一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光波调制光谱法的光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法，仪器主机箱内有半导体ＤＦＢ激光器，光纤分路器，气体定标池，激光器控制电路板、信号发生电路板、锁相放大板、数据采集卡及控制模块，多路模拟信号选择开关及驱动电路，主机箱与各井下检测光路中的微型光学传感器通过单模光纤连接。利用信号发生电路产生的低频扫描信号和高频调制信号实现气体激光吸收光谱的波长调制。利用内置气体定标池对激光波长漂移进行自适应调整，实现甲烷吸收线的锁定。利用多路模拟信号选择开关的切换实现煤矿井下分布式多点瓦斯气体浓度监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种气体的激光光谱测量仪器和方法，具体是一种基于激光波长 调制技术和近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术的光纤分布式多点瓦斯浓度 监测仪及监测方法。技术背景煤炭行业是我国工业生产中伤亡事故最严重的行业，据统计，2007年全国煤 矿事故死亡总人数为3770人，其中煤矿瓦斯事故的起数、死亡人数比上年都有所 下降，截止11月底百万吨死亡率为1.516,但仍远高于世界上其他主要产煤国。 从事故类型来看，特大事故的主要原因是瓦斯爆炸和瓦斯突出。瓦斯是附存于煤 层及周围岩层中有害气体的总称，瓦斯的主要成分是甲垸，它是一种无色、无味、 易燃、易爆的气体。瓦斯爆炸需同时满足的三个条件为 一定浓度的瓦斯、高温 火源的存在和充足的氧气，瓦斯爆炸限在5~16%范围之内。我国目前国有重点 煤矿大多数属于瓦斯矿井，其中高瓦斯矿井和突出矿井占全国矿井总数的44%, 采掘时极易发生瓦斯爆炸事故，严重的生产安全事故不仅造成了人民生命财产损 失，而且影响社会安定，损害国家形象，因此减少或避免矿井瓦斯爆炸事故是一 项迫切任务。提高我国瓦斯监测系统的可靠性，对瓦斯气体浓度进行准确、快速、 实时监测和预警,对工矿安全生产、人身安全和环境保护都有着十分重要的作用。目前国内外对瓦斯的常规监测主要还是采用矿井瓦斯催化传感器，但催化元 件存在工作不稳定、调校频繁和使用寿命短的缺点，严重制约着矿井瓦斯检测的 可靠性。国内部分矿井已建立瓦斯浓度监测系统，基本上都是分支树型的网络结 构，在井上设置控制中心主站，井下设置多个测控分站，各个分站信息用专用电 缆传输信号，但是存在传感器接入不灵活、实现跟进不方便等缺点。因此，发展 新型免维护、高灵敏度、工作稳定、使用安全的多点瓦斯实时监测系统，实现煤 矿瓦斯的低误报率预警是目前的主要研究方向。基于激光波长调制光谱技术和光纤传感技术的监测系统，能够实现对气体的高选择性、高分辨、高灵敏、快速响应、非接触在线检测，不存在中毒问题，使 用安全，仪器维护量低，利用一套光纤分布式瓦斯监测仪可以实现多点气体的实 时监测。因此，基于光波调制激光吸收光谱的多点气体检测技术在煤矿井下瓦斯 在线监测领域有着重要的应用前景。
技术实现思路
本专利技术提出了一种基于光波调制光谱法的光纤分布式多点瓦斯实时监测仪 及监测方法，使用一个近红外DFB半导体激光器，利用了甲烷近红外光谱区的特 征吸收，经过信号发生电路产生的波长调制信号对激光进行光波调制，激光通过 甲垸气体定标池后由光纤分路器分路，分别用单模光纤导入到设置于井下各个待 测点的微型光纤传感器，经过气体吸收的激光再由光纤导出并由各路红外光电探 测器接收并转换为电信号，利用多路模拟信号选择开关切换技术实现甲烷气体的 分时多路检测，结合激光波长调制技术和谐波检测技术实现了高灵敏、高分辨、 快速的多点瓦斯浓度实时监测。使用内置甲烷气体定标池对波长漂移进行自适应 调整，实现近红外甲烷吸收线的锁定，并实现微型光学传感器检测的浓度标定。 采用背景光强信号拟合的方法消除了光强波动对测量的影响。微型光学传感器外 部保护结构透气、防水、防尘、防震、维护量少，实现气体的长期稳定监测。 本专利技术的技术方案如下一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪，其特征在于包括有主机箱和安装在 现场的多点并联井下检测光路，所述的主机箱内安装有中心波长为1653nm的激 光器，信号发生电路，信号发生电路接入到所述激光器的温度电流控制模块，所 述的半导体激光器出射光接入气体标定池，气体标定池的出射光耦合进lxN路 光纤分路器，lxN路光纤分路器的各路输出激光通过输入单模光纤传输到各个 井下检测光路，信号光穿过各井下检测光路后由输出单模光纤传输至安装在主机 箱的各个红外光电探测器接收，各红外光电探测器的输出信号一路直接输出送数 据采集、处理和控制模块；另一路送锁相放大板进行二次谐波信号检测；所述的 井下检测光路由连接输入单模光纤与输出单模光纤的微型光学传感器组成，微型 光学传感器安装于保护盒内。所述的光纤分布式多点瓦斯实时监测仪，其特征在于所述的微型光学传感器 是由带尾纤的一对自聚焦透镜精确对准，并安装于保护盒内的V型槽支架两端构成，在微型光学传感器外部保护盒的表面开口处固定了 PTFE隔膜，实现了透 气、防水、防尘。一种光纤分布式多点瓦斯实时监测方法，其特征在于采用中心波长为 1653nm的近红外DFB半导体激光器作为CH4的检测激光光源，利用激光器温 度和电流控制模块将激光器输出中心波长调谐到1653.7nm附近的CH4吸收线中 心，信号发生电路产生的50Hz锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波 长缓慢扫描过CH4气体的吸收线，信号发生电路同时产生5KHz正弦波信号叠加 在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行高频调制；激光由尾纤输出通过连接 法兰耦合入气体标定池，气体标定池中充满一个大气压标准浓度CH4气体，用 于对检测吸收信号的实时标定，并对比标准气体波长和实测激光器波长，通过激 光器温度和电流控制模块对激光波长漂移进行自适应调整，实现CH4气体近红 外吸收线的锁定；从气体标定池输出的激光耦合进lxN路光纤分路器，lxN路 光纤分路器的各路输出激光分别通过输入单模光纤传输到各个井下检测光路，各 个井下检测光路放置有连接输入单模光纤与输出单模光纤的微型光学传感器，井 下气体透过PTFE隔膜进入微型光学传感器中，并由输出单模光纤输出经过气体 吸收的光信号；各个输出光信号由对应的红外光电探测器接收，经光电转换后输 出电信号， 一路送锁相放大板进行二次谐波信号检测，锁相放大板的参考信号来 自于所述的信号发生电路产生的正弦调制信号，另一路直接送数据采集、处理和 控制模块，首先进行数字低通滤波，然后对其作线性拟合作为激光光强信号，锁 相放大板输出的二次谐波信号利用拟合光强信号进行归一化处理以消除光强波 动对浓度检测的影响。归一化后的二次谐波信号经多次累加平均得到一条检测吸 收谱，利用预先保存的气体标定池的标准吸收信号对检测的吸收谱进行最小二乘 积拟合得到监测点瓦斯气体的光程积分浓度，或除以总光程得到光程平均气体浓 度。本专利技术利用最新的近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术、激光波长调制技 术和分布式光纤传感技术实现对煤矿井下多点CH4浓度的实时遥测。利用可调 谐半导体激光吸收光谱的高分辨性消除了其它环境气体成分的干扰，利用波长调 制技术探测气体谐波信号提高了检测灵敏度，利用甲烷气体定标池抑制波长漂移 实现吸收线锁定，从根本上克服了传统甲烷监测仪器易受干扰、易中毒、稳定性差、维护量大、成本高以及不能实现准确实时监测等缺点。利用光纤分路器、多 路模拟信号选择开关和多个微型光学传感器实现了一个激光器监测多点CH4的 浓度，降低了成本。系统对CH4浓度的检测限低于0.05。/。，满足煤矿工业环境安 全监测的需要，并且微型光学传感器具有外部保护结构，仪器在矿井下没有任何 带电设备，真正实现了对矿井瓦斯浓度的安全、稳定、高灵敏、远距离实时在线 监测。 附图说明图l是本专利技术结构示意图。图2是微型光学传感器保护盒外部结构示意图。图3是微型光学传感器保护盒内部结构示意图。图4是光波调制波形生成硬件结构图。具体实施方式参见图1、图2、图3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪，其特征在于：包括有主机箱和安装在现场的多点并联井下检测光路，所述的主机箱内安装有中心波长为１６５３ｎｍ的激光器，信号发生电路，信号发生电路接入到所述激光器的温度电流控制模块，所述的半导体激光器出射光接入气体标定池，气体标定池的出射光耦合进１×Ｎ路光纤分路器，１×Ｎ路光纤分路器的各路输出激光通过输入单模光纤传输到各个井下检测光路，信号光穿过各井下检测光路后由输出单模光纤传输至安装在主机箱的各个红外光电探测器接收，各红外光电探测器的输出信号一路直接输出送数据采集、处理和控制模块；另一路送锁相放大板进行二次谐波信号检测；所述的井下检测光路由连接输入单模光纤与输出单模光纤的微型光学传感器组成，微型光学传感器安装于保护盒内。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何莹，刘建国，张玉钧，阚瑞峰，夏慧，王敏，阮俊，耿辉，刘文清，
申请(专利权)人：中国科学院安徽光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]