专利名称：一种有害气体浓度检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学检测技术领域，特别涉及一种有害气体浓度检测装置。
背景技术：
目前在煤炭的生产、加工过程中产生的大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易 爆有害气体，带来了煤矿安全、环境污染等一系列的问题。因此，对煤矿生产、加工过程中产 生的有害气体浓度进行高灵敏度检测变得十分重要。目前测量气体浓度的精密仪器多为光 纤单种气体传感器，多采用常规透射式吸收气室做为光纤气体传感器的核心器件，但其存 在光纤和分立光学元件的耦合问题，准直复杂，温度稳定性不够理想，抗震性能差和检测精 度不高的缺点。
发明内容针对现有技术的不足，本实用新型一种有害气体浓度检测装置，通过积分球光学 器件作为吸收气室，达到增大传感长度的目的。该装置包括两组结构相同的有害气体浓度检测单元和上位机；所述的有害气体浓度检测单元包括LED光源模块、入射光纤、积分球气室、积分球 挡板、光电探测器、锁相放大器、出射光纤；其中LED光源模块包括LED宽带光源、耦合器、压电陶瓷、光纤、光纤光栅和可调制 电源；LED宽带光源通过光纤依次连接耦合器和压电陶瓷，光纤光栅附着在压电陶瓷上表 面，可调制电源的正负极分别连接在压电陶瓷的两端；积分球气室表面设置有有害气体检测出射口、有害气体检测入射口、光量入射口和 光电探测器，其中光量入射口与有害气体检测出射口分别位于积分球气室任意直径的两端， 光量出射口与有害气体检测入射口也分别位于积分球气室任意直径的两端，光量入射口与有 害气体检测出射口所在的直径和光量出射口与有害气体检测入射口所在的直径相垂直；其中第一组LED光源模块中的耦合器通过入射光纤分别与第一组积分球气室的 光量入射口和第二组积分球气室的光量入射口水平连接，第一组的锁相放大器通过光纤连 接第一组的光电探测器，第一组的光电探测器通过出射光纤与第一组积分球气室的光量出 射口竖直连接；第二组LED光源模块中的耦合器通过入射光纤分别与第一组积分球气室的 光量入射口和第二组积分球气室的光量入射口水平连接，第二组的锁相放大器通过光纤连 接第二组的光电探测器，第二组的光电探测器通过出射光纤与第二组积分球气室的光量出 射口竖直连接；第一组和第二组的锁相放大器同时连接上位机；每组积分球挡板设置在积 分球气室内表面，且垂直于积分球挡板与积分球气室连接点的切线。所述的LED光源模块为波长可调谐的LED光源模块。工作工程两组完全相同的有害气体浓度检测单元中，第一组中的积分球气室当作测量气 室，第二组中的积分球气室当作参考气室。并且第一组的耦合器同时连接第一组的积分球气室和第二组的积分球气室，第二组的耦合器同时连接第一组的积分球气室和第二组的积 分球气室，形成4路信号检测光路，当启动第一组有害气体浓度检测单元时，被测有害气体 由有害气体检测入射口进入第一组和第二组积分球气室，有害气体经有害气体检测出射口 放出，出射光经光量出射口通过出射光纤由光电探测器检测并转换为模拟电压值，得到的 模拟电压值在经锁相放大器进过模数转换传入计算机储存；当启动第二组有害气体浓度检 测单元时，被测有害气体由有害气体检测入射口进入第一组和第二组积分球气室，有害气 体经有害气体检测出射口放出，出射光经光量出射口通过出射光纤由光电探测器检测并转 换为模拟电压值，得到的模拟电压值数据在经锁相放大器进过模数转换传入计算机，与第 一组有害气体浓度检测单元储存在计算机内的数据进行计算，便可检测出对应被测有害气 体的有效浓度值。本实用新型的优点该装置采用了积分球光学器件充当吸收气室，克服了常规透 射式吸收气室的缺点，以较小的体积获得较长的传感长度，并使用可调谐波长的LED光源 做为入射光，最后结合优异的算法实现不同气体浓度的高灵敏度检测。
图1是本实用新型有害气体检测装置结构框图。图2是本实用新型有害气体浓度检测单元结构示意图；图3是本实用新型波长可调谐的LED光源原理图；图中1.波长可调谐的LED光源，2.入射光纤，3.光量入射口，4.积分球挡板， 5.光量出射口，6.出射光纤，7.光电探测器，8.光纤，9.锁相放大器，10.有害气体检测出 射口，11.有害气体检测入射口，12.积分球气室，13. LED宽带光源，14.耦合器，15.压电陶 瓷，16.光纤光栅，17.可调制电源。
具体实施方式
本实用新型结合附图和实施例进一步说明。本实施例采用两组有害气体浓度检测装置对有害气体进行检测，其中第一组中的 积分球气室12当作测量气室，第二组中的积分球气室12当作参考气室；第一组采用中心波 长为^OOcnr1的LED调制光源；第二组采用中心波长为3105cm—1的LED调制光源(对应甲 烷气体的吸收峰)；其中光纤光栅选用光纤Bragg光栅；压电陶瓷15选用主要由锆汰酸铅0 " — PbTiO3)材料制成；耦合器14选用AV70606定向耦合器；光电探测器7选用HgCdTe型高速 光电探测器；锁相放大器9选用型号AD630 ；LED宽带光源13选用QD-03144AR磷砷化镓型 发光二极管；该装置如图1所示，包括两组结构相同的有害气体浓度检测单元和上位机；如图2所示，每组有害气体浓度检测单元均包括波长可调谐的LED光源模块1、入 射光纤2、积分球气室12、积分球挡板4、光电探测器7、锁相放大器9和出射光纤6 ；如图3所示，其中波长可调谐的LED光源模块1包括LED宽带光源13、耦合器14、 压电陶瓷15、光纤8、光纤光栅16和可调制电源17 ；LED宽带光源13通过光纤8依次连接 耦合器14和压电陶瓷15，光纤光栅16附着在压电陶瓷15上表面，可调制电源17的正负极 分别连接在压电陶瓷15的两端；[0024]积分球气室12表面设置有有害气体检测出射口 10、有害气体检测入射口 11、光量 入射口 3和光电探测器7，其中光量入射口 3与有害气体检测出射口 10分别位于积分球气 室12任意直径的两端，光量出射口 5与有害气体检测入射口 11也分别位于积分球气室12 任意直径的两端，光量入射口 3与有害气体检测出射口 10所在的直径和光量出射口 5与有 害气体检测入射口 11所在的直径相垂直；其中第一组波长可调谐的LED光源模块1中的耦合器14通过入射光纤2分别与 第一组积分球气室12的光量入射口 3和第二组积分球气室12的光量入射口 3水平连接， 第一组的锁相放大器9通过光纤8连接第一组的光电探测器7，第一组的光电探测器7通 过出射光纤6与第一组积分球气室12的光量出射口 5竖直连接；第二组波长可调谐的LED 光源模块1中的耦合器14通过入射光纤2分别与第一组积分球气室12的光量入射口 3和 第二组积分球气室12的光量入射口 3水平连接，第二组的锁相放大器9通过光纤8连接第 二组的光电探测器7，第二组的光电探测器7通过出射光纤6与第二组积分球气室12的光 量出射口 5竖直连接；第一组和第二组的锁相放大器9同时连接上位机；每组积分球挡板4 设置在积分球气室12内表面，且垂直于积分球挡板4与积分球气室12连接点的切线。工作过程按照如图1所示，使用两组完全相同的有害气体浓度检测单元，第一组中的积分 球气室12当作测量气室，第二组中的积分球气室12当作参考气室。并且第一组的耦合器 14同时连接第一组的积分球气室12和第二组的积分球气室12，第二组的耦合器14同时连 接第一组的积分球气室12和第二组的积分球气室12，形成4路信号检测光路，第一组LED 宽带光源13选择中心波长为^OOcnr1的LED调制光源，第二组LED宽带光源13选择中心 波长为3105CHT1的LED调制光源，当启动第一组有害气体浓度检测单元时，被测有害气体由 有害气体检测入射口 11进入第一组和第二组积分球气室12，第一时刻，波长可调谐的LED 光源模块1中中心波长为2600CHT1的LED调制光源，同时进入第一组和第二组的积分球气 室12，因为中心波长为2600CHT1的LED调制光源避开了大多数有害气体的吸收范围，所以 不受有害气体的调制，包含了传感光路的扰动、其它气体的影响和探测电路的漂移，有害气 体经有害气体检测出射口 10放出，出射光经光量出射口 5通过出射光纤6由光电探测器 7检测并转换为模拟电压值，得到的模拟电压值在经锁相放大器9进过模数转换传入计算 机储存；当启动第二组有害气体浓度检测单元时，被测有害气体由有害气体检测入射口 11 进入第一组和第二组积分球气室12，第二时刻波长可调谐的LED光源模块1中中心波长 为3105CHT1的LED调制光源，同时进入第一组和第二组的积分球气室12，因为中心波长为 3105cm—1的LED调制光源对应了被测有害气体的吸收峰，受到了有害气体的调制，信号光源 的波动、被测气体调制信号，有害气体经有害气体检测出射口 10放出，出射光经光量出射 口 5通过出射光纤6由光电探测器7检测并转换为模拟电压值，得到的模拟电压值数据在 经锁相放大器9进过模数转换传入计算机，与第一组有害气体浓度检测单元储存在计算机 内的数据进行计算，计算方法如下积分球气室12本身就存在光源衰减，即无气体状态下，光源信 号强度会降低，根据朗伯-比尔定律，计算积分球气室12的衰减率为
权利要求1.一种有害气体浓度检测装置，其特征在于该装置包括两组结构相同的有害气体浓 度检测单元和上位机；所述的有害气体浓度检测单元包括LED光源模块、入射光纤、积分球气室、积分球挡 板、光电探测器、锁相放大器、出射光纤；其中LED光源模块包括LED宽带光源、耦合器、压电 陶瓷、光纤、光纤光栅和可调制电源；积分球气室表面设置有有害气体检测出射口、有害气体检测入射口、光量入射口和光 电探测器，其中光量入射口与有害气体检测出射口分别位于积分球气室任意直径的两端， 光量出射口与有害气体检测入射口也分别位于积分球气室任意直径的两端，光量入射口 与有害气体检测出射口所在的直径和光量出射口与有害气体检测入射口所在的直径相垂 直；其中第一组LED光源模块中的耦合器通过入射光纤分别与第一组积分球气室的光量 入射口和第二组积分球气室的光量入射口水平连接，第一组的锁相放大器通过光纤连接第 一组的光电探测器，第一组的光电探测器通过出射光纤与第一组积分球气室的光量出射口 竖直连接；第二组LED光源模块中的耦合器通过入射光纤分别与第一组积分球气室的光量 入射口和第二组积分球气室的光量入射口水平连接，第二组的锁相放大器通过光纤连接第 二组的光电探测器，第二组的光电探测器通过出射光纤与第二组积分球气室的光量出射口 竖直连接；第一组和第二组的锁相放大器同时连接上位机；每组积分球挡板设置在积分球 气室内表面，且垂直于积分球挡板与积分球气室连接点的切线。
2.按权利要求1所述的有害气体浓度检测装置，其特征在于所述的LED光源模块中 LED宽带光源通过光纤依次连接耦合器和压电陶瓷，光纤光栅附着在压电陶瓷上表面，可调 制电源的正负极分别连接在压电陶瓷的两端。
3.按权利要求1所述的有害气体浓度检测装置，其特征在于所述的LED光源模块为 波长可调谐的LED光源模块。
专利摘要一种有害气体浓度检测装置，属于光学检测技术领域。该装置包括两组结构相同的有害气体浓度检测单元和上位机；有害气体浓度检测单元均包括LED光源模块、入射光纤、积分球气室、积分球挡板、光电探测器、锁相放大器、出射光纤；其中LED光源模块包括LED宽带光源、耦合器、压电陶瓷、光纤、光纤光栅和可调制电源；本实用新型的优点该装置采用了积分球光学器件充当吸收气室，克服了常规透射式吸收气室的缺点，以较小的体积获得较长的传感长度，并使用可调谐波长的LED光源做为入射光，最后结合优异的算法实现不同气体浓度的高灵敏度检测。
文档编号G01N21/31GK201844972SQ20102057003
公开日2011年5月25日 申请日期2010年10月21日 优先权日2010年10月21日
发明者刘宏志, 刘庆国, 王焱, 符巨云, 符江, 马勇 申请人:辽宁工程技术大学