高濕易爆環(huán)境中多種氣體的分布式光纖檢測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高濕易爆環(huán)境中多種氣體的分布式光纖檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控設(shè)備不論傳感器、分站還是交換機都需要供電，且電源必須是專用的本質(zhì)安全電源，而煤礦井下供電困難?，F(xiàn)有的氣體檢測普遍采用催化、熱導(dǎo)等檢測方法，其中的敏感元件易中毒、長期穩(wěn)定性差，測量數(shù)值會隨時間產(chǎn)生漂移，因此要求傳感器連續(xù)工作7天必須進行一次標校，浪費大量人力物力。
[0003]礦井下大量存在的機電設(shè)備，在啟動和工作過程中會對傳統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的傳輸產(chǎn)生電磁干擾。礦井下的濕度很高，容易對現(xiàn)有檢測結(jié)果造成很大的誤差，同時，井下含有高濃度的甲烷、氧氣，屬于易爆環(huán)境，可能在瓦斯突出時引起爆炸。目前的礦用傳感器一般單只傳感器只有單個探頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的是針對以上技術(shù)的缺陷，提供一種高濕易爆環(huán)境中多種氣體的分布式光纖檢測裝置。本實用新型的技術(shù)解決方案是，檢測裝置包括氣體檢測模塊I和主機2，所述氣體檢測模塊I包括參比氣室13、發(fā)射透鏡15、接收透鏡14和光纖；發(fā)射透鏡15和接收透鏡14分別固定于氣體檢測模塊的兩端，中間加入標準濃度的參比氣室13，發(fā)射透鏡15通過光纖連接至DFB激光器11，接收透鏡14通過光纖連接至光電探測模塊12 ;氣體檢測模塊I置于被檢測環(huán)境中，獲取含有濃度信息的光信號，通過光纖分布式的連接至主機進行信號處理。由于氣體檢測模塊I全部由無源器件組成，可以確保其本質(zhì)安全特性和抗電磁干擾能力；主機2包括信號處理電路3、微處理器4、聲光報警模塊5、通訊模塊6、電源模塊7、液晶顯示模塊8、溫度補償模塊9、光開光10、DFB激光器11和光電探測模塊12 ；主機2中的微處理器4同時與聲光報警模塊5、通訊模塊6、電源模塊7、液晶顯示模塊8、溫度補償模塊9連接，光電探測模塊12通過信號處理電路3與微處理器4相連，微處理器4通過光開關(guān)10與DFB激光器11連接。
[0005]所述氣體檢測模塊I內(nèi)的透鏡隨參比氣室的數(shù)量成對增加。
[0006]所述氣體檢測模塊I內(nèi)的兩透鏡之間的參比氣室根據(jù)檢測氣體的不同更換。
[0007]所述氣體檢測模塊I的防護外殼采用粉末冶金燒結(jié)而成的一體式過濾筒狀多孔外殼。
[0008]本實用新型具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0009]本實用新型的氣體檢測模塊與處理單元之間是光纖通訊，無電信號，因此對電磁干擾具有先天的免疫。而且，所有的探頭都是無源的，無需本質(zhì)安全電源為其供電，且探頭到處理單元之間的距離可達到20km，每個處理單元可以連接多個探頭。同時利用激光的光譜吸收特性和遠距離傳輸特性，在實現(xiàn)氣體濃度測量的同時實現(xiàn)長距離傳輸。
[0010]本實用新型的氣體檢測模塊內(nèi)的透鏡可以隨著需要測量的氣體種類成對增加，從而實現(xiàn)同時測量多種氣體的濃度。由于主機能夠連接多個探頭，根據(jù)檢測氣體的不同，更換參比氣室內(nèi)氣樣同樣實現(xiàn)該功能。
[0011]再者，本實用新型采用分離式設(shè)計，實現(xiàn)分布式測量，氣體檢測模塊無需本質(zhì)安全供電，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，都是無源的，較好的將光纖傳感的本質(zhì)安全特性應(yīng)用于高濕易爆氣體環(huán)境中。該裝置的壽命只與激光器的壽命有關(guān)，而該激光器的預(yù)期壽命一般不少于10年。
[0012]氣體檢測模塊的防護外殼透氣性好、成本低、能夠應(yīng)對礦井中高濕度多粉塵的極端惡劣環(huán)境。采用經(jīng)過特殊封裝的標準氣室結(jié)構(gòu)，保證參比氣樣不受環(huán)境溫度的影響，光纖氣體測量較好的提高了檢測精度與速度(甲烷檢測精度S 0.01%，一氧化碳檢測精度=2ppm，響應(yīng)時間蘭15s)，而且無需定期標校。
【附圖說明】
[0013]圖1是本實用新型的原理框圖。
[0014]圖2是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本實用新型作詳細說明，如圖1、2所示。檢測裝置包括氣體檢測模塊I和主機2。主機2包括信號處理電路3、微處理器4、聲光報警模塊5、通訊模塊6、電源模塊7、液晶顯示模塊8、溫度補償模塊9、光開光10、DFB激光器11和光電探測模塊12 ；氣體檢測模塊I包括參比氣室13、發(fā)射透鏡15、接收透鏡14和光纖。一臺主機可擴展連接多個氣體檢測模塊，氣體檢測模塊通過光纖將包含有濃度信息的光信號傳送至主機進行信號處理。
[0016]發(fā)射透鏡15和接收透鏡14分別固定于氣體檢測模塊的兩端，中間加入標準濃度的參比氣室13，發(fā)射透鏡15通過光纖連接至DFB激光器11，接收透鏡14通過光纖連接至光電探測模塊12。
[0017]主機2中的微處理器4同時與聲光報警模塊5、通訊模塊6、電源模塊7、液晶顯示模塊8、溫度補償模塊9連接，光電探測模塊12通過信號處理電路3與微處理器4相連，微處理器4通過光開關(guān)10與DFB激光器連接。
[0018]所述主機2內(nèi)的光開關(guān)10采用MEMS開關(guān)，微處理器4 一方面控制DA產(chǎn)生低頻的鋸齒波，將模擬電路生成的高頻正弦波加載在鋸齒波上，以驅(qū)動光源發(fā)光，另一方面通過控制光開關(guān)，從而調(diào)整內(nèi)部光路結(jié)構(gòu)，選擇待測氣體需要的特定波長的光源。光開關(guān)所選擇的光信號通過光纖送至DFB激光器11，接著通過光纖送至發(fā)射透鏡15，此時，光源由透鏡發(fā)出，待測氣體與參比氣室13均對光進行吸收，導(dǎo)致光強度產(chǎn)生衰減，通過分別測量出射光強，便可計算出待測氣體的濃度。接收透鏡14將已通過氣體的光信號收集，通過光纖傳送至光電探測模塊12，將帶有氣體濃度信息的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過放大和濾波，濾除低頻鋸齒波，將帶有氣體濃度信息的高頻正弦輸入鎖相乘法器，與二倍頻的高頻信號相乘后，便可得到反映氣體濃度的二次諧波信號。通過二次諧波信號和光強的比值變化，獲得氣體的濃度值。該實用新型的氣體檢測模塊I中加入了參比氣室13，氣室內(nèi)充滿標準氣體濃度為1% (參比氣室內(nèi)的氣樣濃度隨情況而調(diào)整)的氣樣，由發(fā)射透鏡發(fā)出的光源，分別通過含有標準氣體濃度為I %的參比氣室13和環(huán)境中的待測氣體，根據(jù)Beer — Lambert定律得出兩組出射光強度，按照上述處理過程最后得到兩組數(shù)字信號。以濃度為1%的氣樣推演所得的二次諧波信號為標準參考值，將反映待測環(huán)境氣體濃度的二次諧波信號除以反映參比氣室氣體濃度的二次諧波信號，這兩組數(shù)值經(jīng)過比較成倍數(shù)關(guān)系，由于已知參比氣室內(nèi)采用的濃度為1%的標準氣樣，根據(jù)相除所得的系數(shù)值即可得到當前環(huán)境中待測氣體的濃度值。液晶顯示模塊8循環(huán)顯示當前環(huán)境中不同氣體的濃度值，溫度補償模塊9對環(huán)境中溫度造成的誤差進行補償校正，若實測濃度值大于設(shè)定值，聲光報警模塊5發(fā)出報警信號。
[0019]所述氣體檢測模塊I的防護外殼采用粉末冶金燒結(jié)而成的一體式過濾筒狀多孔外殼。粉末冶金是一種少或無切削加工的批量生產(chǎn)方法，可以在較低的成本下，達到環(huán)境所需的要求。現(xiàn)有的井下氣體傳感器外殼大多采用鋼制材料，本實用新型采用粉末冶金顆粒制作的外殼，該外殼透氣性好、制作成本低，環(huán)境中的待測氣體能夠均勻進入檢測模塊內(nèi)，且能夠很好的保護內(nèi)部的光路不受污染，不影響測量的精度，由于材料的特殊性能，適用于礦井中高濕度多粉塵的極端惡劣環(huán)境。
[0020]氣體檢測模塊I內(nèi)的透鏡可以隨著需要測量的氣體種類成對增加，從而實現(xiàn)同時測量多種氣體的濃度；由于主機能夠連接多個探頭，根據(jù)檢測氣體的不同，更換參比氣室內(nèi)氣樣同樣實現(xiàn)該功能。
[0021]本實用新型采用分離式設(shè)計，保證了氣體檢測模塊I是無源的，無需本質(zhì)安全供電，從實際應(yīng)用層面更符合礦井中的本質(zhì)安全要求，將其固定于礦井巷道、采掘工作面、機電硐室等位置，經(jīng)過光纖連接到井上的主機2。微處理器4通過控制光開關(guān)10選擇待測氣體對應(yīng)波長的光路。光開關(guān)是一種具有一個或多個可選擇的傳輸窗口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件。本實用新型中的光開關(guān)是基于微機電系統(tǒng)技術(shù)加工而成的，光開關(guān)與兩組光纖相連，分別作為入射端和出射端，由內(nèi)部微鏡的調(diào)整從而實現(xiàn)光路的選擇。
[0022]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.高濕易爆環(huán)境中多種氣體的分布式光纖檢測裝置，其特征在于，檢測裝置包括兩大部分:氣體檢測模塊(O和主機(2)，所述氣體檢測模塊(I)包括參比氣室(13)、發(fā)射透鏡(15)、接收透鏡(14)和光纖；發(fā)射透鏡(15)和接收透鏡(14)分別固定于氣體檢測模塊的兩端，中間加入標準濃度的參比氣室(13)，發(fā)射透鏡(15)通過光纖連接至DFB激光器(11 )，接收透鏡(14)通過光纖連接至光電探測模塊(12);主機(2)包括信號處理電路(3)、微處理器(4)、聲光報警模塊(5)、通訊模塊(6)、電源模塊(7)、液晶顯示模塊(8)、溫度補償模塊(9)、光開光(10 )、DFB激光器(11)和光電探測模塊(12 )，主機(2 )中的微處理器(4 )同時與聲光報警模塊(5 )、通訊模塊(6 )、電源模塊(7 )、液晶顯示模塊(8 )、溫度補償模塊(9 )連接，光電探測模塊(12)通過信號處理電路(3)與微處理器(4)相連，微處理器(4)通過光開關(guān)(10)與DFB激光器(11)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高濕易爆環(huán)境中多種氣體的分布式光纖檢測裝置，其特征在于，所述氣體檢測模塊(I)內(nèi)的透鏡隨參比氣室的數(shù)量成對增加。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高濕易爆環(huán)境中多種氣體的分布式光纖檢測裝置，其特征在于，所述氣體檢測模塊(I)內(nèi)的兩透鏡之間的參比氣室根據(jù)檢測氣體的不同更換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高濕易爆環(huán)境中多種氣體的分布式光纖檢測裝置，其特征在于，所述氣體檢測模塊(I)的防護外殼采用粉末冶金燒結(jié)而成的一體式過濾筒狀多孔外殼。
【專利摘要】本實用新型屬于光電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種高濕易爆環(huán)境中多種氣體的分布式光纖檢測裝置，檢測裝置包括主機、光纖、氣體檢測模塊(探頭)。本實用新型基于光譜吸收的原理檢測氣體的濃度，利用光開關(guān)切換光路，選擇激光器所發(fā)射的不同波長的光源，實現(xiàn)測量不同的氣體濃度。通過加入標準濃度的各種參比氣室，采用比較法，有效提高測量精度，消除了環(huán)境溫度等影響。本實用新型采用了根據(jù)礦井特殊環(huán)境定制的粉末冶金外殼，針對環(huán)境中粉塵多、濕度大的情況，能夠較好的保護傳感器內(nèi)部的光路。本實用新型具有抗輻射、耐腐蝕、壽命長、傳輸距離長等優(yōu)點，氣體檢測模塊無需本質(zhì)安全供電，外殼有特殊防護，將光纖傳感的本質(zhì)安全特性應(yīng)用于高濕易爆氣體環(huán)境。
【IPC分類】G01N21-31, G08C23-06, G01N21-01
【公開號】CN204536185
【申請?zhí)枴緾N201520207531
【發(fā)明人】苗丙, 彭鈴舒, 徐松濤
【申請人】北京瑞賽長城航空測控技術(shù)有限公司, 中航高科智能測控有限公司, 中國航空工業(yè)集團公司北京長城航空測控技術(shù)研究所
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年4月8日