專利名稱：一種有害氣體濃度檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種有害氣體濃度檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
目前在煤炭的生產(chǎn)、加工過程中產(chǎn)生的大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易 爆有害氣體，帶來了煤礦安全、環(huán)境污染等一系列的問題。因此，對(duì)煤礦生產(chǎn)、加工過程中產(chǎn) 生的有害氣體濃度進(jìn)行高靈敏度檢測(cè)變得十分重要。目前測(cè)量氣體濃度的精密儀器多為光 纖單種氣體傳感器，多采用常規(guī)透射式吸收氣室做為光纖氣體傳感器的核心器件，但其存 在光纖和分立光學(xué)元件的耦合問題，準(zhǔn)直復(fù)雜，溫度穩(wěn)定性不夠理想，抗震性能差和檢測(cè)精 度不高的缺點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型一種有害氣體濃度檢測(cè)裝置，通過積分球光學(xué) 器件作為吸收氣室，達(dá)到增大傳感長度的目的。該裝置包括兩組結(jié)構(gòu)相同的有害氣體濃度檢測(cè)單元和上位機(jī)；所述的有害氣體濃度檢測(cè)單元包括LED光源模塊、入射光纖、積分球氣室、積分球 擋板、光電探測(cè)器、鎖相放大器、出射光纖；其中LED光源模塊包括LED寬帶光源、耦合器、壓電陶瓷、光纖、光纖光柵和可調(diào)制 電源；LED寬帶光源通過光纖依次連接耦合器和壓電陶瓷，光纖光柵附著在壓電陶瓷上表 面，可調(diào)制電源的正負(fù)極分別連接在壓電陶瓷的兩端；積分球氣室表面設(shè)置有有害氣體檢測(cè)出射口、有害氣體檢測(cè)入射口、光量入射口和 光電探測(cè)器，其中光量入射口與有害氣體檢測(cè)出射口分別位于積分球氣室任意直徑的兩端， 光量出射口與有害氣體檢測(cè)入射口也分別位于積分球氣室任意直徑的兩端，光量入射口與有 害氣體檢測(cè)出射口所在的直徑和光量出射口與有害氣體檢測(cè)入射口所在的直徑相垂直；其中第一組LED光源模塊中的耦合器通過入射光纖分別與第一組積分球氣室的 光量入射口和第二組積分球氣室的光量入射口水平連接，第一組的鎖相放大器通過光纖連 接第一組的光電探測(cè)器，第一組的光電探測(cè)器通過出射光纖與第一組積分球氣室的光量出 射口豎直連接；第二組LED光源模塊中的耦合器通過入射光纖分別與第一組積分球氣室的 光量入射口和第二組積分球氣室的光量入射口水平連接，第二組的鎖相放大器通過光纖連 接第二組的光電探測(cè)器，第二組的光電探測(cè)器通過出射光纖與第二組積分球氣室的光量出 射口豎直連接；第一組和第二組的鎖相放大器同時(shí)連接上位機(jī)；每組積分球擋板設(shè)置在積 分球氣室內(nèi)表面，且垂直于積分球擋板與積分球氣室連接點(diǎn)的切線。所述的LED光源模塊為波長可調(diào)諧的LED光源模塊。工作工程兩組完全相同的有害氣體濃度檢測(cè)單元中，第一組中的積分球氣室當(dāng)作測(cè)量氣 室，第二組中的積分球氣室當(dāng)作參考?xì)馐?。并且第一組的耦合器同時(shí)連接第一組的積分球氣室和第二組的積分球氣室，第二組的耦合器同時(shí)連接第一組的積分球氣室和第二組的積 分球氣室，形成4路信號(hào)檢測(cè)光路，當(dāng)啟動(dòng)第一組有害氣體濃度檢測(cè)單元時(shí)，被測(cè)有害氣體 由有害氣體檢測(cè)入射口進(jìn)入第一組和第二組積分球氣室，有害氣體經(jīng)有害氣體檢測(cè)出射口 放出，出射光經(jīng)光量出射口通過出射光纖由光電探測(cè)器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，得到的 模擬電壓值在經(jīng)鎖相放大器進(jìn)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳入計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存；當(dāng)啟動(dòng)第二組有害氣體濃度檢 測(cè)單元時(shí)，被測(cè)有害氣體由有害氣體檢測(cè)入射口進(jìn)入第一組和第二組積分球氣室，有害氣 體經(jīng)有害氣體檢測(cè)出射口放出，出射光經(jīng)光量出射口通過出射光纖由光電探測(cè)器檢測(cè)并轉(zhuǎn) 換為模擬電壓值，得到的模擬電壓值數(shù)據(jù)在經(jīng)鎖相放大器進(jìn)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳入計(jì)算機(jī)，與第 一組有害氣體濃度檢測(cè)單元儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，便可檢測(cè)出對(duì)應(yīng)被測(cè)有害氣 體的有效濃度值。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)該裝置采用了積分球光學(xué)器件充當(dāng)吸收氣室，克服了常規(guī)透 射式吸收氣室的缺點(diǎn)，以較小的體積獲得較長的傳感長度，并使用可調(diào)諧波長的LED光源 做為入射光，最后結(jié)合優(yōu)異的算法實(shí)現(xiàn)不同氣體濃度的高靈敏度檢測(cè)。

圖1是本實(shí)用新型有害氣體檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本實(shí)用新型有害氣體濃度檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型波長可調(diào)諧的LED光源原理圖；圖中1.波長可調(diào)諧的LED光源，2.入射光纖，3.光量入射口，4.積分球擋板， 5.光量出射口，6.出射光纖，7.光電探測(cè)器，8.光纖，9.鎖相放大器，10.有害氣體檢測(cè)出 射口，11.有害氣體檢測(cè)入射口，12.積分球氣室，13. LED寬帶光源，14.耦合器，15.壓電陶 瓷，16.光纖光柵，17.可調(diào)制電源。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型結(jié)合附圖和實(shí)施例進(jìn)一步說明。本實(shí)施例采用兩組有害氣體濃度檢測(cè)裝置對(duì)有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，其中第一組中的 積分球氣室12當(dāng)作測(cè)量氣室，第二組中的積分球氣室12當(dāng)作參考?xì)馐?；第一組采用中心波 長為^OOcnr1的LED調(diào)制光源；第二組采用中心波長為3105cm—1的LED調(diào)制光源(對(duì)應(yīng)甲 烷氣體的吸收峰)；其中光纖光柵選用光纖Bragg光柵；壓電陶瓷15選用主要由鋯汰酸鉛0 " — PbTiO3)材料制成；耦合器14選用AV70606定向耦合器；光電探測(cè)器7選用HgCdTe型高速 光電探測(cè)器；鎖相放大器9選用型號(hào)AD630 ；LED寬帶光源13選用QD-03144AR磷砷化鎵型 發(fā)光二極管；該裝置如圖1所示，包括兩組結(jié)構(gòu)相同的有害氣體濃度檢測(cè)單元和上位機(jī)；如圖2所示，每組有害氣體濃度檢測(cè)單元均包括波長可調(diào)諧的LED光源模塊1、入 射光纖2、積分球氣室12、積分球擋板4、光電探測(cè)器7、鎖相放大器9和出射光纖6 ；如圖3所示，其中波長可調(diào)諧的LED光源模塊1包括LED寬帶光源13、耦合器14、 壓電陶瓷15、光纖8、光纖光柵16和可調(diào)制電源17 ；LED寬帶光源13通過光纖8依次連接 耦合器14和壓電陶瓷15，光纖光柵16附著在壓電陶瓷15上表面，可調(diào)制電源17的正負(fù)極 分別連接在壓電陶瓷15的兩端；[0024]積分球氣室12表面設(shè)置有有害氣體檢測(cè)出射口 10、有害氣體檢測(cè)入射口 11、光量 入射口 3和光電探測(cè)器7，其中光量入射口 3與有害氣體檢測(cè)出射口 10分別位于積分球氣 室12任意直徑的兩端，光量出射口 5與有害氣體檢測(cè)入射口 11也分別位于積分球氣室12 任意直徑的兩端，光量入射口 3與有害氣體檢測(cè)出射口 10所在的直徑和光量出射口 5與有 害氣體檢測(cè)入射口 11所在的直徑相垂直；其中第一組波長可調(diào)諧的LED光源模塊1中的耦合器14通過入射光纖2分別與 第一組積分球氣室12的光量入射口 3和第二組積分球氣室12的光量入射口 3水平連接， 第一組的鎖相放大器9通過光纖8連接第一組的光電探測(cè)器7，第一組的光電探測(cè)器7通 過出射光纖6與第一組積分球氣室12的光量出射口 5豎直連接；第二組波長可調(diào)諧的LED 光源模塊1中的耦合器14通過入射光纖2分別與第一組積分球氣室12的光量入射口 3和 第二組積分球氣室12的光量入射口 3水平連接，第二組的鎖相放大器9通過光纖8連接第 二組的光電探測(cè)器7，第二組的光電探測(cè)器7通過出射光纖6與第二組積分球氣室12的光 量出射口 5豎直連接；第一組和第二組的鎖相放大器9同時(shí)連接上位機(jī)；每組積分球擋板4 設(shè)置在積分球氣室12內(nèi)表面，且垂直于積分球擋板4與積分球氣室12連接點(diǎn)的切線。工作過程按照如圖1所示，使用兩組完全相同的有害氣體濃度檢測(cè)單元，第一組中的積分 球氣室12當(dāng)作測(cè)量氣室，第二組中的積分球氣室12當(dāng)作參考?xì)馐摇２⑶业谝唤M的耦合器 14同時(shí)連接第一組的積分球氣室12和第二組的積分球氣室12，第二組的耦合器14同時(shí)連 接第一組的積分球氣室12和第二組的積分球氣室12，形成4路信號(hào)檢測(cè)光路，第一組LED 寬帶光源13選擇中心波長為^OOcnr1的LED調(diào)制光源，第二組LED寬帶光源13選擇中心 波長為3105CHT1的LED調(diào)制光源，當(dāng)啟動(dòng)第一組有害氣體濃度檢測(cè)單元時(shí)，被測(cè)有害氣體由 有害氣體檢測(cè)入射口 11進(jìn)入第一組和第二組積分球氣室12，第一時(shí)刻，波長可調(diào)諧的LED 光源模塊1中中心波長為2600CHT1的LED調(diào)制光源，同時(shí)進(jìn)入第一組和第二組的積分球氣 室12，因?yàn)橹行牟ㄩL為2600CHT1的LED調(diào)制光源避開了大多數(shù)有害氣體的吸收范圍，所以 不受有害氣體的調(diào)制，包含了傳感光路的擾動(dòng)、其它氣體的影響和探測(cè)電路的漂移，有害氣 體經(jīng)有害氣體檢測(cè)出射口 10放出，出射光經(jīng)光量出射口 5通過出射光纖6由光電探測(cè)器 7檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，得到的模擬電壓值在經(jīng)鎖相放大器9進(jìn)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳入計(jì)算 機(jī)儲(chǔ)存；當(dāng)啟動(dòng)第二組有害氣體濃度檢測(cè)單元時(shí)，被測(cè)有害氣體由有害氣體檢測(cè)入射口 11 進(jìn)入第一組和第二組積分球氣室12，第二時(shí)刻波長可調(diào)諧的LED光源模塊1中中心波長 為3105CHT1的LED調(diào)制光源，同時(shí)進(jìn)入第一組和第二組的積分球氣室12，因?yàn)橹行牟ㄩL為 3105cm—1的LED調(diào)制光源對(duì)應(yīng)了被測(cè)有害氣體的吸收峰，受到了有害氣體的調(diào)制，信號(hào)光源 的波動(dòng)、被測(cè)氣體調(diào)制信號(hào)，有害氣體經(jīng)有害氣體檢測(cè)出射口 10放出，出射光經(jīng)光量出射 口 5通過出射光纖6由光電探測(cè)器7檢測(cè)并轉(zhuǎn)換為模擬電壓值，得到的模擬電壓值數(shù)據(jù)在 經(jīng)鎖相放大器9進(jìn)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳入計(jì)算機(jī)，與第一組有害氣體濃度檢測(cè)單元儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī) 內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法如下積分球氣室12本身就存在光源衰減，即無氣體狀態(tài)下，光源信 號(hào)強(qiáng)度會(huì)降低，根據(jù)朗伯-比爾定律，計(jì)算積分球氣室12的衰減率為
權(quán)利要求1.一種有害氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于該裝置包括兩組結(jié)構(gòu)相同的有害氣體濃 度檢測(cè)單元和上位機(jī)；所述的有害氣體濃度檢測(cè)單元包括LED光源模塊、入射光纖、積分球氣室、積分球擋 板、光電探測(cè)器、鎖相放大器、出射光纖；其中LED光源模塊包括LED寬帶光源、耦合器、壓電 陶瓷、光纖、光纖光柵和可調(diào)制電源；積分球氣室表面設(shè)置有有害氣體檢測(cè)出射口、有害氣體檢測(cè)入射口、光量入射口和光 電探測(cè)器，其中光量入射口與有害氣體檢測(cè)出射口分別位于積分球氣室任意直徑的兩端， 光量出射口與有害氣體檢測(cè)入射口也分別位于積分球氣室任意直徑的兩端，光量入射口 與有害氣體檢測(cè)出射口所在的直徑和光量出射口與有害氣體檢測(cè)入射口所在的直徑相垂 直；其中第一組LED光源模塊中的耦合器通過入射光纖分別與第一組積分球氣室的光量 入射口和第二組積分球氣室的光量入射口水平連接，第一組的鎖相放大器通過光纖連接第 一組的光電探測(cè)器，第一組的光電探測(cè)器通過出射光纖與第一組積分球氣室的光量出射口 豎直連接；第二組LED光源模塊中的耦合器通過入射光纖分別與第一組積分球氣室的光量 入射口和第二組積分球氣室的光量入射口水平連接，第二組的鎖相放大器通過光纖連接第 二組的光電探測(cè)器，第二組的光電探測(cè)器通過出射光纖與第二組積分球氣室的光量出射口 豎直連接；第一組和第二組的鎖相放大器同時(shí)連接上位機(jī)；每組積分球擋板設(shè)置在積分球 氣室內(nèi)表面，且垂直于積分球擋板與積分球氣室連接點(diǎn)的切線。
2.按權(quán)利要求1所述的有害氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于所述的LED光源模塊中 LED寬帶光源通過光纖依次連接耦合器和壓電陶瓷，光纖光柵附著在壓電陶瓷上表面，可調(diào) 制電源的正負(fù)極分別連接在壓電陶瓷的兩端。
3.按權(quán)利要求1所述的有害氣體濃度檢測(cè)裝置，其特征在于所述的LED光源模塊為 波長可調(diào)諧的LED光源模塊。
專利摘要一種有害氣體濃度檢測(cè)裝置，屬于光學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。該裝置包括兩組結(jié)構(gòu)相同的有害氣體濃度檢測(cè)單元和上位機(jī)；有害氣體濃度檢測(cè)單元均包括LED光源模塊、入射光纖、積分球氣室、積分球擋板、光電探測(cè)器、鎖相放大器、出射光纖；其中LED光源模塊包括LED寬帶光源、耦合器、壓電陶瓷、光纖、光纖光柵和可調(diào)制電源；本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)該裝置采用了積分球光學(xué)器件充當(dāng)吸收氣室，克服了常規(guī)透射式吸收氣室的缺點(diǎn)，以較小的體積獲得較長的傳感長度，并使用可調(diào)諧波長的LED光源做為入射光，最后結(jié)合優(yōu)異的算法實(shí)現(xiàn)不同氣體濃度的高靈敏度檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N21/31GK201844972SQ20102057003
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者劉宏志, 劉慶國, 王焱, 符巨云, 符江, 馬勇 申請(qǐng)人:遼寧工程技術(shù)大學(xué)