用于瓦斯发电的光纤多参数检测仪.pdf

一种用于瓦斯发电的光纤多参数检测仪，其特征是它包括光源锯齿波驱动电路和与之电连接的至少一路中心波长对应气体吸收峰的DFB半导体激光器，在所述DFB半导体激光器和探头之间的光路上设置有光开关，与所述探头配合设置有光电探测器，DFB半导体激光器、光开关、探头和光电探测器之间均采用光缆连接，光电探测器与单片机电连接，光开关与单片机通过光开关控制线电连接。本发明主要用于瓦斯的检测。

权利要求书
1.  一种用于瓦斯发电的光纤多参数检测仪，其特征是它包括光源锯齿波驱动电路和与之电连接的至少一路中心波长对应气体吸收峰的DFB半导体激光器，在所述DFB半导体激光器和探头之间的光路上设置有光开关，与所述探头配合设置有光电探测器，DFB半导体激光器、光开关、探头和光电探测器之间均采用光缆连接，光电探测器与单片机电连接，光开关与单片机通过光开关控制线电连接。

2.  根据权利要求1所述的用于瓦斯发电的光纤多参数检测仪，其特征是所述DFB半导体激光器为2个，发出分别对应瓦斯和氧气的中心波长的激光。

3.  根据权利要求1所述的用于瓦斯发电的光纤多参数检测仪，其特征是所述DFB半导体激光器为3个，发出分别对应瓦斯、氧气和水汽中心波长的激光。

4.  根据权利要求1所述的用于瓦斯发电的光纤多参数检测仪，其特征是所述探头包括一固定座，在固定座上相对设置有入射端光纤准直器和接收端光纤准直器，在入射端光纤准直器和接收端光纤准直器之间形成有气体吸收腔，入射端光纤准直器与光缆连接，出射端光纤准直器与出射光纤连接。

5.  根据权利要求1所述的用于瓦斯发电的光纤多参数检测仪，其特征是在接收端光纤准直器和出射光纤之间的光路上串联设置有光纤光栅。

6.  根据权利要求1所述的用于瓦斯发电的光纤多参数检测仪，其特征是所述单片机为8051单片机。

说明书用于瓦斯发电的光纤多参数检测仪
技术领域
本发明专利涉及一种应用瓦斯发电的多参数检测系统，使用波分复用技术能够对瓦斯浓度、氧气浓度、湿度、温度等多参数实现同时在线安全检测。
背景技术
我国是煤炭生产大国，瓦斯突出的矿井约占煤炭矿井的一半。瓦斯是煤矿安全的最大威胁，全国煤矿重大安全事故70％以上都与瓦斯爆炸有关。瓦斯中的甲烷含量很高，甲烷的温室效应在全球气候变暖中的份额为15％，仅次于二氧化碳；而且，等量甲烷造成的温室效应是二氧化碳的21倍。国家发改委公布的数据显示，全国煤层气利用率仅为23％，这意味着大多数的煤层气正朝天排放，其温室效应不容忽视。
不管从采矿安全、经济效益角度，或是从环境保护方面讲，瓦斯的抽采利用的意义都十分巨大。目前对瓦斯有效地利用的重要方法手段主要为瓦斯发电。瓦斯发电可以根据气源(甲烷浓度)分为高瓦斯常规发电和低瓦斯发电两大类。常规瓦斯发电技术中，抽采的煤层气甲烷含量在25％以上的；采用低瓦斯煤层气进行直接发电称为低瓦斯发电。
根据现行的《煤矿安全规程》，常规可供输送的煤层气浓度不应低于25％。对常规煤层气输配系统，应在抽放泵出口设置煤层气浓度检测装置，当井下抽采的煤层气浓度小于25％时，应关闭输配阀门，打开排空阀门，将低浓度瓦斯直接排空，防止低浓度瓦斯气体进入系统。
在瓦斯发电过程中必须对瓦斯浓度信息进行实施监控，同时还要对氧气、湿度等信息检测以确定瓦斯的氧化程度和确保安全等问题。不管高瓦斯发电还是低瓦斯发电，目前采用的检测技术往往都是传统的电子式传感器或者红外检测技术，由于用于发电的煤层气具有高粉尘、高湿度、浓度变化波动较大等特点，使得传统的检测技术应用十分困难，往往需要不断地校正，经常更换检测仪以及会出现检测误差较大、量程不够等问题。例如：要保证瓦斯发电的安全，不致使产生爆炸等事故，就必须对煤层气瓦斯浓度和温度进行实时快速检测，但是传统电子检测装置在高湿度环境下往往无法工作，并且电子检测仪带电工作更增加了危险性；现有瓦检仪(黑白元件式、光瓦等)都需要经常校正才能够保证检测准确。
另外，现有专利及国内外文献中提出的采用近红外激光测量气体浓度的方案，该方案中采用气体对激光的吸收原理，但是，在实际应用中，特别是温度不恒定的环境中检测结果出现了误差。如图11，在不同温度下同样浓度的气体产生了不同的吸收系数，从而以上提及的现有的近红外气体检测方案都将会出现不同的检测误差，图12深色曲线为根据以上方案的检测以实际检测到的测试数据图，浅色曲线为温度校正后的测试数据图，效果非常明显。不只是瓦斯，氧气、湿度等都有这种问题存在。可见，温度对于瓦斯气体检测的影响是不容忽视的，但是现在的所有光学的检测仪器都没有根据气体的温度进行校正。
发明内容
本发明主要目的是设计开发一种基于光纤传感技术的多种参数同时检测的系统。本发明是一种能够不带电、无需校正、多参数长期可靠检测的仪器，还能在检测了环境温度的同时也实时校正了气体检测仪的误差，对于瓦斯发电将是一项并且经济和社会效益巨大的重大创新技术。
本方案是通过如下技术措施来实现的：它包括光源驱动电路和与之电连接的至少一路对应气体中心波长的DFB半导体激光器，在所述DFB半导体激光器和探头之间的光路上设置有光开关，与所述探头配合设置有光电探测器，DFB半导体激光器、光开关、探头和光电探测器之间均采用光缆连接，光电探测器与单片机电连接，光开关与单片机通过光开关控制线电连接。
本方案的具体特点还有：所述DFB半导体激光器为2个，发出分别对应瓦斯和氧气的中心波长的激光。
所述DFB半导体激光器为3个，发出分别对应瓦斯、氧气和水汽中心波长的激光。通过水汽对激光的吸收以及激光扫描方式实现湿度检测，使得湿度检测方便可靠。
所述探头包括一固定座，在固定座上相对设置有入射端光纤准直器和接收端光纤准直器，在入射端光纤准直器和接收端光纤准直器之间形成有气体吸收腔，入射端光纤准直器与光缆连接，出射端光纤准直器与出射光纤连接。
在接收端光纤准直器和出射光纤之间的光路上串联设置有光纤光栅，光纤光栅中心波长位置选择在气体吸收峰附近DFB激光器能够扫描到的范围内。气体吸收腔串联一个光纤光栅用于测温度，温度与气体同步检测，温度信息能够校正因不同温度下气体吸收系数不同导致的测量误差。一套检测仪能够同时检测多种气体浓度、湿度和温度信息，高度集成。
本发明的有益效果是：光纤中的光通过光纤准直器耦合到空间传输，被气体吸收后重新被耦合回光纤，通过气体吸收腔和光纤光栅的光经过光电转换被单片机采集并进行数据分析处理，得出气体浓度、湿度；单片机通过光开关控制线控制光开关通道切换，实现一个探头同时检测多种气体；使用温度信息对气体检测进行校正，避免了因环境温度对气体检测造成的测量误差；实现了多参数检测，主要监测的参数为：瓦斯浓度、温度、氧气含量、湿度等；采用全光纤结构设计，探头部分为光学元器件组成，不使用电子器件以防引起不安全因素；本系统发挥其不带电工作的优势，提高了瓦斯发电检测设备的安全性能。采用光开关选择多个激光光源的设计结构，使得后续光路以及电路可以共用，节约简化了结构，也使得一个探头检测多种气体。通过激光扫描方式，同时扫描光纤光栅和气体吸收峰，实现了温度气体同时检测。气体吸收腔与光纤光栅串联，简化了检测光路，一条光纤即可实现。
附图说明
图1系统结构图；图2驱动信号和光电转换输出信号波形图；图3不同温度下光电转换输出信号图；图4瓦斯吸收光谱图；图5水汽吸收光谱图；图6氧气吸收光谱图；图7不同水汽浓度下光电转换输出信号；图8光栅波长与温度的对应标定数据图；图9气体浓度与输出信号标定图；图10探头内部结构图；图11不同温度下的瓦斯气体吸收系数图；图12温度校正前后不同温度下检测误差图；
图中：1-光源驱动电路，2-1653nmDFB激光器，3-761nmDFB激光器，4-1364nmDFB激光器，5-光开关，6-光缆，7-探头，8-光电探测器，9-光缆，10-单片机，11-光开关控制线，12-入射端光纤准直器，13-接收端光纤准直器，14-光纤光栅，15-固定座，16-出射光纤。
具体实施方式
如图1所示为该系统结构图。光源驱动电路1驱动3个DFB半导体激光器(2，3，4)，本系统中，为检测瓦斯浓度、氧气浓度和湿度(水汽浓度)特采用中心波长分别对应这三种气体某一特征吸收峰位置的DFB半导体激光器，三种气体的吸收峰分别如图4、图5、图6所示。驱动电路1输出的信号如图2所示为一锯齿波，使得激光器能够完整地扫描出气体的一个吸收峰。
激光器发出的光经过光开关5、光缆6进入到探头7，探头7中包含的吸收腔结构如图10所示，由入射端光纤准直器12，出射端光纤准直器13、光纤光栅14和固定座15组成。一对准直器组成气体吸收腔，使得光从光纤中耦合到空气中，被气体充分吸收后再耦合回光纤；光纤光栅14用于测量温度，并对气体检测进行补偿校正。由探头7透过的光经过光缆9进入到光电探测器8转换为电信号，输出信号如图2细线所示，图中A为光纤光栅形成的透过峰，B为气体吸收效果。透过光经过光电转换后信号被单片机10数据采集并进行解调分析，根据标定公式反算出气体浓度值和温度值。
光开关5在单片机10的控制下可以选择三路分别是1653nmDFB激光器2，761nmDFB激光器3，1364nmDFB激光器4其的一支直接与光缆6连接，其他的光不进入光缆6。单片机10通过光开关控制线11发送控制信号，使得光开关5切换通道，切换另一路激光器与光缆6相连通，从而分析另一种气体浓度。三个通道循环切换，选择对应不同气体吸收峰波长的激光器即可实现多种气体检测，不间断地依次检测可实现三种气体浓度的巡检。光纤光栅串联在光路内，可以同时对气体和温度同步检测，温度的同步检测不仅实现温度检测，还为气体的准确检测提供了校正补偿。
单片机10主要作用是信号的采集与运算。首先是通过A/D将光电转换后的信号进行模数转换；采集到的信号在单片机内进行数字滤波，单片机从采集到的信号中分析出当前温度信息；另外，根据气体吸收原理从信号中运算分析出气体浓度，通过温度信息补偿校正浓度计算的公式使得结果更加准确。单片机可采用8051单片机等具有A/D和与输出控制功能的单片机均可用于该系统。
温度检测原理：
图2中A位置波谷最小值既是光纤光栅9的中心波长位置，光栅与应力及温度变化的关系为：ΔλB＝λB(1-ρ)Δε+λB(1+ξ)ΔT    (1)
式中，ΔλB是应力和温度变化引起的反射光中心波长的改变；Δε为应力的变化；ΔT为温度的变化量；ρ是光纤的光弹系数；ξ为光纤的热光系数。在1.5um波段，FBG对温度和应变的敏感系数大约分别为：12pm/℃和1pm/ε。
如图10中所示固定光栅，在光纤光栅不受外力作用下使得光纤光栅两端固定，中间处于自由状态，不受外部金属等器件的拉力，从而将公式中应力变化的影响消除，于是公式变为：ΔλB＝K+λBBΔT    (2)
K、B为常数，可见，波长的变化只与ΔT有关，相反，要测量温度，只需要测得ΔλB即可，如图3细曲线为25℃信号，粗曲线为30℃曲线，温度越高，光栅的中心波长越往长波长移动。只需要测到波形数据中的光栅位移即可计算出温度变化量，从而能够测量风场温度。
气体检测原理：
当光通过气体时，会被气体有选择地吸收，如图4为CH4气体在不同波长处的吸收光谱图，图5为水汽在不同波长处的吸收光谱图，图6为氧气在不同波长处的吸收光谱图。可见每种不同的气体有其不同的吸收峰，并且根据Beer定律，吸收强度与气体的浓度关系为：I＝I0exp(-aλcL)   (3)
式中：I-经过气体的吸收后的出射光强度；λ-入射激光波长；α-单位吸收长度、单位浓度的气体吸收系数；c-气体浓度(ppm)；L-通过气室的路径长度(cm)。
由上式可推出：
上式可以看出，在已知输入光强和吸收系数并检测出输出光强时便可以计算出气体的浓度值。如图7所示为不同水汽浓度时得到的信号，细线为高浓度信号，浓度越高，吸收越强，同样，根据吸收信号的波谷深度可以反算出气体的浓度，从而计算出湿度。通过光开关切换，可以同以上原理测量其他气体如瓦斯、氧气等的浓度。
单片机采集光电转换的电信号，通过以上方法分析计算出温度、瓦斯气体浓度、氧气浓度和湿度信息。本系统设计实现了一套检测仪同时检测多种参数的功能，便于检测仪器的安装使用；同时，因为安装在瓦斯发电现场的部分仅为光缆6、光纤光栅14，入射端光纤准直器12和出射端光纤准直器13这几部分光学元件，其他部分在监控室内，现场没有任何带电元器件，无需频繁校正，也无需供电，提高了瓦斯发电监测系统的安全性能。
使用时，按照图1系统结构图连接系统，首先调节驱动电路，使其输出如图2深色曲线样式驱动电流信号，将其用来驱动三支中心波长分别为1653nm、761nm、1364nm的DFB激光器，激光器发出扫描激光。单片机控制光开关分时(此系统中为每0.7秒切换一次)选择激光器进入后续的光路。扫描激光经过光缆进入安装与检测现场的气体吸收腔，气体吸收腔为一对通讯用普通光纤准直器，(此系统中常用工作距离5cm准直器)，将光从光纤耦合到吸收腔环境的空气中，气体会对激光充分吸收，然后再耦合回光纤。经过气体吸收后的光再进入光纤光栅，光纤光栅采用普通通讯单模光纤光栅，光栅的中心波长必须位于激光器扫描范围内并且不与气体吸收线重合的位置，如图2中A点为光栅中心位置，距离气体吸收峰B点一定距离并且较差或重合。透过光纤光栅的光经过光电转换以电压信号的方式输出，在气体吸收和光栅作用后输出波形如图3、图7所示，其中图3中两条曲线的不同是由于温度不同造成，图7中两条曲线的不同是由于气体浓度不同造成，根据这些特征单片机可以计算出温度和气体浓度值。单片机采集光电转换后的电压信号，分析信号特征，与标定数据进行对比计算出气体浓度和温度，例如图8为温度标定曲线，能够得出温度的计算公式；图9为气体浓度标定曲线图，也可以得出浓度计算公式。
当光开关切换到另一路激光器时，检测的气体随之改变，当选择1653nm时检测到气体浓度为瓦斯浓度，选择761nm时为氧气，选择1364nm时为湿度。
单片机程序在计算输出温度以及气体浓度值时，需要分析对比标定数据。在测量温度时，首先对温度于光栅波长对应关系进行标定，如图8所示为一光栅波长与温度的对应标定数据图。根据图中标定出的温度波长计算公式即可计算出温度值。在测量气体时，如图2中B、C、D三点信号电压值分别为Vb、Vc、Vd，记首先通入多种标准气体，分别记录气体浓度与对应W值，得出一浓度与信号值曲线公式，如图9所示。检测气体时，单片机分析采集到的数据得出W值，再通过图9得出的公式便可以计算输出气体浓度值。
如图12当温度变化后，根据图9得出的浓度计算公式是存在误差的，因为气体的吸收系数随温度而线性改变，如图11，所以需要根据图11的吸收系数和光栅测出的温度数据对气体浓度值进行校正，如图12中粗线和细线为校正前后的对比图，校正后效果明显改变。