专利名称：一种分光型红外吸收式瓦斯检测装置及方法
技术领域：
本发明涉及矿井瓦斯检测领域，特别涉及一种分光型红外吸收式瓦斯检测装置及 方法。
背景技术：
瓦斯事故是煤矿安全生产的主要威胁之一，一直是困扰采矿业的重大难题，并给 国家和企业带来很大的损失。煤矿瓦斯的主要成分为甲烷和一氧化碳，二者均为易燃易爆 气体，如甲烷在大气中浓度达到为5. 3% 15%时，具有爆炸性。因此，对矿井环境气体需 要进行早期的检测，及时地检测瓦斯浓度，对矿井安全生产以及人身安全都有着十分重要 的作用。目前，煤矿矿井中两种危险气体甲烷和一氧化碳的检测方法有电化学方法、光学 方法、半导体法、气相色谱法以及红外吸收法等多种。国内外普遍使用的甲烷和一氧化碳气 体的红外吸收传感器均是非色散红外吸收式气体传感器。这种传感器是利用发光二极管或 白炽灯作为光源，利用其发出的光经过采样气室被吸收后，利用滤波片滤出甲烷或者一氧 化碳的本征吸收波长，再利用光电探测器进行光电转化，并通过信号处理电路进行气体浓 度的检测；或者是利用半导体激光器直接发出甲烷或者一氧化碳的本征吸收波长红外光， 通过采样气室后被光电探测器和信号处理电路处理，检测得到气体浓度。但是，非色散红外吸收式气体传感器主要存在以下问题(1)采用发光二极管或 白炽灯作为光源，虽然价格低廉，但是其系统中的滤波片滤波后的红外光线波段较宽，影响 检测精度，而窄带宽滤波片制作困难，价格昂贵。(2)采用半导体激光器，虽然检测精度较 高，但是激光器造价贵，检测成本较高。因此，开发一种灵敏度高、价格低廉、可靠安全的瓦 斯检测系统具有很重大的社会意义以及经济前景。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种分光型红外吸收式瓦斯检 测装置及方法，该装置结合该方法不仅可以高选择性、快速、稳定地对瓦斯气体进行检测， 提高相应精度，而且还能实现甲烷、一氧化碳同时检测，并降低成本。本发明的目的是通过以下技术方案来解决的这种分光型红外吸收式瓦斯检测装置，包括气室和准平行光组件，所述气室内设 有两块平面反射闪耀光栅，气室的上端设有两个热释电探测器，所述准平行光组件的光出 射端伸入所述气室内，准平行光组件的光入射端设有MEMS红外光源，所述两个热释电探测 器分别连接有信号处理电路；所述气室由上端通入待检测气体、由下端出气；所述MEMS红 外光源的发射光经过准平行光组件处理后进入气室内，由设置为不同角度的两块平面反射 闪耀光栅分别反射至所述两个热释电探测器上，所述两个热释电探测器将测试信号光电转 化，最后传输至信号处理电路，由信号处理电路判断甲烷、一氧化碳浓度是否超出限度，并 做出报警。
上述准平行组件的内部为圆孔状，并进行了金属阳极氧化，防止杂散光在腔内反 射，该准平行组件的入射端与MEMS红外光源的出射端连接，准平行组件的出射端为限制出 射光角度的细小圆孔。上述两块平面反射闪耀光栅的表面均为锯齿形状。基于以上装置，本发明还提出一种瓦斯检测方法，包括以下步骤1)首先，使待检测气体由上端不断通入气室内；2)使MEMS红外光源发出的红外光经过准平行组件，所述准平行组件出射的准平 行光入射至两块平面反射闪耀光栅，使两块平面反射闪耀光栅分别分光出以甲烷和一氧化 碳本征吸收波长为中心的窄带宽红外光，此红外光通过与充满待监测气体的气室后，再利 用两个热释电探测器分别探测两束窄带宽红外光，3)使两个热释电探测器将测试信号分别进行光电转化后传输至信号处理电路，由 信号处理电路利用红外吸收原理实现待监测气体浓度的检测。进一步，上述MEMS红外光源采用中心波长在4 μ m，并满足3. 433μπι、4. 65μπι处有
较高辐射量。本发明具有以下有益效果(1)本发明的检测方法的基本原理采用闪耀光栅分光获得甲烷和一氧化碳本征吸 收波长3. 433 μ m、4. 65 μ m窄带红外光进行测试，从而具有更高灵敏度，并降低了其它气体 对测量结果的干扰；(2)本发明的装置所需的闪耀光栅，在MEMS批量加工下单件闪耀光栅的成本可以 很低，从而降低检测与预警系统成本；(3)本发明采用准平行光组件出射准平行光入射光栅，保证分光效果的情况下，也 降低了系统光学组件安置的难度。(4)本发明的装置利用闪耀光栅不同闪耀角对应不同的中心波长，从而可应用于 其它气体的检测，不但只是瓦斯气体，应用更加广泛。
图1为本发明的示意图；其中，1为MEMS红外光源，2为准平行光组件，3和4为平面反射闪耀光栅，5和6 为热释电探测器，7为信号处理电路，8为气室；图2为平面反射闪耀光栅分光原理图；图3为闪耀光栅分光得到本征波长与热释电探测器的位置示意图。
具体实施例方式本发明给出的这种分光型红外吸收式瓦斯检测装置及方法，其创新设计思想主要 体现在利用准平行光组件和闪耀光栅进行分光，设计原理为闪耀光栅分光原理。参看图1，本发明的检测装置结构是该装置包括气室8和准平行光组件2，在气室 8内设有两块平面反射闪耀光栅3、4，两块平面反射闪耀光栅3、4的表面均为锯齿形状。气 室8的上端设有两个热释电探测器5、6。准平行组件2的内部为圆孔状，并进行了金属阳极 氧化，防止杂散光在腔内反射，该准平行组件2的入射端与MEMS (微机电系统)红外光源1
4的出射端连接，准平行组件2的出射端为限制出射光角度的细小圆孔。准平行光组件2的 光出射端伸入气室8内，准平行光组件2的光入射端设有MEMS红外光源1，两个热释电探 测器5、6分别连接有信号处理电路7 ；气室8的上端设有气体进口、下端设有气体出口，因 此，气室8是由上端通入待检测气体、由下端出气；所述MEMS红外光源1的发射光经过准平 行光组件2出射一定发散角度的准平行光进入气室8内，准平行光组件2出射具有一定的 区域范围，两块平面反射闪耀光栅3、4置于准平行光组件2出射区域，并根据闪耀光栅公式 计算出安置角度后固定(以下结合图2详细介绍)，设置为不同角度的两块平面反射闪耀 光栅3、4，分别将准平行光组件2的出射光入射至两块平面反射闪耀光栅3、4上，两块平面 反射闪耀光栅3、4分别分光出以甲烷和一氧化碳本征吸收波长为中心的窄带宽红外光，此 红外光通过充满待测气体的开放气室8后，再利用热释电探测器5、6分别探测两束窄带宽 红外光。两热释电探测器5、6分别探测两块平面反射闪耀光栅3、4分光出的甲烷和一氧化 碳本征吸收波长光，并将测试信号光电转化，最后传输至信号处理电路7，由信号处理电路 7判断甲烷、一氧化碳浓度是否超出限度，并做出报警。其中，为了检测甲烷和一氧化碳，要 求MEMS红外光源1采用中心波长在4 μ m，满足3. 433 μ m、4. 65 μ m处有较高辐射量。以上的准平行光组件2采用圆孔内腔和小孔出射，并进行金属阳极氧化；闪耀光 栅采用平面闪耀光栅，表明呈锯齿状；气室采用了开放式与环境气体相连。参看图2，该图是光栅分光原理的示意图。其中，N为底面的法线方向，即光栅法 线；η为锯齿斜面的法线方向；d为光栅常数#为入射角，即入射方向与光栅法线的夹角； θ为衍射角，即衍射方向与光栅法线的夹角。闪耀光栅可以把大部分光强集中到某特定的 波长光谱中，而不会像透射光栅那样，没有色散的零极主极大占取了大部分光强。根据闪耀光栅分光原理J* (sin(妁士 sin(0)) = U (m = 0，士 1，士2，. · ·)(1)
Kb = —sinθα cosO-Θ )(2)
m
θ -φ-ψ ⑶式中φ—入射角(入射方向与光栅法线的夹角)/° ；θ—衍射角(衍射方向与光栅法线的夹角)/° ；d——闪耀光栅常数/ μ m ；m——衍射级次；ekb—闪耀角广；确定光栅常数后，不同的入射角会产生不同的闪耀波长，而相同入射角会在不同 衍射角度衍射不同波长光，故根据甲烷和一氧化碳的本征吸收峰的宽度来设计窄带宽红外 光的波长范围，通过这个波长范围来设计准平行组件2出射的准平行光的角度。从而在空 间方面来确定两个热释电探测器5、6的安置角度。参见图3，经过平面反射闪耀光栅3(4)分光得到气体吸收本征波长，再利用热释 电探测器5(6)在本征波长角度进行了探测并光电转换。
例如，在本发明中，采用准平行光组件长度为6cm，出射小孔直径为5mm，则利用三 角函数计算可得，发散角为4. 7°，小于5°。分别选择闪耀角31.7°光栅常数为3.33μπι 和闪耀角为30°光栅常数为5μπι的平面闪耀光栅3和4作为分光组件，利用公式(2)则可 分别计算出两块光栅在3. 433 μ m、4. 65 μ m衍射波长下入射角和出射角，分别为光栅3对 应 Φ = 43. 19°，θ = 20. 21° ；光栅 4 对应 Φ = 51. 57°，θ = 8. 43°。而当入射角范 围在5°以下时，艮P Φ = 43. 19° 士2. 5°或者Φ = 51. 57° 士2. 5°，利用公式(2)其衍 射波长范围在3. 433m士50nm和4. 65 μ m士50nm之内，而此带宽范围属于甲烷和一氧化碳的 红外吸收光谱内，适合测量。同时布置热释电探测器5和6的角度分别为20.21°和8. 43° 即可完成探测。上述角度均以闪耀光栅法线为基准。而根据红外吸收原理公式Lambert-beer定律，也就是光的吸收定律I = I0exp (- α Lc) (4)c = Ιη(Ι0/Ι)/α L(5)式中I—光通过介质吸收后的透射光强I0——入射介质的光强/cd ；α —为介质的吸收系数；c——介质浓度L——为光通过介质的长度/m。由上述公式可见，当介质的吸收系数 强Itl 一定的时候，即可获得目的气体的浓度。基于以上本发明所述的检测装置，本发明瓦斯检测方法的具体步骤如下1)首先，使待检测气体由上端不断通入气室8内，气体由上端通入，充满气室8后 由下端排出；2)使MEMS红外光源采用中心波长在4 μ m，并满足3. 433 μ m、4.65 μ m处有较高辐 射量，然后使MEMS红外光源1发出的红外光经过准平行组件2，该准平行组件2出射的准平 行光入射至两块平面反射闪耀光栅3、4，使两块平面反射闪耀光栅3、4分别分光出以甲烷 和一氧化碳本征吸收波长为中心的窄带宽红外光，此红外光通过与充满待监测气体的气室 8后，再利用两个热释电探测器5、6分别探测两束窄带宽红外光，3)使两个热释电探测器5、6将测试信号分别进行光电转化后传输至信号处理电 路7，由信号处理电路7利用上述的红外吸收原理实现待监测气体浓度的检测。综上所述，本发明利用准平行光和闪耀光栅得到甲烷和一氧化碳红外吸收的本征 波长，实现甲烷和一氧化碳同时检测浓度，既提高了系统气体检测的精度，又简化了装配和 加工，并降低成本，解决了传统非色散红外吸收传感器价格高、提高精度困难的问题。此外， 本发明还可以通过更换调节平面反射闪耀光栅，来实现其它气体的检测，也可以用于汽车 尾气检测等，能够连续对常规的气体如CO2、CO、CH4、NO、SO2等气体进行测量，其将可能逐步 取代以往的瓦斯检测装置。
/cd;
α、光通过介质的长度L、透射光强I、入射光
权利要求
一种分光型红外吸收式瓦斯检测装置，其特征在于包括气室(8)和准平行光组件(2)，所述气室(8)内设有两块平面反射闪耀光栅(3、4)，气室(8)的上端设有两个热释电探测器(5、6)，所述准平行光组件(2)的光出射端伸入所述气室(8)内，准平行光组件(2)的光入射端设有MEMS红外光源(1)，所述两个热释电探测器(5、6)分别连接有信号处理电路(7)；所述气室(8)由上端通入待检测气体、由下端出气；所述MEMS红外光源(1)的发射光经过准平行光组件(2)处理后进入气室(8)内，由设置为不同角度的两块平面反射闪耀光栅(3、4)分别反射至所述两个热释电探测器(5、6)上，所述两个热释电探测器(5、6)将测试信号光电转化，最后传输至信号处理电路(7)，由信号处理电路(7)判断甲烷、一氧化碳浓度是否超出限度，并做出报警。
2.根据权利要求1所述的分光型红外吸收式瓦斯检测装置，其特征在于所述准平行 组件(2)的内部为圆孔状，并进行了金属阳极氧化，防止杂散光在腔内反射，该准平行组件 ⑵的入射端与MEMS红外光源⑴的出射端连接，准平行组件(2)的出射端为限制出射光 角度的细小圆孔。
3.根据权利要求1所述的分光型红外吸收式瓦斯检测装置，其特征在于，所述两块平 面反射闪耀光栅(3、4)的表面均为锯齿形状。
4.一种基于权利要求1所述装置的瓦斯检测方法，其特征在于，包括以下步骤1)首先，使待检测气体由上端不断通入气室(8)内；2)使MEMS红外光源(1)发出的红外光经过准平行组件(2)，所述准平行组件(2)出射 的准平行光入射至两块平面反射闪耀光栅(3、4)，使两块平面反射闪耀光栅(3、4)分别分 光出以甲烷和一氧化碳本征吸收波长为中心的窄带宽红外光，此红外光通过与充满待监测 气体的气室(8)后，再利用两个热释电探测器(5、6)分别探测两束窄带宽红外光，3)使两个热释电探测器(5、6)将测试信号分别进行光电转化后传输至信号处理电路 (7)，由信号处理电路(7)利用红外吸收原理实现待监测气体浓度的检测。
5.根据权利要求4所述的瓦斯检测方法，其特征在于所述MEMS红外光源采用中心波 长在4 μ m，并满足3. 433 μ m、4. 65 μ m处有较高辐射量。
全文摘要
本发明公开了一种分光型红外吸收式瓦斯检测装置及方法，该装置及方法运用甲烷、一氧化碳在波长3.433μm、4.65μm红外谱线吸收原理，采用MEMS红外光源发出红外光线经过准平行光组件，投射至闪耀光栅后分光得到波长3.433μm、4.65μm红外谱线，通过开放气室，实现采样气体内甲烷、一氧化碳的浓度检测。该装置结合该方法不仅可以高选择性、快速、稳定地对瓦斯气体进行检测，提高相应精度，而且还能实现甲烷、一氧化碳同时检测，并降低成本。
文档编号G01N21/35GK101949838SQ201010270268
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月2日 优先权日2010年9月2日
发明者孙国良, 岑迪, 王健云, 王海容, 蒋庄德, 门光飞 申请人:西安交通大学