专利名称：一氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用光学手段检测气体的领域，具体属于一种利用气体吸收光谱检测技术实现对多种气体浓度同时测量的系统。
背景技术：
气体传感技术在环境监测、工业气体过程控制和矿山安全等方面具有极其重要的地位，研究安全可靠、灵敏度高的有害气体传感技术具有重大科学、社会和经济意义。气体种类和浓度的检测，按检测原理可分为光学式，半导体式，固体电解质式，接触燃烧式，电化学式等。其中光学式气体传感器具有许多其他传感器无法比拟的优点，如灵敏度高、相应速度快、动态范围大、防电磁干扰、防燃防爆、不易中毒等。光学式气体传感器根据检测原理可分为吸收光谱型，荧光型，光纤化学材料型等。其中吸收光谱型传感器具有灵敏度高、使用简便、可靠性高和寿命长等优势，因而受到广泛关注。它是利用不同气体的吸收光波长不同，采用不同波长的单色光入射，可以测定不同气体，该波长的光与气体相互作用后，光强将会减弱，通过测定光功率的衰减，可以确定气体的浓度。
目前的很多的文献中都反映出该领域的研究工作，其中文献“光谱吸收型光纤多气体传感系统”(仪器技术与传感器，2006，No.2)，针对电力系统变压器油中故障特征气体检测，实现了同时测量乙炔和一氧化碳两种气体。它通过光纤光栅和压电陶瓷(PZT)对宽带光源LED进行波长调制，获得窄带反射出射光，实现气体浓度较高灵敏度的测量。
本发明针对煤矿生产中同时存在的两种危害性最大的气体——甲烷和一氧化碳的测量，提出—氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统。
一氧化碳是有毒有害气体，超量的一氧化碳将对人的生命安全造成严重威胁。在煤层开采过程中经常会发生一氧化碳超限的现象，除爆破和爆炸产生的一氧化碳外，通常认为一氧化碳来源于煤层发生了自然发火或其他火灾，以及煤层本身赋存的一氧化碳。在常温30℃条件下，煤炭即可释放出一氧化碳气体；当温度达到70～100℃时，氧化速度加剧，一氧化碳释放量急剧增加，氧化速率迅速上升。此外，煤矿中煤层自燃，一方面产生大量的一氧化碳气体，危害矿工生命安全；另一方面，煤层自燃产生的明火，若遇瓦斯超标，还会引发瓦斯爆炸事故。相关的研究表明，一氧化碳的浓度常作为判断煤层自然发火是否存在的重要依据。所以，采用有效可靠的手段测量一氧化碳浓度可以避免相关事故的发生。
瓦斯同样是煤炭开采的伴生物，其主要成分是甲烷(甲烷)，约占83％-89％，人们通常认为甲烷就是煤矿瓦斯。瓦斯为煤矿灾害之首，对煤矿安全生产威胁最大。因此，有必要对一氧化碳和甲烷等有害气体进行同时测量。然而，井下现有的对有害气体检测的手段还比较落后。首先，井下现有的气体检测是利用一氧化碳传感器和甲烷传感器分别测量，没有实现多种气体一体化传感与测量，需安装传感器和线缆较多，不利于调整、调试；其次，现用的传感器多为催化燃烧式或电化学式传感原理，寿命短、精度低、稳定性差、调校困难，经常存在误测误报现象。对煤矿有害气体浓度的误测和误报，会向人们传递致命的错误信息，对矿井和人员安全构成了极大威胁。因此，对矿井有害气体浓度的实时、准确检测及超限报警断电，是煤矿安全监控系统的主要功能，也是现代化矿井的重要安全保障，具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是采用可调谐DFB激光器，将波长选择调制技术和调频连续波(FMCW)技术的二次谐波检测相结合，实现对一氧化碳和甲烷气体浓度的同时测量。
本发明的目的按下述方案实现一氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统主要包括第一个DFB激光源、第二个DFB激光源、第一个波形发生器、第二个波形发生器、第一个波长选择与调制器、第二个波长选择与调制器、光纤耦合器、传感探头、光电转换模块、信号调理与数据采集模块和微处理器。连接方式如下第一个波形发生器产生100KHz的连续正弦波；作用于第一个波长选择与调制器；第一个波长选择与调制器控制第一个DFB激光源的光谱调制范围，通过一定偏值电压的100Hz的三角波调节在一氧化碳的吸收谱附近；同理，第二个波形发生器产生30KHz的连续正弦波，作用于第二个波长选择与调制器；第二个波长选择与调制器控制第二个DFB激光源的光谱调制范围，通过一定偏值电压的100Hz的三角波调节在甲烷的吸收谱附近。
第一个DFB激光源通过光纤连接耦合到光纤耦合器一个输入端；第二个DFB激光源通过光纤连接耦合到光纤耦合器的另一个输入端；耦合器的输出端连接传感探头；传感探头连接光电转换模块；光电转换模块通过导线连接信号调理与数据采集模块连接；数据采集模块通过导线连接微处理器；微处理器选用高速DSP微处理器，完成对第一个和第二个波长选择与调制器的控制，并完成数据采集、处理和气体浓度值计算。
本发明利用基于调频连续波(FMCW)技术的二次谐波检测和波长选择调制技术的结合，实现一氧化碳和甲烷的同时测量。首先对DFB激光器进行双重波形调制，即在低频(100Hz)三角波的基础上叠加高频(30KHz或100KHz)正弦波，其中，施加低频三角波调制的目的是保证激光器出光波长能够覆盖所测气体的吸收谱线，施加高频正弦波是为了实现二次谐波检测，提高灵敏度；其次，本发明对透过传感探头的光电信号采用FFT频谱分析的方法，获得二次谐波(60KHz或200KHz)数据，计算气体浓度。
第一个DFB激光源的光谱范围包含一氧化碳吸收谱。在第一个波长选择和调制器调节下，第一个DFB激光源发出连续强度和波长调制的窄带光，其强度被调制成频率为f1的连续波，其波长选择的范围在一氧化碳吸收谱附近并调制该波长扫描，扫描范围覆盖一氧化碳的吸收谱，扫描频率和第一个波长选择和调制器的三角波同步。调制光通过内有被测量气体一氧化碳的传感探头时被吸收，当激光中心平均波长对准气体吸收峰的波长，输出光包含有调制频率f1的二次谐波信号且信号幅度正比于气体浓度。依此，可以计算一氧化碳的浓度值。
同理，第二个DFB激光源的光谱范围包含甲烷吸收谱，在第二个波长选择和调制器调节下，第二个DFB激光源发出连续强度和波长调制的窄带光，其强度被调制成频率为f2的连续波。为了能在数据处理的频谱分析能清晰的分辨，f1和f2要保持一定频率差。波长选择的范围在甲烷吸收谱附近并调制该波长扫描，扫描范围覆盖甲烷的吸收谱，扫描频率和第二个波长选择和调制器的三角波同步。调制光通过内有被测量气体甲烷的传感探头时被吸收，当激光中心平均波长对准气体吸收峰的波长，输出光包含有调制频率f2的二次谐波信号且信号幅度正比于气体浓度。依此，可以计算甲烷的浓度值。
由于两个调制光的波长和频率都不同，所以在光纤中传输时不会相互干扰。在传感探头中被测的两种气体一氧化碳和甲烷的吸收谱不重叠，且只会对其对应的调制光产生作用，不会产生传感信号的串扰，能实现一氧化碳和甲烷的单点同时测量。另外，利用现有的传感网络复用技术也可以方便的实现多点的一氧化碳和甲烷同时测量。
本发明涉及的一氧化碳和甲烷一体化传感与检测系统有其独特优点1.光纤传输损耗小，可长距离传输，适合于远距离测量与控制；2.传感探头处只有光信号，没有电信号，本质安全，适用于煤矿有害气体检测；3.光纤体积小，重量轻，可弯曲，化学性质稳定，且有很好的电绝缘性，可在恶劣或危险环境下可靠地工作；4.易于组成光纤传感网络，实现多功能、智能化的要求，采用多路复用技术，可降低系统成本。
图1.一氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统原理图具体实施方式
如图所示，一氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统主要包括第一个DFB激光源、第二个DFB激光源、第一个波形发生器、第二个波形发生器、第一个波长选择与调制器、第二个波长选择与调制器、光纤耦合器、传感探头、光电转换模块、信号调理与数据采集模块和微处理器。其特征在于连接方式如下第一个波形发生器作用于第一个波长选择与调制器，第一个波长选择与调制器控制第一个DFB激光源，第一个DFB激光源通过光纤连接耦合器的一个输入端；第二个波形发生器作用于第二个波长选择与调制器，第二个波长选择与调制器控制第二个DFB激光源，第二个DFB激光源通过光纤连接耦合器的另一个输入端；耦合器的输出端连接传感探头；传感探头连接光电转换模块；光电转换模块通过导线连接信号调理与数据采集模块；数据采集模块通过导线连接微处理器；微处理器控制第一个波长选择与调制器、第二个波长选择与调制器和显示模块。
如前所述的一氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统，其特征在于第一个DFB激光源的光谱范围包含一氧化碳的吸收光谱，第二个DFB激光源的光谱范围包含甲烷的吸收光谱。
如前所述的一氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统，其特征在于第一个波形发生器产生频率为100KHz的正弦连续波和第二个波形发生器产生频率为30KHz的正弦连续波。
如前所述的一氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统，其特征在于第一个波长选择与调制器在DSP微处理器控制下产生具有一定偏值电压的100Hz三角波，控制激光源出光的光谱调制范围在一氧化碳的吸收谱1567nm附近，第二个波长选择与调制器在DSP微处理器控制下产生具有一定偏值电压的100Hz三角波，控制激光源的光谱调制范围在甲烷的吸收谱1665nm附近。
如前所述的一氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统，其特征在于它包含有一个高速DSP微处理器，完成对第一个和第二个波长选择与调制器的控制，并完成数据采集、处理和气体浓度值计算。
本发明利用基于调频连续波(FMCW)技术的二次谐波检测和波长选择调制技术的结合，实现一氧化碳和甲烷的同时测量。
第一个DFB激光源的光谱范围包含一氧化碳吸收谱。第一个DFB激光源其波长选择的范围在一氧化碳吸收谱1567nm附近并调制该波长扫描，扫描范围包含一氧化碳的吸收谱1567nm，扫描带宽为0.2nm，扫描频率和第一个波长选择和调制器的三角波同步。调制光通过内有被测量气体一氧化碳的传感探头时被吸收，当激光中心平均波长对准气体吸收峰的波长，输出光中包含有调制频率f1的二次谐波信号(2×f1)且信号幅度正比于气体浓度。
同理，第二个DFB激光源的光谱范围包含甲烷吸收谱，第二个DFB激光源其波长选择的范围在甲烷吸收谱1665nm附近并调制该波长扫描，扫描范围包含甲烷的吸收谱1665nm，扫描带宽为0.2nm，扫描频率和第二个波长选择和调制器的三角波同步。为了能在频谱分析中清晰的分辨，f1和f2要保持一定频率差。调制光通过内有被测量气体甲烷的传感探头时被吸收，当激光中心平均波长对准气体吸收峰的波长，输出光包含有调制频率f2的二次谐波信号(2×f2)且信号幅度正比于气体浓度。
由于两个调制光的波长和频率都不同，所以在光纤中传输时不会相互干扰。在传感探头中被测的两种气体一氧化碳和甲烷的吸收谱不重叠，且只会对其对应的调制光产生作用，不会产生传感信号的串扰，能实现一氧化碳和甲烷的单点同时测量。另外，利用现有的传感网络复用技术也可以方便的实现多点的一氧化碳和甲烷同时测量。
透过传感探头的光信号进过光电转换模块和信号条理与数据采集模块后，变为数字信号输入微处理器，微处理器采用DSP2407的高频处理器。微处理器对输入的数字信号进行现代数字信号处理技术的频谱分析技术，分别提取频率为f1和f2的二次谐波信号，信号的幅度正比于气体浓度，将计算的气体浓度送显示。
权利要求
一氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统其特征在于系统主要包括第一个DFB激光源、第二个DFB激光源、第一个波形发生器、第二个波形发生器、第一个波长选择与调制器、第二个波长选择与调制器、光纤耦合器、传感探头、光电转换模块、信号调理与数据采集模块和微处理器。连接方式如下第一个波形发生器产生100KHz的连续正弦光谱波，作用于第一个波长选择与调制器；第一个波长选择与调制器控制第一个DFB激光源光谱调制范围，通过一定偏值电压的100Hz的三角波调节在一氧化碳的吸收谱附近；同理，第二个波形发生器产生30KHz的连续正弦波，作用于第二个波长选择与调制器；第二个波长选择与调制器控制第二个DFB激光电源调制范围，通过一定偏值电压的30KHz的三角波调节将光谱调节在甲烷的吸收谱附近，第一个DFB激光源通过光纤连接耦合到光纤耦合器一个输入端；第二个DFB激光源通过光纤连接耦合到光纤耦合器的另一个输入端；耦合器的输出端连接传感探头；传感探头连接光电转换模块；光电转换模块通过导线连接信号调理与数据采集模块连接，数据采集模块通过导线连接微处理器；微处理器选用高速DSP微处理器，完成对第一个和第二个波长选择与调制器的控制，并完成数据采集、处理和气体浓度值计算。
全文摘要
一氧化碳和甲烷一体化光纤传感测量系统主要包括第一个DFB激光源、第二个DFB激光源、第一个波形发生器、第二个波形发生器、第一个波长选择与调制器、第二个波长选择与调制器、光纤耦合器、传感探头、光电转换模块、信号调理与数据采集模块和微处理器。连接方式如下第一个波形发生器作用于第一个波长选择与调制器，第一个波长选择与调制器控制第一个DFB激光源，第一个DFB激光源通过光纤连接耦合器的一个输入端；第二个波形发生器作用于第二个波长选择与调制器，第二个波长选择与调制器控制第二个DFB激光源，第二个DFB激光源通过光纤连接耦合器的另一个输入端；耦合器的输出端连接传感探头；传感探头连接光电转换模块；光电转换模块通过导线连接信号调理与数据采集模块；数据采集模块通过导线连接微处理器；微处理器控制第一个波长选择与调制器、第二个波长选择与调制器和显示模块。
文档编号G01N21/39GK1888864SQ200610019709
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月25日 优先权日2006年7月25日
发明者姜德生, 王洪海, 王立新, 范典, 许儒泉 申请人:武汉理工大学