专利名称：矿用光纤瓦斯监测转换装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种矿井瓦斯浓度监测装置,尤其是涉及-种矿用光纤瓦斯检测装置。
背景技术：
近年来，井下瓦斯突出、爆炸事件是矿井事故的主要原因之一，为了保障矿工生命和国 家财产安全，改善矿井生产条件，我国耗费巨资装配了大量的瓦斯检测装置，为防止瓦斯爆 炸、确保人身安全起到了一定的保障作用。
出现在20世纪80年代的光纤气体检测技术是一种新型气体检测方法，它具有其它瓦斯 检测方法不可比拟的优势。它具有测量精度高、测量范围大、传输距离远、抗电磁干扰能力 强、气体选择性好和使用寿命长等优点。但是由于种种原因真正用到煤矿等环境中的瓦斯光 纤传感器装置几乎没有。其中专利矿用瓦斯远程光纤激光检测仪(申请号200810015614.1〉 给出了一种采用锯齿波调制技术实现具有自参考功能的矿用瓦斯远程光纤激光检测仪，该实 用新型釆用参考光路消除了光路传输等影响，同时还通过自身参考消除了差分方式等方法存 在的不完全对称造成的零点漂移等问题，提高了仪器的抗温度和电路干扰能力。但是该远程 检测仪只能与PC机配合实现瓦斯的远程监测，并且没有标准的瓦斯浓度输出接口，不能与煤 矿现有设备进行配套使用，由于上述原因使其在矿井等领域大范围推广使用受到较大限制。 发明内容
为了解决上述问题，本实用新型给出了一种瓦斯监测转换装置方案，与上述专利技术的 区别是本实用新型不使用计算机而采用微处理器进行数据采集处理，实现瓦斯浓度信号的检 测，增加了瓦斯浓度标准输出接口，方便了与矿上现有控制设备等的关联使用。此外，本实 用新型所使用的恒流源驱动电路是由微处理器通过数字方式产生的，提高了光源驱动的精度 和抗干扰能力，从而提高了整个系统的抗干扰能力；本实用新型的光源温度控制电路采用专 门的温度控制芯片，提高光源波长控制的精度，从而提高了系统的精度和稳定性。
本方案是通过如下技术措施来实现的它包括DFB光源和光纤传感探头以及连接二者的 光路组件，其特征是所述的光源由锯齿波电路驱动，所述光路组件包括分路器以及与分路器 连接的探测光路组件和参考光路组件，所述探测光路组件将光纤传感探头返回的光信号输入 到光电转换电路，所述光电转换电路将光信号转换成模拟电压信号输入到AD转换电路，其特 征是所述AD转换电路输出数字信号到微处理器信号处理电路； .
所述探测光路组件包括输入端与分路器连接的第一 2X2耦合器、第二 2X2耦合器和第
3三2X2耦合器，第一耦合器的输出端通过一段较长的光纤和第一瓦斯传感探头的光信号输入 端相连，第一耦合器的反射端和光电探测电路的输入端第一光电操测器连接。第二和第三2 X2耦合器的输出端分别与第二和第三瓦斯传感探头连接，反射端分别与光电探测电路的第二 光电探测器和第三光电探测器连接。
所述参考光路组件包括一个输入端与分路器连接的第四2X2耦合器，第四2X2耦合^ 的一个输出端通过光纤接入到参考气室，所述参考气室通过光纤输出光信号至第四光电探测 器，第四2X2耦合器的另二输出端与第五光电探测器连接。
所述的微处理器信号处理电路通过微处理器实现了信号的采集、处理和浓度信号转换、 输出等功能。
与所述微处理器信号处理电路连接的还有输出显示和按键输入电路，电源电路。其中数 据显示电路主要是LCD显示电路用以显示瓦斯浓度和装置本身的状态；按键输入电路用以控 制显示电路所显示的内容，实现装置的浓度显示和参数设置等功能。
与所述微处理器信号处理电路连接的有模拟信号输出电路。所述的微处理器信号处理电 路经过模拟信号输出电路把转换装置所得到的瓦斯浓度信号转换为4-20mA电流信号或者 200-1000HZ的频率信号进行输出。
与所述微处理器信号处理电路通过数据输出电路连接有声光报警和LED显示。所述的微 处理器信号处理电路通过数据输出电路把所得到的瓦斯浓度信号经过光缆传送到瓦斯传感探 头的声光报警和LED显示单元，由其根据设定值进行报警和浓度显示。
所述微处理器信号处理电路控制光源驱动电路产生恒流源驱动DFB光源发光。所述微处 理器信号处理电路通过自身的DA产生一定的模拟信号控制锯齿波恒流源电路产生恒流源驱 动DFB光源发光；其中锯齿波的频率和信号大小由微处理器信号处理电路控制。
所述的DFB温度控制电路控制DFB激光器的波长。通过专用温度控制芯片(ADN8S30、 LTC1923等)控制光源的波长使其固定在瓦斯气体的吸收峰所在的波长。
所述的电源电路为其他电路单元供电。整个装置由正负12V的开关电源供电，各电路单 元之间通过电路板上的电源线连接为其提供电能。
装置工作时首先由光源驱动电路(包括光源驱动电路和光源温度控制电路)驱动光源产 生指定波长的光，光源发出的光经光路到达传感装置和参考气室，然后带有浓度信号的光信 号又返回到光电转换电路，经过光电转换后光信号转换为相应的模拟电压信号，该电压信号 经过AD转换电路把模拟电压信号转换为微处理器能够识别的数字信号，该数字信号经过微 处理器数字处理电路根据Beer-Lambert定律，计算可得出现场的瓦斯浓度信号。该浓度信号通过数据输出电路传送到传感装置进行显示或声光报警，通过模拟信号输出电路转换为 4-20mA的电流信号或者200-1000HZ的频率信号进行浓度输出，该浓度信号还通过数字显示 电路进行浓度信号显示。按键电路可对主机进行设置，实现数字显示电路在浓度显示，各通 道电压值显示及主机参数设置等之间的转换。
本实用新型所述的矿用瓦斯光纤检测装置充分发挥光纤测量技术的优势，将光学和电子两 部分技术有机结合，使得本实用新型具有如下优势。
1、 由于采用单片微计算机对数据进行采集处理，实现了瓦斯浓度的显示和声光报警功能， 使装置的智能化程度提高，同时降低了仪器的制造成本；
2、 装置配有浓度信号输出的标准接口，即每个传感器配有一个200~1000HZ的频率型输出 接口、 一个4一20mA的电流输出接口和一个数字RS232/RS485接口，揭高了该装置与其 他矿用设备的兼容性，有利于利用现有设备实现风机闭锁、瓦斯断电等智能化控制功能；
3、 该光纤检测装置还增加了现场显示和报警功能，井下出现瓦斯突出等危险情况时，井下工 人可以更方便看到报警信息；
4、 本实用新型采用数字驱动和专用温度控制芯片控制光源的温度，提高了系统的测量精度和 稳定性，图3给出了某个装置一个光纤传感探头的一组典型测量值。
图1瓦斯转换装置结构框图
图2装置光路图，其中，1—光源、2—分路器、3—第一耦合器、4~第一光缆，5—第一 传感探头，6-第二耦合器，7—第二光缆，8—第二传感探头，9一第三耦合器，10~第三光缆， 11—第三传感探头，12—第四耦合器，13—参考气室，PD1—第一探测器，PD2—第二探测器， PD3—第三探测器，PD4—第四探测器，PD5—第五探测器。
图3瓦斯典型测量值；图4瓦斯浓度和测量电压关系图；图5微处理器信号处理电路； 图6光源驱动和温度控制电路；图7光电转换和AD转换电路；图8模拟信号输出电路；图 9数字信号输出电路；图10数据输出电路；图ll数据显示电路；图12按键输入电路；
具体实施方案
现结合附图对本实用新型的具体实施方案做如下详述
作为一个具体例子，以下给出了实现该实用新型的一个具体实例，即光纤瓦斯转换装置。
如原理框图1所示，本装置由A和B两部分组成，其中A是所述装置的瓦斯传感探头部 分，由传感探头外壳、光纤准直器、LED瓦斯浓度显示和声光报警等组成；B是所述装置的 主机部分，由电源电路、光源温度控制电路、光源驱动电路、DFB光源、光电转换电路、AD 5转换电路、微处理器信号处理电路、数据输出电路、模拟信号输出电路、数据显示电路、按 键输入电路和光路等组成。
DFB激光器的波长对温度和驱动电流敏感，但是由于其波长受温度调制的速度较慢，且不 容易稳定，因此本实用新型采用周期性改变激光器的注入电流同时控制激光器温度在一恒定 值的办法调制激光器波长。 .
根据Beer-Lambert定律，当光强为/。的光照射某种气体时，由于发生共振吸收，其入
射光强/Q 和出射光强/之间满足关系
/(A ) = /0(义)exp( - aC丄)
其中a为被测气体吸收系数、C为被测气体浓度、L为被测气体吸收腔长度。考虑到光路 等的损耗Beer-Lambert定律可修正为如下公式
/(;i) =o(;i) exp( -ac丄)
其中K为损耗系数 反解上式可得
C = ln(《/^丄 (1)
由上式可知，通过测量入射前后的光强和光程即可测得被测气体的浓度。由于系统的光程 是一固定值，因此我们只需测量吸收前后光强的变化即可测得被测瓦斯的浓度。
所述装置中光电探测器采用InGaAs光电探测器，其输出电流光电探测器的光强成一定的 线性关系，因此在光电探测电路中，经过运算放大器后所输出的电压信号和进入光电探测器 的光强成线性关系。
以下以第一通道的测量原理来说明本实用新型所述装置的具体实施方案。
如图2所示，光源1发出的光经过1X4的分路器2被分为四束25: 25: 25: 25的光，分
别定义为第一、第二、第三和第四束光。其中第一、第二和第三束光分别进入第一、第二和 第三耦合器(2X2) 3、 6、 9的入射端，经出射端分别到达第一、第二和第三光纤传感操头， 该光束分别经过探头上的反射镜反射后通过各自耦合器的反射端到达光电探测电路的输入端 第一光电探测器PD1、第二光电探测器PD2和第三光电探测器PD3，该三个光电探测电路的输 出电压分别为V1、 V2、 V3，这些电压信号和气体吸收后得光强成一定的线性关系。第四束光 通过第四耦合器(1X2)的入射端，该第四耦合器的第一出射端经过参考气室连接光电探测 电路的第四光电探测器PD4，该光电探测电路输出的电压信号为V4。参考气室中装有高浓度斯吸收峰所在的位置，由于该参考光路的 光和经过光纤传感探头的光是同一个光源发出的光，可以利用该信号消除因温度等的变化引 起的吸收峰位置变化造成的仪器测量误差，提高了仪器检测的精度；第四耦合器的第二输出 端直接和光电探测电路的第五光电探测器PD5相连，该光电转换电路所输出的电压信号V5与
无气体吸收时光强成线性对应关系。以第一通道为例，微处理器信号处理过程中5/《和吸
收前后光强的比值"》《成一定的线性关系，由式(1)计算可得第一瓦斯传感探头处瓦斯的 浓度。图3给出了吸收前后的光强变化比值(已转换为电压)和瓦斯浓度的关系图，其中横 轴代表光强吸收前后的比值，纵轴代表甲垸的浓度值。图4给出了一组典型测量值。其中， 横轴代表待测标准气的浓度，纵轴代表本仪器的实际测量值。所述装置的各个部分如下
所述的前端传感装置主要包括带有反射镜光纤准直结构的光纤准直器、六位LED数码显 示和声光报警装置。其中三位LED数码管显示现场瓦斯浓度；三位LED数码管显示现场温度 值；声光报警，当瓦斯的浓度超过设定报警值时提供声音和灯光闪烁报警。
如图5所示，所述的微处理器信号处理电路，作为优先实现的一个方案，本装置的微处 理器芯片采用C8051F410,首先通过第17引脚以DA的方式结合图6虚线框所示的光源驱动 电路产生一个锯齿波恒流源驱动激光器工作；通过第9-15引脚控制并读取AD的输出值获取 PDl—PD4转换所得的电压信号Vl-V4，通过第16引脚使用内部AD获得PD5转换所得的电 压信号V5，根据电压V4和V5可得瓦斯吸收峰所在的位置，根据吸收峰位置和电压Vl-V3 的值可得瓦斯吸收前后的电压的比值，根据朗伯一比尔光谱吸收定律，通过运算处理单元计 算可得被测点的瓦斯浓度值。之后通过第30和31引脚送往液晶显示单元LCM12864ZK进行 浓度数据显示，通过第25-29引脚控制MAX 541并结合AD694进行4-20mA模拟量输出，通 过第21和22引脚结合MAX 202以RS232方式把浓度信号进行远距离传输到传感装置进行 显示和声光报警，通过第18、 19、 20、 23和24引脚控制按键实现输出显示单元各显示方式 之间的转换。
如图6所示，所述的激光器恒流源驱动电路和温度控制电路保证了激光器工作在指定的波 长。其中，恒流源驱动电路主要由电容C38、 C39、 C40，电阻R26、 R27、 R28、 R49、 R50，, 场效应管Q3- NTP15NE06和运放放大器U9-LMC6484组成。微处理器通过第17引脚数模转 换DA产生的恒流源通过电阻R28转换为电压，经过运放U9后控制Q3工作在开关状态，通 过R49产生锯齿波调制的恒流源驱动激光器发光。温度控制电路以DFB激光器专用温控芯片 ADN8830为例给出了具体实施方案。U7-ADN8830为核心器件，光源的热敏电阻RH和R40、R41、 R42组成桥式分压电路，通过调整电阻R42的阻值可设定光源工作的温度。根据光源热 敏电阻RH的值和温度设定电阻值R42之间的差值，U7控制输出电流的方向，通过场效应管 对Ql -FDW2520和Q2- FDW2520实现对DFB激光器制冷电流的控制，从而实现对光源的温 度控制。
如图7所示，为所述的光电转换电路和AD转换电路。其中光电转电路把经过各光纤传. 感探头的光信号经过InGaAs光电探测器PD1-PD5转换为电压信号，并把电压信号输出到AD 转换电路。光电转换电路主要由Cl-C5、 C6、 C8、 C10、 C12、 C14、 C16-C19、 C22、 C23、 C25、 C26、 PD1-PD5、 R1-R25和运算放大器Ul-U5 (LMC6484)组成。以第一通道为例，PD1 把带有浓度信号的光转换成为电流信号，再经过电阻R1和U1的第l、 2、 3引脚组成的运放 把电流信号转换为电压信号，之后经过U1的第5、 6、 7引脚和电阻R2-R4组成的反馈放大电 路把电压信号放大到合适的电压范围，该电压VI经过电阻R5接到AD转换电路的一个输入 端。AD转换电路的核心是AD转换芯片U8-AD974，其转换时钟由微处理器U1的第14脚提 供，光电转换电路的输出电压Vl-V4分别输出到U8的4个模拟输入端即U8的第26、 28、 3、 5引脚上，Ul的第9、 10引脚分别连接U8的第23、 22引脚，控制了 AD974的转换通道，数 据转换后，Ul通过第13引脚读取U8第17引脚数据。PD5探测到的电压V5直接连接到微 处理器U1的第16引脚，使用内部AD转换实现了电压的模数转换。
如图8所示，为所述的瓦斯浓度模拟信号输出电路。主要由电压输出数模转换器MAX541 和电压电流转换器AD694组成。以第一通道为例，U11-MAX541为数模转换器，时钟输入第 5脚连接微处理器Ul的第28脚，由Ul为其提供转换时钟，数据输入第6脚和微处理器Ul 的第29脚相连，微处理器计算所得的瓦斯浓度通过Ul的第29脚输出到Ull的第6脚，该 数字信号经Ull转换为相应的电压信号，该电压信号经Ull的第1脚输出到U3-AD694的第 3脚，最终瓦斯浓度信号经U3转换为4-20mA的标准电流信号输出。该标准电流信号可以与 其他工控设备直接连接使用，方便了本实用新型所述装置与其他设备的配套使用。
如图9所示，为所述的瓦斯浓度数字输出接口电路。该数字输出接口电路包括RS232和 RS485两种输出方式。U10-MAX202的数据输入第11引脚和微处理器U1的第22引脚相连， 接受微处理器发送的浓度数据，通过第14脚把浓度信号发送到输出端。同时数据接受端第13 脚接受外界的数据，通过第12脚把数据传送给微处理器U1，采用MODBUS协议(可选用其 他通讯协议)实现U1与外界设备的通讯。 ，
如图10所示，为所述的数据输出模块，与数字浓度输出模块类似，电路中通过引入 U7-MAX1487实现了 Ul与传感探头之间的RS485通讯，使得数据能够在传感装置上进行显示和声光报警。
如图11所示，为所述的液晶显示。其中，液晶显示选用液晶模块LCM12864ZK，通过微 处理器Ul的第30脚为其提供时钟，第31脚传送数据，Ul和液晶显示模块之间实现总线式 通讯即可实现瓦斯浓度等的显示。
如图12所示，为所述的按键输入电路。所述的按键电路包括五个按键分别为上、下、左、 右和功能键，通过微处理器U1的第18-21和第24引脚，结合软件程序实现了液晶显示模块 的显示内容在各个通道瓦斯浓度，电压值和仪器参数设置之间的转换。
根据上述原理我们实现瓦斯浓度的测量，图3给出了一组典型测量值。其中，横轴代表待 测标准气的浓度，纵轴代表本仪器的实际测量值。
此外，传感探头部分与主机通讯采用RS232接口，显示采用普通的LED显示电路即可完 成，由于该技术相对已比较成熟，实际应用中我们采用微处理器C8051F410控制CILE公司 生产的数码管P-5631A进行显示，蜂鸣器采用江苏省华兴机电有限公司生产的SFM-27型连 续声蜂鸣器进行报警。 '
该例子是本实用新型的一个优先实现方法，在本技术领域内，不违背本实用新型的前提下 所作的任何显而易见的改动，应该属于本实用新型所述的构思和所要求的权利范围之内。
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权利要求1、一种矿用光纤瓦斯监测转换装置，它包括DFB光源和光纤传感探头以及连接二者的光路组件，其特征是所述的光源由锯齿波电路驱动，所述光路组件包括分路器以及与分路器连接的探测光路组件和参考光路组件，所述探测光路组件将光纤传感探头返回的光信号输入到光电转换电路，所述光电转换电路将光信号转换成模拟电压信号输入到AD转换电路，其特征是所述AD转换电路输出数字信号到微处理器信号处理电路；所述探测光路组件包括输入端与分路器连接的第一2×2耦合器、第二2×2耦合器和第三2×2耦合器，第一耦合器的输出端通过一段较长的光纤和第一瓦斯传感探头的光信号输入端相连，第一耦合器的反射端和光电探测电路的输入端第一光电探测器连接；第二和第三2×2耦合器的输出端分别与第二和第三瓦斯传感探头连接，反射端分别与光电探测电路的第二光电探测器和第三光电探测器连接；所述参考光路组件包括一个输入端与分路器连接的第四2×2耦合器，第四2×2耦合器的一个输出端通过光纤接入到参考气室，所述参考气室通过光纤输出光信号至第四光电探测器，第四2×2耦合器的另一输出端与第五光电探测器连接。
2、 根据权利要求l所述的矿用光纤瓦斯监测转换装置，其特征是与所述微' 处理器信号处理电路连接的还有输出显示和按键输入电路，电源电路。
3、 根据权利要求l所述的矿用光纤瓦斯监测转换装置，其特征是与所述微 处理器信号处理电路连接的有模拟信号输出电路。
4、 根据权利要求1所述的矿用光纤瓦斯监测转换装置，其特征是与所述微 处理器信号处理电路通过数据输出电路连接有声光报警和LED显示。 '
5、 根据权利要求1所述的矿用光纤瓦斯监测转换装置，其特征是所述微处 理器信号处理电路控制光源驱动电路产生恒流源驱动DFB光源发光。
6、 根据权利要求1所述的矿用光纤瓦斯监测转换装置，其特征是所述DFB 激光器连接有DFB温度控制电路。
专利摘要一种矿用光纤瓦斯监测转换装置，它包括DFB光源和光纤传感探头以及连接二者的光路组件，其特征是所述的光源由锯齿波电路驱动，所述光路组件包括分路器以及与分路器连接的探测光路组件和参考光路组件，所述探测光路组件将光纤传感探头返回的光信号输入到光电转换电路，所述光电转换电路将光信号转换成模拟电压信号输入到AD转换电路，其特征是所述AD转换电路输出数字信号到微处理器信号处理电路，本技术方案主要用于煤矿瓦斯检测。
文档编号G01N21/39GK201378144SQ200920019689
公开日2010年1月6日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者刘统玉, 忠 周, 盈 尚, 李艳芳, 哲 王, 赵燕杰, 魏玉宾 申请人:山东省科学院激光研究所