矿井环境监测系统及其监测方法技术方案

本发明专利技术提供矿井环境监测系统及其监测方法，系统部分包括第一激光器、第二激光器、合束器、光电探测器、聚光器和处理器单元；方法部分包括以下步骤：S1、计算测量激光束的光程距离；S2、测量待测区域的气体浓度；S3、测量待测区域的温度；本发明专利技术结合激光测距和TDLAS

【技术实现步骤摘要】
矿井环境监测系统及其监测方法


[0001]本专利技术涉及激光光谱领域，特别涉及矿井环境监测系统及其监测方法。

技术介绍

[0002]地下矿井作业是一种危险的工作，需要时刻注意是否有瓦斯泄露以及矿井温度是否过高，防止可能出现的爆炸事故。瓦斯中包含了CO，CH4等易燃气体，为了准确地监测地下矿井是否具有爆炸的风险，可以通过测量CH4气体浓度和温度，实现矿井环境的监测。
[0003]目前的监测方式主要使用半导体气体传感器来实现气体检测，需要待测气体弥漫于传感器周围才能被检测到。对于温度的检测，则是通过增加额外的温度传感器实现。目前的方案在使用时，对于气体检测的响应速度受到气体扩散速度的影响，因此该方案存在一定的滞后效应。

技术实现思路

[0004]本专利技术为解决上述问题，提供矿井环境监测系统及其监测方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：
[0006]一种矿井环境监测系统，包括：第一激光器、第二激光器、合束器、光电探测器、聚光器和处理器单元；
[0007]第一激光器和第二激光器分别用于输出时分复用的第一激光束和第二激光束；第一激光器和第二激光器的出光口分别通过光纤与合束器的入光口连接，合束器用于将第一激光束和第二激光束耦合为测量激光束；光电探测器与处理器单元电连接，聚光器置于测量激光束的光路中，位于光电探测器和待测区域之间；
[0008]测量激光束穿过待测区域照射至物体表面产生漫反射，聚光器用于会聚漫反射光束，会聚后的光束被光电探测器接收；光电探测器用于将接收到的光信号转化为电信号并传递至处理器单元，处理器单元用于根据电信号解算待测区域的气体浓度及气体温度。
[0009]优选地，还包括电信号处理模块；电信号处理模块分别与光电探测器和处理器单元电连接，用于对光电探测器输出的电信号进行放大及数模转换。
[0010]优选地，电信号处理模块包括用于放大电信号的放大器和用于进行模数转换的模数转换器；光电探测器、放大器、模数转换器和处理器单元依次顺序电连接。
[0011]优选地，还包括用于调制第一激光器的波形的第一调制波形产生器和用于调制第二激光器的波形的第二调制波形产生器；第一调制波形产生器分别与第一激光器和处理器单元电连接，第二调制波形产生器分别与第二激光器和处理器单元电连接。
[0012]优选地，还包括用于驱动第一激光器的第一恒流驱动单元和用于驱动第二激光器的第二恒流驱动单元；第一恒流驱动单元分别与第一激光器和第一调制波形产生器电连接，第二恒流驱动单元分别与第二激光器和第二调制波形产生器电连接。
[0013]优选地，还包括用于控制第一激光器的温度的第一温度控制单元和用于控制第二激光器的温度的第二温度控制单元；第一温度控制单元分别与第一激光器和处理器单元电
连接，第二温度控制单元分别与第二激光器和处理器单元电连接。
[0014]一种矿井环境监测方法，应用于矿井环境监测系统，包括以下步骤：
[0015]S1、计算测量激光束的光程距离：通过处理器单元测量光电探测器接收到的光信号与测量激光束之间的相位差，根据相位差计算得到光程距离；
[0016]S2、测量待测区域的气体浓度：通过处理器单元测量光电探测器接收到的光信号的二次谐波幅值，根据二次谐波幅值和光程距离计算得到气体浓度；
[0017]根据朗伯
‑
比尔定律，穿过待测区域的光的光强如式(1)：
[0018][0019]其中，I为穿过待测区域的光的光强，I(L)为无气体吸收时光电探测器接受到的光信号的强度，a(v)为待测区域的待测气体的吸收系数，v为测量激光束的频率，L为光程距离，P为待测气体的压强，ρ为待测气体的气体浓度，S*(T)为待测气体在T温度下的谱线强度，为待测气体的展宽线型函数；
[0020]无气体吸收时光电探测器接受到的光信号的强度与测量激光束之间的关系如式(2)：
[0021][0022]其中，Q为聚光器的口径面积，I0为测量激光束的出射光强；
[0023]测量激光束的频率随时间变化，变化函数如式(3)：
[0024]v(t)＝v
c
(t)+K sin(ωt)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0025]其中，v
c
(t)为锯齿波调制项，K为正弦信号的调制系数，ω为正弦的调制圆频率，t为时间；
[0026]根据式(3)，洛伦兹线型的展宽线性函数如式(4)：
[0027][0028]其中，Δv为展宽频率；
[0029]将式(2)
‑
(4)代入式(1)得式(5)：
[0030][0031]对式(5)进行等价替换得式(6)：
[0032][0033]其中，m＝K/Δv；
[0034]对式(6)进行傅里叶展开，得到二次谐波幅值的函数如式(7)：
[0035][0036]其中，A2为二次谐波幅值；
[0037]将二次谐波幅值和光程距离代入式(7)，计算得到气体浓度；
[0038]S3、测量待测区域的温度：通过光电探测器接收两个不同波长的测量激光束反射的光信号，通过处理器单元测量两个不同波长的光信号的一次谐波幅值，根据一次谐波幅值计算得到待测区域的温度。
[0039]优选地，步骤S1包括以下步骤：
[0040]相位差与光程距离满足式(8)：
[0041][0042]其中，为相位差，c为光速，k为自然数；
[0043]光程距离小于c/v，计算光程距离时将式(8)中的2kπ项省略，光程距离的计算公式如式(9)：
[0044][0045]通过比较光信号中的两个正交的一次谐波在非吸收峰处的幅值，得到相位差，进而得到光程距离。
[0046]优选地，步骤S3包括以下步骤：
[0047]根据朗伯
‑
比尔定律，待测气体的谱线强度满足式(10)：
[0048][0049]其中，S*(T0)为待测气体在参考温度下的谱线强度，T0为参考温度，Q(T)为待测气体的气体配分函数，Q(T0)为待测气体在参考温度下的气体配分函数，h为普朗克常数，E为低能态能量，k为玻尔兹曼常数，θ为谱线跃迁频率；
[0050]待测气体的谱线强度与一次谐波幅值成正比，两个不同波长的光信号的一次谐波幅值的比值与两个不同波长的谱线强度满足式(11)：
[0051][0052]其中，R为第一波长的光信号与第二波长的光信号的一次谐波幅值的比值，第一波长与第二波长不相等，和分别为第一波长和第二波长的光信号的谱线强度，和分别为第一波长和第二波长的光信号在参考温度下的谱线强度，E1和E2分别为第一波长和第二波长的光信号的低能态能量；
[0053]通过计算第一波长的光信号与第二波长的光信号的一次谐波幅值的比值并代入
式(11)，计算得到待测区域的温度。
[0054]本专利技术能够取得以下技术效果：
[0055本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种矿井环境监测系统，其特征在于，包括：第一激光器、第二激光器、合束器、光电探测器、聚光器和处理器单元；所述第一激光器和所述第二激光器分别用于输出时分复用的第一激光束和第二激光束；所述第一激光器和所述第二激光器的出光口分别通过光纤与所述合束器的入光口连接，所述合束器用于将所述第一激光束和所述第二激光束耦合为测量激光束；所述光电探测器与所述处理器单元电连接，所述聚光器置于所述测量激光束的光路中，位于所述光电探测器和待测区域之间；所述测量激光束穿过所述待测区域照射至物体表面产生漫反射，所述聚光器用于会聚漫反射光束，会聚后的光束被所述光电探测器接收；所述光电探测器用于将接收到的光信号转化为电信号并传递至所述处理器单元，所述处理器单元用于根据所述电信号解算所述待测区域的气体浓度及气体温度。2.如权利要求1所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括电信号处理模块；所述电信号处理模块分别与所述光电探测器和所述处理器单元电连接，用于对所述光电探测器输出的电信号进行放大及数模转换。3.如权利要求2所述的矿井环境监测系统，其特征在于，所述电信号处理模块包括用于放大电信号的放大器和用于进行模数转换的模数转换器；所述光电探测器、所述放大器、所述模数转换器和所述处理器单元依次顺序电连接。4.如权利要求1所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括用于调制所述第一激光器的波形的第一调制波形产生器和用于调制所述第二激光器的波形的第二调制波形产生器；所述第一调制波形产生器分别与所述第一激光器和所述处理器单元电连接，所述第二调制波形产生器分别与所述第二激光器和所述处理器单元电连接。5.如权利要求4所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括用于驱动所述第一激光器的第一恒流驱动单元和用于驱动所述第二激光器的第二恒流驱动单元；所述第一恒流驱动单元分别与所述第一激光器和所述第一调制波形产生器电连接，所述第二恒流驱动单元分别与所述第二激光器和所述第二调制波形产生器电连接。6.如权利要求1所述的矿井环境监测系统，其特征在于，还包括用于控制所述第一激光器的温度的第一温度控制单元和用于控制所述第二激光器的温度的第二温度控制单元；所述第一温度控制单元分别与所述第一激光器和所述处理器单元电连接，所述第二温度控制单元分别与所述第二激光器和所述处理器单元电连接。7.一种矿井环境监测方法，应用于如权利要求1
‑
6中任一项所述的矿井环境监测系统，其特征在于，包括以下步骤：S1、计算所述测量激光束的光程距离：通过所述处理器单元测量所述光电探测器接收到的光信号与所述测量激光束之间的相位差，根据所述相位差计算得到所述光程距离；S2、测量所述待测区域的气体浓度：通过所述处理器单元测量所述光电探测器接收到的光信号的二次谐波幅值，根据所述二次谐波幅值和所述光程距离计算得到所述气体浓度；根据朗伯
‑
比尔定律，穿过所述待测区域的光的光强如式(1)：
其中，I为穿过所述待测区域的光的光强，I(L)为无气体吸收时所述光电探测器接受到的光信号的强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彪，连厚泉，戴童欣，黄硕，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：