專利名稱：用于瓦斯發(fā)電的光纖多參數(shù)檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種應(yīng)用瓦斯發(fā)電的多參數(shù)檢測系統(tǒng)，使用波分復(fù)用技術(shù)能夠?qū)?瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度、濕度、溫度等多參?shù)實(shí)現(xiàn)同時(shí)在線安全檢測。
背景技術(shù)：
我國是煤炭生產(chǎn)大國，瓦斯突出的礦井約占煤炭礦井的一半。瓦斯是煤礦安全的 最大威脅，全國煤礦重大安全事故70 %以上都與瓦斯爆炸有關(guān)。瓦斯中的甲烷含量很高，甲 烷的溫室效應(yīng)在全球氣候變暖中的份額為15%，僅次于二氧化碳；而且，等量甲烷造成的 溫室效應(yīng)是二氧化碳的21倍。國家發(fā)改委公布的數(shù)據(jù)顯示，全國煤層氣利用率僅為23%， 這意味著大多數(shù)的煤層氣正朝天排放，其溫室效應(yīng)不容忽視。不管從采礦安全、經(jīng)濟(jì)效益角度，或是從環(huán)境保護(hù)方面講，瓦斯的抽采利用的意義 都十分巨大。目前對瓦斯有效地利用的重要方法手段主要為瓦斯發(fā)電。瓦斯發(fā)電可以根據(jù) 氣源(甲烷濃度)分為高瓦斯常規(guī)發(fā)電和低瓦斯發(fā)電兩大類。常規(guī)瓦斯發(fā)電技術(shù)中，抽采 的煤層氣甲烷含量在25%以上的；采用低瓦斯煤層氣進(jìn)行直接發(fā)電稱為低瓦斯發(fā)電。根據(jù)現(xiàn)行的《煤礦安全規(guī)程》，常規(guī)可供輸送的煤層氣濃度不應(yīng)低于25%。對常規(guī) 煤層氣輸配系統(tǒng)，應(yīng)在抽放泵出口設(shè)置煤層氣濃度檢測裝置，當(dāng)井下抽采的煤層氣濃度小 于25 %時(shí)，應(yīng)關(guān)閉輸配閥門，打開排空閥門，將低濃度瓦斯直接排空，防止低濃度瓦斯氣體 進(jìn)入系統(tǒng)。在瓦斯發(fā)電過程中必須對瓦斯?jié)舛刃畔⑦M(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，同時(shí)還要對氧氣、濕度等 信息檢測以確定瓦斯的氧化程度和確保安全等問題。不管高瓦斯發(fā)電還是低瓦斯發(fā)電，目 前采用的檢測技術(shù)往往都是傳統(tǒng)的電子式傳感器或者紅外檢測技術(shù)，由于用于發(fā)電的煤層 氣具有高粉塵、高濕度、濃度變化波動(dòng)較大等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的檢測技術(shù)應(yīng)用十分困難，往 往需要不斷地校正，經(jīng)常更換檢測儀以及會(huì)出現(xiàn)檢測誤差較大、量程不夠等問題。例如要 保證瓦斯發(fā)電的安全，不致使產(chǎn)生爆炸等事故，就必須對煤層氣瓦斯?jié)舛群蜏囟冗M(jìn)行實(shí)時(shí) 快速檢測，但是傳統(tǒng)電子檢測裝置在高濕度環(huán)境下往往無法工作，并且電子檢測儀帶電工 作更增加了危險(xiǎn)性；現(xiàn)有瓦檢儀(黑白元件式、光瓦等)都需要經(jīng)常校正才能夠保證檢測準(zhǔn)確。另外，現(xiàn)有專利及國內(nèi)外文獻(xiàn)中提出的采用近紅外激光測量氣體濃度的方案，該 方案中采用氣體對激光的吸收原理，但是，在實(shí)際應(yīng)用中，特別是溫度不恒定的環(huán)境中檢測 結(jié)果出現(xiàn)了誤差。如圖11，在不同溫度下同樣濃度的氣體產(chǎn)生了不同的吸收系數(shù)，從而以上 提及的現(xiàn)有的近紅外氣體檢測方案都將會(huì)出現(xiàn)不同的檢測誤差，圖12深色曲線為根據(jù)以 上方案的檢測以實(shí)際檢測到的測試數(shù)據(jù)圖，淺色曲線為溫度校正后的測試數(shù)據(jù)圖，效果非 常明顯。不只是瓦斯，氧氣、濕度等都有這種問題存在。可見，溫度對于瓦斯氣體檢測的影 響是不容忽視的，但是現(xiàn)在的所有光學(xué)的檢測儀器都沒有根據(jù)氣體的溫度進(jìn)行校正。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要目的是設(shè)計(jì)開發(fā)一種基于光纖傳感技術(shù)的多種參數(shù)同時(shí)檢測的系統(tǒng)。本發(fā)明是一種能夠不帶電、無需校正、多參數(shù)長期可靠檢測的儀器，還能在檢測了環(huán)境溫度 的同時(shí)也實(shí)時(shí)校正了氣體檢測儀的誤差，對于瓦斯發(fā)電將是一項(xiàng)并且經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大 的重大創(chuàng)新技術(shù)。本方案是通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)的它包括光源驅(qū)動(dòng)電路和與之電連接的至少 一路對應(yīng)氣體中心波長的DFB半導(dǎo)體激光器，在所述DFB半導(dǎo)體激光器和探頭之間的光路 上設(shè)置有光開關(guān)，與所述探頭配合設(shè)置有光電探測器，DFB半導(dǎo)體激光器、光開關(guān)、探頭和光 電探測器之間均采用光纜連接，光電探測器與單片機(jī)電連接，光開關(guān)與單片機(jī)通過光開關(guān) 控制線電連接。本方案的具體特點(diǎn)還有所述DFB半導(dǎo)體激光器為2個(gè)，發(fā)出分別對應(yīng)瓦斯和氧氣 的中心波長的激光。所述DFB半導(dǎo)體激光器為3個(gè)，發(fā)出分別對應(yīng)瓦斯、氧氣和水汽中心波長的激光。 通過水汽對激光的吸收以及激光掃描方式實(shí)現(xiàn)濕度檢測，使得濕度檢測方便可靠。所述探頭包括一固定座，在固定座上相對設(shè)置有入射端光纖準(zhǔn)直器和接收端光纖 準(zhǔn)直器，在入射端光纖準(zhǔn)直器和接收端光纖準(zhǔn)直器之間形成有氣體吸收腔，入射端光纖準(zhǔn) 直器與光纜連接，出射端光纖準(zhǔn)直器與出射光纖連接。在接收端光纖準(zhǔn)直器和出射光纖之間的光路上串聯(lián)設(shè)置有光纖光柵，光纖光柵中 心波長位置選擇在氣體吸收峰附近DFB激光器能夠掃描到的范圍內(nèi)。氣體吸收腔串聯(lián)一個(gè) 光纖光柵用于測溫度，溫度與氣體同步檢測，溫度信息能夠校正因不同溫度下氣體吸收系 數(shù)不同導(dǎo)致的測量誤差。一套檢測儀能夠同時(shí)檢測多種氣體濃度、濕度和溫度信息，高度集 成。本發(fā)明的有益效果是光纖中的光通過光纖準(zhǔn)直器耦合到空間傳輸，被氣體吸收 后重新被耦合回光纖，通過氣體吸收腔和光纖光柵的光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換被單片機(jī)采集并進(jìn)行 數(shù)據(jù)分析處理，得出氣體濃度、濕度；單片機(jī)通過光開關(guān)控制線控制光開關(guān)通道切換，實(shí)現(xiàn) 一個(gè)探頭同時(shí)檢測多種氣體；使用溫度信息對氣體檢測進(jìn)行校正，避免了因環(huán)境溫度對氣 體檢測造成的測量誤差；實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)檢測，主要監(jiān)測的參數(shù)為瓦斯?jié)舛?、溫度、氧氣?量、濕度等；采用全光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，探頭部分為光學(xué)元器件組成，不使用電子器件以防引起 不安全因素；本系統(tǒng)發(fā)揮其不帶電工作的優(yōu)勢，提高了瓦斯發(fā)電檢測設(shè)備的安全性能。采用 光開關(guān)選擇多個(gè)激光光源的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使得后續(xù)光路以及電路可以共用，節(jié)約簡化了結(jié)構(gòu)， 也使得一個(gè)探頭檢測多種氣體。通過激光掃描方式，同時(shí)掃描光纖光柵和氣體吸收峰，實(shí)現(xiàn) 了溫度氣體同時(shí)檢測。氣體吸收腔與光纖光柵串聯(lián)，簡化了檢測光路，一條光纖即可實(shí)現(xiàn)。


圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖2驅(qū)動(dòng)信號和光電轉(zhuǎn)換輸出信號波形圖；圖3不同溫度下光 電轉(zhuǎn)換輸出信號圖；圖4瓦斯吸收光譜圖；圖5水汽吸收光譜圖；圖6氧氣吸收光譜圖；圖 7不同水汽濃度下光電轉(zhuǎn)換輸出信號；圖8光柵波長與溫度的對應(yīng)標(biāo)定數(shù)據(jù)圖；圖9氣體濃 度與輸出信號標(biāo)定圖；圖10探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖11不同溫度下的瓦斯氣體吸收系數(shù)圖；圖 12溫度校正前后不同溫度下檢測誤差圖；圖中1-光源驅(qū)動(dòng)電路，2-1653nmDFB激光器，3_76 InmDFB激光器，4_1364nmDFB激 光器，5-光開關(guān)，6-光纜，7-探頭，8-光電探測器，9-光纜，10-單片機(jī)，11-光開關(guān)控制線，12-入射端光纖準(zhǔn)直器，13-接收端光纖準(zhǔn)直器，14-光纖光柵，15-固定座，16-出射光纖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示為該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。光源驅(qū)動(dòng)電路1驅(qū)動(dòng)3個(gè)DFB半導(dǎo)體激光器(2，3， 4)，本系統(tǒng)中，為檢測瓦斯?jié)舛?、氧氣濃度和濕?水汽濃度)特采用中心波長分別對應(yīng)這 三種氣體某一特征吸收峰位置的DFB半導(dǎo)體激光器，三種氣體的吸收峰分別如圖4、圖5、圖 6所示。驅(qū)動(dòng)電路1輸出的信號如圖2所示為一鋸齒波，使得激光器能夠完整地掃描出氣體 的一個(gè)吸收峰。激光器發(fā)出的光經(jīng)過光開關(guān)5、光纜6進(jìn)入到探頭7，探頭7中包含的吸收腔結(jié)構(gòu) 如圖10所示，由入射端光纖準(zhǔn)直器12，出射端光纖準(zhǔn)直器13、光纖光柵14和固定座15組 成。一對準(zhǔn)直器組成氣體吸收腔，使得光從光纖中耦合到空氣中，被氣體充分吸收后再耦合 回光纖；光纖光柵14用于測量溫度，并對氣體檢測進(jìn)行補(bǔ)償校正。由探頭7透過的光經(jīng)過 光纜9進(jìn)入到光電探測器8轉(zhuǎn)換為電信號，輸出信號如圖2細(xì)線所示，圖中A為光纖光柵形 成的透過峰，B為氣體吸收效果。透過光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后信號被單片機(jī)10數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行 解調(diào)分析，根據(jù)標(biāo)定公式反算出氣體濃度值和溫度值。光開關(guān)5在單片機(jī)10的控制下可以選擇三路分別是1653nmDFB激光器2， 761nmDFB激光器3，1364nmDFB激光器4其的一支直接與光纜6連接，其他的光不進(jìn)入光纜 6。單片機(jī)10通過光開關(guān)控制線11發(fā)送控制信號，使得光開關(guān)5切換通道，切換另一路激 光器與光纜6相連通，從而分析另一種氣體濃度。三個(gè)通道循環(huán)切換，選擇對應(yīng)不同氣體 吸收峰波長的激光器即可實(shí)現(xiàn)多種氣體檢測，不間斷地依次檢測可實(shí)現(xiàn)三種氣體濃度的巡 檢。光纖光柵串聯(lián)在光路內(nèi)，可以同時(shí)對氣體和溫度同步檢測，溫度的同步檢測不僅實(shí)現(xiàn)溫 度檢測，還為氣體的準(zhǔn)確檢測提供了校正補(bǔ)償。單片機(jī)10主要作用是信號的采集與運(yùn)算。首先是通過A/D將光電轉(zhuǎn)換后的信號 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；采集到的信號在單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行數(shù)字濾波，單片機(jī)從采集到的信號中分析出 當(dāng)前溫度信息；另外，根據(jù)氣體吸收原理從信號中運(yùn)算分析出氣體濃度，通過溫度信息補(bǔ)償 校正濃度計(jì)算的公式使得結(jié)果更加準(zhǔn)確。單片機(jī)可采用8051單片機(jī)等具有A/D和與輸出 控制功能的單片機(jī)均可用于該系統(tǒng)。溫度檢測原理圖2中A位置波谷最小值既是光纖光柵9的中心波長位置，光柵與應(yīng)力及溫度變 化的關(guān)系為A =入 B(l-p) A e +入 B(l+€) AT (1)式中，A XB是應(yīng)力和溫度變化引起的反射光中心波長的改變；A e為應(yīng)力的變 化；AT為溫度的變化量；P是光纖的光彈系數(shù)；I為光纖的熱光系數(shù)。在1. 5um波段，F(xiàn)BG 對溫度和應(yīng)變的敏感系數(shù)大約分別為12pm/°C和1pm/ e。如圖10中所示固定光柵，在光纖光柵不受外力作用下使得光纖光柵兩端固定，中 間處于自由狀態(tài)，不受外部金屬等器件的拉力，從而將公式中應(yīng)力變化的影響消除，于是公 式變?yōu)锳入B = K+入bB A T (2)K、B為常數(shù)，可見，波長的變化只與AT有關(guān)，相反，要測量溫度，只需要測得A AB 即可，如圖3細(xì)曲線為25°C信號，粗曲線為30°C曲線，溫度越高，光柵的中心波長越往長波 長移動(dòng)。只需要測到波形數(shù)據(jù)中的光柵位移即可計(jì)算出溫度變化量，從而能夠測量風(fēng)場溫度。氣體檢測原理當(dāng)光通過氣體時(shí)，會(huì)被氣體有選擇地吸收，如圖4為CH4氣體在不同波長處的吸收 光譜圖，圖5為水汽在不同波長處的吸收光譜圖，圖6為氧氣在不同波長處的吸收光譜圖。 可見每種不同的氣體有其不同的吸收峰，并且根據(jù)Beer定律，吸收強(qiáng)度與氣體的濃度關(guān)系 為<formula>formula see original document page 6</formula>
式中1_經(jīng)過氣體的吸收后的出射光強(qiáng)度；\ ~入射激光波長；a -單位吸收長 度、單位濃度的氣體吸收系數(shù)；c-氣體濃度(ppm) ；L-通過氣室的路徑長度(cm)。由上式可推出<formula>formula see original document page 6</formula>
上式可以看出，在已知輸入光強(qiáng)和吸收系數(shù)并檢測出輸出光強(qiáng)時(shí)便可以計(jì)算出氣 體的濃度值。如圖7所示為不同水汽濃度時(shí)得到的信號，細(xì)線為高濃度信號，濃度越高，吸 收越強(qiáng)，同樣，根據(jù)吸收信號的波谷深度可以反算出氣體的濃度，從而計(jì)算出濕度。通過光 開關(guān)切換，可以同以上原理測量其他氣體如瓦斯、氧氣等的濃度。單片機(jī)采集光電轉(zhuǎn)換的電信號，通過以上方法分析計(jì)算出溫度、瓦斯氣體濃度、氧 氣濃度和濕度信息。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套檢測儀同時(shí)檢測多種參數(shù)的功能，便于檢測儀 器的安裝使用；同時(shí)，因?yàn)榘惭b在瓦斯發(fā)電現(xiàn)場的部分僅為光纜6、光纖光柵14，入射端光 纖準(zhǔn)直器12和出射端光纖準(zhǔn)直器13這幾部分光學(xué)元件，其他部分在監(jiān)控室內(nèi)，現(xiàn)場沒有任 何帶電元器件，無需頻繁校正，也無需供電，提高了瓦斯發(fā)電監(jiān)測系統(tǒng)的安全性能。使用時(shí)，按照圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖連接系統(tǒng)，首先調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路，使其輸出如圖2深色 曲線樣式驅(qū)動(dòng)電流信號，將其用來驅(qū)動(dòng)三支中心波長分別為1653nm、761nm、1364nm的DFB 激光器，激光器發(fā)出掃描激光。單片機(jī)控制光開關(guān)分時(shí)(此系統(tǒng)中為每0. 7秒切換一次)選 擇激光器進(jìn)入后續(xù)的光路。掃描激光經(jīng)過光纜進(jìn)入安裝與檢測現(xiàn)場的氣體吸收腔，氣體吸 收腔為一對通訊用普通光纖準(zhǔn)直器，(此系統(tǒng)中常用工作距離5cm準(zhǔn)直器)，將光從光纖耦 合到吸收腔環(huán)境的空氣中，氣體會(huì)對激光充分吸收，然后再耦合回光纖。經(jīng)過氣體吸收后的 光再進(jìn)入光纖光柵，光纖光柵采用普通通訊單模光纖光柵，光柵的中心波長必須位于激光 器掃描范圍內(nèi)并且不與氣體吸收線重合的位置，如圖2中A點(diǎn)為光柵中心位置，距離氣體吸 收峰B點(diǎn)一定距離并且較差或重合。透過光纖光柵的光經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換以電壓信號的方式輸 出，在氣體吸收和光柵作用后輸出波形如圖3、圖7所示，其中圖3中兩條曲線的不同是由于 溫度不同造成，圖7中兩條曲線的不同是由于氣體濃度不同造成，根據(jù)這些特征單片機(jī)可 以計(jì)算出溫度和氣體濃度值。單片機(jī)采集光電轉(zhuǎn)換后的電壓信號，分析信號特征，與標(biāo)定數(shù) 據(jù)進(jìn)行對比計(jì)算出氣體濃度和溫度，例如圖8為溫度標(biāo)定曲線，能夠得出溫度的計(jì)算公式； 圖9為氣體濃度標(biāo)定曲線圖，也可以得出濃度計(jì)算公式。當(dāng)光開關(guān)切換到另一路激光器時(shí)，檢測的氣體隨之改變，當(dāng)選擇1653nm時(shí)檢測到 氣體濃度為瓦斯?jié)舛?，選擇761nm時(shí)為氧氣，選擇1364nm時(shí)為濕度。單片機(jī)程序在計(jì)算輸出溫度以及氣體濃度值時(shí)，需要分析對比標(biāo)定數(shù)據(jù)。在測量 溫度時(shí)，首先對溫度于光柵波長對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，如圖8所示為一光柵波長與溫度的對 應(yīng)標(biāo)定數(shù)據(jù)圖。根據(jù)圖中標(biāo)定出的溫度波長計(jì)算公式即可計(jì)算出溫度值。在測量氣體時(shí)，如圖2中B、C、D三點(diǎn)信號電壓值分別為<formula>formula see original document page 7</formula>首先通入多種標(biāo)準(zhǔn)氣體，
分別記錄氣體濃度與對應(yīng)W值，得出一濃度與信號值曲線公式，如圖9所示。檢測氣體時(shí)， 單片機(jī)分析采集到的數(shù)據(jù)得出W值，再通過圖9得出的公式便可以計(jì)算輸出氣體濃度值。
如圖12當(dāng)溫度變化后，根據(jù)圖9得出的濃度計(jì)算公式是存在誤差的，因?yàn)闅怏w的 吸收系數(shù)隨溫度而線性改變，如圖11，所以需要根據(jù)圖11的吸收系數(shù)和光柵測出的溫度數(shù) 據(jù)對氣體濃度值進(jìn)行校正，如圖12中粗線和細(xì)線為校正前后的對比圖，校正后效果明顯改 變。
權(quán)利要求
一種用于瓦斯發(fā)電的光纖多參數(shù)檢測儀，其特征是它包括光源鋸齒波驅(qū)動(dòng)電路和與之電連接的至少一路中心波長對應(yīng)氣體吸收峰的DFB半導(dǎo)體激光器，在所述DFB半導(dǎo)體激光器和探頭之間的光路上設(shè)置有光開關(guān)，與所述探頭配合設(shè)置有光電探測器，DFB半導(dǎo)體激光器、光開關(guān)、探頭和光電探測器之間均采用光纜連接，光電探測器與單片機(jī)電連接，光開關(guān)與單片機(jī)通過光開關(guān)控制線電連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瓦斯發(fā)電的光纖多參數(shù)檢測儀，其特征是所述DFB半導(dǎo) 體激光器為2個(gè)，發(fā)出分別對應(yīng)瓦斯和氧氣的中心波長的激光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瓦斯發(fā)電的光纖多參數(shù)檢測儀，其特征是所述DFB半導(dǎo) 體激光器為3個(gè)，發(fā)出分別對應(yīng)瓦斯、氧氣和水汽中心波長的激光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瓦斯發(fā)電的光纖多參數(shù)檢測儀，其特征是所述探頭包括 一固定座，在固定座上相對設(shè)置有入射端光纖準(zhǔn)直器和接收端光纖準(zhǔn)直器，在入射端光纖 準(zhǔn)直器和接收端光纖準(zhǔn)直器之間形成有氣體吸收腔，入射端光纖準(zhǔn)直器與光纜連接，出射 端光纖準(zhǔn)直器與出射光纖連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瓦斯發(fā)電的光纖多參數(shù)檢測儀，其特征是在接收端光纖 準(zhǔn)直器和出射光纖之間的光路上串聯(lián)設(shè)置有光纖光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于瓦斯發(fā)電的光纖多參數(shù)檢測儀，其特征是所述單片機(jī)為 8051單片機(jī)。
全文摘要
一種用于瓦斯發(fā)電的光纖多參數(shù)檢測儀，其特征是它包括光源鋸齒波驅(qū)動(dòng)電路和與之電連接的至少一路中心波長對應(yīng)氣體吸收峰的DFB半導(dǎo)體激光器，在所述DFB半導(dǎo)體激光器和探頭之間的光路上設(shè)置有光開關(guān)，與所述探頭配合設(shè)置有光電探測器，DFB半導(dǎo)體激光器、光開關(guān)、探頭和光電探測器之間均采用光纜連接，光電探測器與單片機(jī)電連接，光開關(guān)與單片機(jī)通過光開關(guān)控制線電連接。本發(fā)明主要用于瓦斯的檢測。
文檔編號G01K11/32GK101799408SQ201010147900
公開日2010年8月11日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者倪家升, 尚盈, 張婷婷, 李艷芳, 王昌, 王黔, 趙燕杰, 魏玉賓 申請人:山東省科學(xué)院激光研究所