhuǎn)換器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦瓦斯氣體濃度光譜吸收檢測(cè)裝置， 其特征在于所述放大電路由電阻R1、R2、 R3、電容C1和運(yùn)算放大器LM358 組成；電阻Rl、 R2和運(yùn)算放大器LM358組成一個(gè)有源放大電路，電阻R3 為平衡電阻，電容C1完成輸入信號(hào)的高頻濾波。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦瓦斯氣體濃度光譜吸收檢測(cè)裝置， 其特征在于所述氣室右側(cè)上端設(shè)置有進(jìn)氣孔，所述氣室左側(cè)下端設(shè)置有出氣 孔。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦瓦斯氣體濃度光譜吸收檢測(cè)裝置， 其特征在于所述氣室長(zhǎng)60，，內(nèi)徑為3，。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種煤礦瓦斯氣體濃度光譜吸收檢測(cè)裝置，該裝置由電源模塊、傳感模塊、信號(hào)處理模塊和存儲(chǔ)分析模塊組成；所述電源模塊包括驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)流電路、溫控電路和調(diào)制電路；傳感模塊包括LD、氣室和光電探測(cè)器；所述存儲(chǔ)分析模塊包括A/D轉(zhuǎn)換器、示波器和計(jì)算機(jī)。該檢測(cè)裝置具有靈敏度高、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍大、不受電磁干擾、耐腐蝕、體積小的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)遙測(cè)，該裝置傳感模塊可以放入惡劣環(huán)境中進(jìn)行檢測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)煤礦瓦斯氣體濃度，及時(shí)排除煤礦安全生產(chǎn)隱患，在煤礦安全生產(chǎn)中具有重要的意義。
文檔編號(hào)G01N21/31GK201277947SQ20082022214
公開日2009年7月22日 申請(qǐng)日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者呂光杰, 輝 張, 李國(guó)民, 武風(fēng)波, 仁 汪, 豐 田, 韓曉冰 申請(qǐng)人:西安科技大學(xué)