基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置.pdf

本发明公开了一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置；涉及一种煤矿瓦斯检测装置，具体地说，涉及一种基于甲烷(CH4)在近红外波段1653nm附近的特征吸收线的多点CH4浓度在线监测装置。本发明包括D/A转换模块，DFB激光器，1*N光分路器，开放气室组，参考气室，光电探测器组，前置放大器组，电子开关，带通滤波电路，第一、二锁相放大电路，第一、二A/D转换模块，第一、二、三DDS，MCU，显示器，串口和计算机。与传统瓦斯气体监测装置相比，本发明具有较高的灵敏度、较高的气体鉴别能力、快速的响应能力、极强的抗干扰能力，以及易于形成网络等诸多优点，因而是目前最适宜于井下使用的一种瓦斯监测装置。

1、  一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置，其特征在于：
包括D/A转换模块，DFB激光器，1*N光分路器，开放气室组，参考气室，光电探测器组，前置放大器组，电子开关，带通滤波电路，第一、二锁相放大电路，第一、二A/D转换模块，第一、二、三DDS，MCU，显示器，串口和计算机；
D/A转换模块与A/D转换模块均为MCU内置；
MCU分别与第一、二、三DDS连接，并分别对其进行初始化；
D/A转换模块和第一DDS分别接DFB激光器并对其进行调谐；
DFB激光器，1*N光分路器，开放气室组和参考气室，光电探测器组，前置放大器组和电子开关前后依次连接，实现激光的分路、光电转换、放大和各通道之间的切换，再接带通滤波电路；
带通滤波电路的输出分为两路：一路接第一锁相放大器，再接MCU内置的第一A/D转换模块；另一路接第二锁相放大器，再接MCU内置的第二A/D转换模块；
第二DDS接第一锁相放大器，为第一锁相放大器提供10KHz参考信号；第三DDS接第二锁相放大器，为第二锁相放大器提供20KHz参考信号；
MCU分别接显示器和串口；串口接计算机；
DFB—分布反馈式；
DDS—直接数字频率合成器；
MCU—微控制器。

2、  按权利要求1所述的煤矿瓦斯多点在线检测装置，其特征在于：
DFB激光器2选用中心波长为1653nm的DFB激光器。

3、  按权利要求1所述的煤矿瓦斯多点在线检测装置，其特征在于：
开放气室组4包括1、2、3……N-1个开放气室，N为自然数，开放气室置于井下，监测瓦斯浓度；
开放气室是一种两端对称的气体传感器，包括单模传输光纤(4.1)、准直器(4.2)、六边形气室支架(4.3)、微孔滤膜(4.4)和带孔不锈钢管体(4.5)；
单模传输光纤(4.1)、准直器(4.2)、六边形气室支架(4.3)、带孔不锈钢管体(4.5)、六边形气室支架(4.3)、准直器(4.2)和单模传输光纤(4.1)依次连接，在带孔不锈钢管体(4.5)外包裹有微孔滤膜(4.4)。

4、  按权利要求1所述的煤矿瓦斯多点在线检测装置，其特征在于：
参考气室(5)为一种封闭式结构，设有进气口和出气口，其中充满CH₄与氮气的混合气体，CH₄浓度为1％。

基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置
技术领域
本发明涉及一种煤矿瓦斯检测装置，尤其涉及一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置；具体地说，涉及一种基于甲烷(CH₄)在近红外波长1653nm附近的特征吸收线而研制的煤矿瓦斯多点在线检测装置。
背景技术
我国人口众多，矿产丰富；但煤矿瓦斯煤尘爆炸事故严重影响煤矿的安全生产。煤矿中瓦斯的主要成分是CH₄，约占83～89％，瓦斯是煤矿自然灾害的重要根源。瓦斯达到一定浓度能使人窒息，遇火源爆炸；瓦斯爆炸还极易引起煤尘爆炸。煤矿中瓦斯突出也是一种强烈的动力现象和严重的灾害，瓦斯事故已占全国煤矿重大事故总数的70％以上；实时监测瓦斯气体含量、防止其爆炸意义重大。为了预防与控制事故的发生，最大限度地减少人员伤亡事故，必须设置能在线实时快速检测甲烷气体浓度的仪器和设备。
目前，我国绝大多数大型国有煤矿的瓦斯预警装置都是一种电催化探测装置，然而长期以来我国载体催化元件一直存在使用寿命短、工作稳定性差和调校期频繁的缺点，严重制约着矿井瓦斯的正常检测，因而需要开发一种能实时检测、安全有效的传感技术。光纤气体传感技术是把光纤作为信号传输通道的传感技术，是一项正在发展中的具有广阔前景的新型技术。由于光纤本身在传输信息过程中具有许多特有的性质，如光纤传输信息时能量损耗很小，给远距离遥测带来很大的方便；光纤材料性能稳定，信号不受电磁场干扰，在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变；所以光纤传感器从问世到如今，一直都在飞速地发展。
近年来，采用光纤传感原理设计的便携式光纤传感器和单点在线监测装置不断问世，但存在成本过高、检测灵敏度不高、没有形成网络化等诸多缺点。
发明内容
本发明目的就在于克服现有煤矿瓦斯检测技术存在的缺点和不足，提供一种基于光谱吸收的煤矿瓦斯多点在线检测装置，它是一种灵敏度高、反应时间短、成本低、稳定性和可靠性较高的，能够在线实时监测CH₄浓度的高精度监测装置。
本发明的目的是这样实现的：
1、设计原理
当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。根据Beer-Lambert定律，出射光强I与入射光强I₀和气体的体积分数之间的关系式为：
I＝I₀ exp[-α(λ)CL]
其中：
α(λ)为气体吸收系数，即气体在一定波长λ处的吸收线型；
L为吸收路径的长度；
C为气体的浓度。
通过各项推导以及傅里叶变换，得出它的一次谐波(f)和二次谐波(2f)的系数分别为：
I_f＝I₀η
I_2f＝-κα₀CLI₀
二次谐波与一次谐波的比值为
I 2 f I f = - κα 0 CL η ]]>
用二次谐波与一次谐波的比值作为装置的输出，可以获得气体浓度信息，并且可以消除光源波动等共模噪声。
装置的核心部分包括信号源、多点检测、参考气室、装置的控制与反馈、浓度信号的处理。
信号源采用DDS频率合成芯片，输出特定频率的正弦信号，并能控制输出信号的相位；
采用光分路器将光源发出的光分为多束；
采用单光源、多气室、多探测器的结构；
采用参考气室，通过单片机控制电子开关进行来回切换，通过对比参考气室的谐波比值来得出当前气体的浓度，消除了电路参数的偏差带来的测量误差和激光器波长漂移带来的误差，同时参考气室也检验传感系统是否正常工作；
反馈主要有两路，一路是通过检测谐波比值来调整信号的相位；另一路就是通过参考气室的方法来锁定激光器的输出波长。
2、具体结构
本发明包括D/A转换模块，DFB激光器，1*N光分路器，开放气室组，参考气室，光电探测器组，前置放大器组，电子开关，带通滤波电路，第一、二锁相放大电路，第一、二A/D转换模块，第一、二、三DDS，MCU，显示器，串口和计算机；
D/A转换模块与A/D转换模块均为MCU内置；
MCU分别与第一、二、三DDS连接，并分别对其进行初始化；
D/A转换模块和第一DDS分别接DFB激光器并对其进行调谐；
DFB激光器，1*N光分路器，开放气室组和参考气室，光电探测器组，前置放大器组和电子开关前后依次连接，实现激光的分路、光电转换、放大和各通道之间的切换，再接带通滤波电路；
带通滤波电路的输出分为两路：一路接第一锁相放大器，再接MCU内置的第一A/D转换模块；另一路接第二锁相放大器，再接MCU内置的第二A/D转换模块；
第二DDS接第一锁相放大器，为第一锁相放大器提供10KHz参考信号；第三DDS接第二锁相放大器，为第二锁相放大器提供20KHz参考信号；
MCU分别接显示器和串口；串口接计算机。
3、工作原理
每种气体都有特定的吸收谱线，不同气体对光吸收使光产生不同的特性衰减。本发明选用中心波长为1653nm的DFB激光器，DDS一路10KHz正弦信号滤除其中的直流成分以及20KHz以上交流信号后调制到激光器上；通过D/A控制激光器的偏置电流，以此调节激光器的波长，使其对准CH₄气体吸收的中心波长，以达到谐波最大值；用户将开放气室组多点地放入井下，激光通过单模光纤传输到气室，由于气体的吸收效应，出射光带有气体的浓度信息，通过探测器将光信号转化为电信号，经前置放大后再经过带通滤波电路进入锁相放大电路；第一、第二DDS分别提供10KHz和20KHz正弦信号，通过比较器后得到占空比为50％的10KHz和20KHz方波信号，分别作为第一、第二锁相放大电路的参考信号，解调出检测信号中的10KHz和20KHz正弦信号；解调出来的10kHz和20kHz信号分别经过积分放大电路，滤除交流成分，经MCU的A/D转换模块处理，即可得10kHz和20kHz信号幅度，得到20KHz与10KHz信号比值，通过数据处理得出气体浓度值。
本发明具有下列优点和积极效果：
1、采用中心波长为1653nm的DFB激光器作光源，谱宽较窄，光能主要集中在甲烷吸收线1653nm处；
2、采用带微孔滤膜的开放气室，气体可以通过微孔滤膜进入气室，气体浓度跟环境气体浓度保持一致，能很好地实现实时在线监测，而且微孔滤膜还具有防尘防潮的作用，对气室上的准直器具有保护功能；
3、采用单光源多气室多探测器的结构，具有易于扩展，成本低的优点；
4、采用参考气室，参考气室中充满标准浓度的CH₄气体，可以消除激光器波长漂移带来的误差；
5、信号源采用DDS频率合成芯片，输出特定频率的正弦信号，并能控制输出信号的相位；
6、采用光纤传输，光纤材料性能稳定，信号不受电磁场干扰，在高温、高压、低温、强腐蚀等恶劣环境下保持不变，光纤传输信息时能量损耗很小，给远距离遥测带来很大的方便。
7、仅开放气室组放置井下，其它功能块都可以放置在地面控制室，实现远程遥控，实时监测，最大限度保证了人员安全；
8、本装置测试甲烷浓度，分辨率能达到100ppm，单通道响应时间达到5s。
总之，与传统瓦斯气体监测装置相比，本发明具有较高的灵敏度、较高的气体鉴别能力、快速的响应能力、极强的抗干扰能力，以及易于形成网络等诸多优点，因而是目前最适宜于井下使用的一种瓦斯监测装置。
附图说明
图1是本发明结构框图；
图2是开放气室结构图。
其中：
1—D/A转换模块；
2—DFB激光器；
3—1*N光分路器；
4—开放气室组，
  4.1—单模传输光纤，4.2—准直器，4.3—六边形气室支架，
  4.4—微孔滤膜，4.5—带孔不锈钢管体；
5—参考气室；
6—PIN探测器组；
7—前置放大器组；
8—电子开关；
9—带通滤波电路；
10—第一锁相放大电路；
11—第二锁相放大电路；
12—第一A/D转换模块；
13—第二A/D转换模块；
14—第一DDS；
15—第二DDS；
16—第三DDS；
17—MCU；
18—显示器；
19—串口；
20—计算机。
英译汉：
A/D—模数转换模块；
D/A—数模转换模块；
DFB—分布反馈式激光器；
PIN—光电探测器；
DDS—直接数字频率合成器；
MCU—微控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明：
一、总体
如图1，本发明由D/A转换模块1，DFB激光器2，1*N光分路器3，开放气室组4，参考气室5，光电探测器组6，前置放大器组7，电子开关8，带通滤波电路9，第一、第二锁相放大电路10、11，第一、二A/D转换模块12、13，第一、二、三DDS14、15、16，MCU17，显示器18，串口19和计算机20组成；
其连接关系是：
D/A转换模块1与第一、二A/D转换模块12、13均为MCU17内置；
MCU17分别与第一、二、三DDS14、15、16连接，并分别对其进行初始化；
D/A转换模块1和第一DDS14分别接DFB激光器2，并对其进行调谐；
DFB激光器2，1*N光分路器3，开放气室组4和参考气室5，光电探测器组6，前置放大电路组7和电子开关8前后依次连接，实现激光的分路、光电转换、放大和各通道之间的切换，再接带通滤波电路9；
带通滤波电路9的输出分为两路：一路接第一锁相放大器10，再接MCU内置的第一A/D转换模块12；另一路接第二锁相放大器11，再接MCU内置的第二A/D转换模块13；
第二DDS15接第一锁相放大器10，为第一锁相放大器10提供10KHz参考信号；第三DDS16接第二锁相放大器11，为第二锁相放大器11提供20KHz参考信号；
MCU17分别接显示器18和串口19；串口19接计算机20。
二、各功能块
1、MCU17
MCU17为常用部件，可选用AduC417，其功能是：整个装置由MCU17来控制，控制的模块有D/A和A/D转换模块，频率合成器，显示器；与PC机通信。
D/A和A/D转换模块均为MCU17内置，D/A转换模块对激光器进行调节，A/D转换模块将反应浓度信息的电信号转换成数字信号后送到MCU17处理。
2、DFB激光器2
DFB激光器2选用中心波长为1653nm的DFB激光器，其功能是为装置提供光源，作为气体浓度信号的载体。
3、1*N光分路器3
1*N光分路器3为常用部件，可选用单模树形或者星型耦合器，其功能是将单光源发出的光分为多束，实现单光源多光路的设计。
4、开放气室组4
开放气室组4包括1、2、3……N-1个开放气室，N为自然数；
如图2，开放气室是一种两端对称的气体传感器，包括单模传输光纤4.1、准直器4.2、六边形气室支架4.3、微孔滤膜4.4和带孔不锈钢管体4.5；
单模传输光纤4.1、准直器4.2、六边形气室支架4.3、带孔不锈钢管体4.5、六边形气室支架4.3、准直器4.2和单模传输光纤19依次连接，在带孔不锈钢管体4.5外包裹有微孔滤膜4.4。
开放气室的工作原理是：由于气室腔壁上贴有微孔滤膜，甲烷气体可以自由出入开放气室，气室腔内的甲烷气体浓度与环境中浓度相同，激光经单模传输光纤4.1传输进入准直器4.2变成平行光，在气室内与甲烷分子发生共振吸收，光强发生特性衰减，其吸收强度与甲烷气体浓度有关，出射光经准直器4.2由单模传输光纤4.1输出。
5、参考气室5
参考气室5为一种封闭式结构，设有进气口和出气口，其中充满CH₄与氮气的混合气体，CH₄浓度为1％。；其功能是消除激光器波长漂移带来的误差和电路参数的偏差带来的测量误差。
6、光电探测器组6
光电探测器组6包括1、2、3……N个光电探测器，N为自然数；
每个光电探测器均为常用部件，可选用高灵敏度、低噪声的InGaAs PIN二级管；其功能是将探测到的光信号转变为电信号，实现光路与电路的衔接。
7、前置放大器组7
前置放大器组7包括1、2、3……N个前置放大器，N为自然数；
每个前置放大器均为常用部件，可选用MAX4476芯片；其功能是将探测到的微弱光电流信号通过高阻负载获得大的电压信号，并且有用信号被深埋在噪声信号中，强制放大电路要最大限度地抑制噪声，以获得最大的信噪比。
8、电子开关8
电子开关8为常用部件，可选用MAX4617；其功能是实现各通路之间的切换。
9、带通滤波电路9
带通滤波电路9为常用部件，由高速运放、电容和电阻组成；其功能是对前置放大电路的输出信号进行粗略的带通滤波处理，去掉频率低于10KHz高于20KHz的失真和噪声信号。
10、第一锁相放大电路10和第二锁相放大电路11
第一锁相放大电路10和第二锁相放大电路11为常用部件，可选用AD630芯片；其功能是以10KHz和20KHz的方波信号作为锁相放大电路的参考信号，解调出检测信号中的10KHz和20KHz正弦信号。
11、第一DDS14、第二DDS15和第三DDS16
第一DDS14、第二DDS15和第三DDS16均为常用部件，可选用AD9833芯片；其功能是采用DDS频率合成芯片，输出特定频率的正弦信号，并能控制输出信号的相位。
12、显示器18
显示器18为常用部件，可选用LED液晶显示；其功能是以数字形式直观的显示出浓度信息。
13、串口19
串口19为常用部件，可选用RS-232；其功能是将通过MCU处理的浓度信息通过串口在计算机上显示。
14、计算机20
计算机20为常用部件，可选用普通计算机；其功能是显示通过MCU处理的浓度信息。