全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法及装置制造方法
【专利摘要】全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法，包括：1）激光器由恒流源驱动，周期间断性的高频正弦波信号A和低频锯齿波信号B叠加后驱动激光器；2）激光器输出的光信号送入传感气室后经光电探测器转换为电信号；3）将电信号分为两路进行处理：一路依次经放大、低通滤波处理后，通过A/D转换直接采样分析处理；另一路经锁相放大处理后，通过A/D转换采样分析处理。全量程高灵敏度瓦斯气体检测装置，包括激光器、恒流源、微处理器、信号发生电路、驱动电路、传感气室、光电探测器、锁相放大器和高浓度检测模块。本发明能够克服现有光谱吸收式瓦斯检测中灵敏度和检测范围的相互制约，实现全量程的高灵敏度瓦斯气体浓度检测，对煤矿的安全监测具有重要意义。
【专利说明】全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明属于检测领域中气体浓度的检测，具体地指一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法及装置。
【背景技术】
[0002]随着工业的发展，煤炭成为了必不可少的能源，但同时煤矿事故也不断发生。瓦斯爆炸事故作为煤矿安全生产的重要威胁之一，近年来频繁发生，因此，实时、准确地检测瓦斯气体浓度对煤矿安全生产和人民生命财产安全有着重要的社会和经济意义。
[0003]矿井瓦斯主要是煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，容易引发爆炸和人员窒息死亡等事故。国外对高瓦斯矿井一般采取关停措施，而我国由于对煤炭依赖严重，在煤矿管理上尚有许多不完善之处，许多高瓦斯矿井仍用于煤炭开采。现有的瓦斯浓度检测手段中，普遍采用的是基于热催化原理的瓦斯传感器，然而该传感器存在测量范围小、容易发生“中毒”现象和调校困难等缺点。此外，还有催化燃烧式瓦斯传感器，但是它遇高浓度甲烷冲击时元件的活性(灵敏度)会发生变化，致使读数不准确，且存在输出的双值性，即当空气中甲烷含量大于10%时，氧气浓度下降，造成甲烷燃烧不完全，输出值降低，出现两种不同甲烷气体浓度输出同一信号的现象。如果把高浓度误判为低浓度将十分危险。
[0004]可调谐半导体激光吸收光谱技术作为目前应用广泛的一种光谱吸收型气体检测技术，是利用半导体激光器的波长扫描和电流调谐特性对痕量气体进行测量的一种技术。由于半导体激光器的高单色性，因此可以利用气体分子的一条孤立吸收谱线对气体的吸收光谱进行测量，从而方便地从混合污染成分中鉴别出不同的分子，避免光谱的干扰。与传统传感器相比，可调谐激光吸收光谱技术具有灵敏度高、鉴别能力强、稳定性高等优点，代表了气体检测技术的发展方向。然而，普通光谱吸收式瓦斯传感器在做全量程检测时，存在检测灵敏度和检测范围的制约性，即:在进行全量程浓度检测时，难以满足低浓度瓦斯检测的灵敏度要求；在进行低浓度高灵敏度检测时，又由于电压限制使得高浓度瓦斯无法测量。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题就是提供一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法及装置，能够克服现有光谱吸收式瓦斯检测中灵敏度和检测范围的相互制约，实现全量程的高灵敏度瓦斯气体浓度检测，对煤矿的安全监测具有重要意义。
[0006]为解决上述技术问题，本发明提供的一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法，包括如下步骤:
[0007]I)激光器由恒流源驱动，信号A和信号B叠加后驱动激光器，对激光器的输出波长进行调制，使激光器输出的中心波长与甲烷一条吸收线一致；所述信号A为周期间断性的高频正弦波，信号B为低频锯齿波，叠加后的信号在一个周期内分为上升和下降两部分，仅上升部分叠加有高频正弦波，用于测量低浓度时的瓦斯气体浓度，下降部分用于测量高浓度时的瓦斯气体浓度；[0008]2)激光器输出的光信号送入传感气室，穿过传感气室的光信号经光电探测器转换为电信号；
[0009]3)将光电探测器转换后的电信号分为两路进行处理:一路依次经放大、低通滤波处理后，通过A/D转换直接采样分析处理，用于获取高浓度时的瓦斯气体浓度信息；另一路经锁相放大处理后，通过A/D转换采样分析处理，用于获取低浓度时的瓦斯气体浓度信息。
[0010]在上述技术方案的所述步骤3)中，锁相放大处理的具体操作为:该路电信号首先进行放大、高通滤波处理，成为X(t)信号，x(t)信号与r(t)信号在乘法器电路中相乘后，进行低通滤波、放大处理；所述r(t)信号为x(t)信号二倍频的方波信号，且x(t)信号与r(t)信号的相位为x(t)信号的每一个周期刚好对应r(t)信号的两个周期。
[0011]在上述技术方案的所述步骤3)中，高浓度和低浓度的临界值设定为体积浓度4?10%。
[0012]本发明提供的一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测装置，包括激光器、恒流源、微处理器、信号发生电路、驱动电路、传感气室、光电探测器、锁相放大器和高浓度检测模块；所述恒流源与激光器连接，用于激光器的调谐；所述微处理器、信号发生电路、驱动电路和激光器依次连接，用于产生周期间断性的高频正弦波信号A和低频锯齿波信号B且叠加后对激光器的输出波长进行调制；所述激光器的输出端依次通过光纤与传感气室和光电探测器连接，分别用于实现瓦斯气体对光的吸收和光电转换；所述光电探测器的输出端分别与锁相放大器和高浓度检测模块连接，分别用于获取低浓度时的瓦斯气体浓度信息和高浓度时的瓦斯气体浓度信息，锁相放大器和高浓度检测模块的信号输出端分别与所述微处理器连接，用于信号处理和显示。
[0013]上述技术方案中，所述锁相放大器包括依次连接的:
[0014]第一放大电路，用于放大光电探测器的输出信号；
[0015]高通滤波电路，用于滤除低频信号；
[0016]乘法器电路,其另一输入端与所述微处理器的一个输出端相连，用于将放大、高通滤波后产生的x(t)信号与微处理器产生的x(t)信号的二倍频方波信号r(t)相乘；
[0017]第一低通滤波电路，用于滤除高频信号；
[0018]第二放大电路，用于放大低通滤波后的信号；
[0019]以及第二 ADC采集电路，用于A/D转换并输出给微处理器。
[0020]上述技术方案中，所述高浓度检测模块包括依次连接的:
[0021]第三放大电路，用于放大光电探测器的输出信号；
[0022]第二低通滤波电路，用于滤除高频信号；
[0023]以及第一 ADC采集电路，用于A/D转换并输出给微处理器。
[0024]与现有技术相比，利用本发明方法及装置:当被测甲烷气体浓度较高时，可直接通过放大滤波的方式检测出气体浓度；当被测甲烷气体浓度较低时，甲烷气体对光信号的吸收很微弱，则通过锁相放大的方式检测出气体浓度，从而实现了全量程高灵敏度瓦斯气体的检测。本发明实现对高浓度和低浓度瓦斯气体作准确测量的双重功能，并且灵敏度高、鉴别能力强、稳定性好。
【专利附图】
【附图说明】[0025]图1为本发明全量程高灵敏度瓦斯气体检测装置一个实施例的结构框图暨工作原理图；
[0026]图2为图1中激光器的驱动波形图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图对本发明的具体实施例作进一步的详细描述:
[0028]如图1和图2所示，本发明提供的一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测装置，包括激光器、恒流源、微处理器、信号发生电路、驱动电路、传感气室、光电探测器、锁相放大器和高浓度检测模块。恒流源与激光器连接，用于激光器的调谐。微处理器、信号发生电路、驱动电路和激光器依次连接，用于产生周期间断性的高频正弦波信号A和低频锯齿波信号B且叠加后对激光器的输出波长进行调制。激光器的输出端依次通过光纤与传感气室和光电探测器连接，分别用于实现瓦斯气体对光的吸收和光电转换。光电探测器的输出端分别与锁相放大器和高浓度检测模块连接，分别用于获取低浓度时的瓦斯气体浓度信息和高浓度时的瓦斯气体浓度信息，锁相放大器和高浓度检测模块的信号输出端分别与微处理器连接，用于信号处理和显示。其中，锁相放大器包括依次连接的第一放大电路、高通滤波电路、乘法器电路、第一低通滤波电路、第二放大电路以及第二 ADC采集电路，乘法器电路的另一输入端还与前述微处理器的一个输出端相连；高浓度检测模块包括依次连接的第三放大电路、第二低通滤波电路以及第一 ADC采集电路。
[0029]利用该装置进行全量程高灵敏度瓦斯气体检测的步骤为:
[0030]I)低频锯齿波信号B由微处理器产生，由内部定时器触发，频率精确可调，通常信号B的频率为数十到数百赫兹；高频正弦波信号A由微处理器间断产生方波并经过四阶巴特沃斯低通滤波器之后得到，频率一般为数十兆赫兹。激光器由恒流源驱动，信号A和信号B叠加后成为信号C驱动激光器,对激光器的输出波长进行调制,使激光器输出的中心波长与甲烷一条吸收线一致。激光器的驱动电流必须调整在一个合适的范围，尽量让激光器工作的在线性区，有利于寻找吸收峰和提高性噪比。如图2所示，叠加后形成的信号C在每一个周期内分为上升和下降两部分，仅上升部分叠加有高频正弦波，用于测量低浓度时的瓦斯气体浓度，下降部分未叠加高频正弦波，用于测量高浓度时的瓦斯气体浓度；
[0031]2)激光器输出的光信号送入传感气室，穿过传感气室的光信号经光电探测器转换为电信号，实际操作中应尽量使光电探测器工作在线性区；
[0032]当传感气室中被检测的甲烷气体浓度较高时，光束通过甲烷气体再转换为电信号后，经放大和滤波处理，即可得到较明显的吸收峰，如图2中信号E的下降部分所示，采用相应算法计算出吸收峰的幅值，就能获得气体浓度值；当传感气室中被检测的甲烷气体浓度较低时，如图2中信号D的下降部分所示，光束通过甲烷气体再转换为电信号后，吸收峰十分微弱，不能被直接检测，因此采用微弱信号检测技术。
[0033]当被检测的甲烷气体浓度很低时，对光的吸收也就非常弱，由于外界干扰、传感器本身的噪声和测量电路的噪声等，有用的信号被大量干扰和噪声所淹没。微弱信号检测的目的就是测出被背景噪声覆盖的微弱信号，经过适当的放大滤波处理之后，能够直接给A/D转换电路使用。其特点是检测灵敏度高，信噪比非常高。基本原理是基于噪声与噪声、噪声与信号不相关，而信号与信号则完全相关。根据这一特性，电路完成信号与参考信号的互相关运算，从而将强噪声中的信号振幅和相位信息检测出来。本发明则采用锁相放大的方式，具体操作如下述；
[0034]3)将光电探测器转换后的电信号分为两路进行处理:一路依次经放大、低通滤波处理后，通过A/D转换直接采样分析处理，用于获取高浓度时的瓦斯气体浓度信息；另一路经锁相放大处理后，通过A/D转换采样分析处理，用于获取低浓度时的瓦斯气体浓度信息。
[0035]锁相放大处理的具体操作为:如图1所示，该路电信号首先进行放大、高通滤波处理，成为被调制的x(t)信号，r(t)信号则由微处理器产生，为x(t)信号二倍频的方波信号，且x(t)信号与r(t)信号的相位被调整为x(t)信号的每一个周期刚好对应r(t)信号的两个周期。x(t)信号与r(t)信号在乘法器电路中相乘后，进行低通滤波，由于有用信号的幅值很小，低至数毫伏甚至微幅，所以还需进行放大处理，再送入A/D转换。
[0036]本实施例中甲烷气体高浓度和低浓度的临界值设定为体积浓度4%。对于浓度低于4%的甲烷气体，当12位ADC采集电路的最大电压为2.5V时，将光谱经浓度为4%的甲烷气体吸收处理之后的电压幅值放大到2.5V，此时浓度为4%的甲烷气体对应的电压值为2.5V,12位ADC采集电路的电压最小分辨率为0.6ImV,理论上检测甲烷气体浓度的最小分辨率可到达lOppm。对于浓度高于4%的甲烷气体，同样也是12位ADC采集电路，参考电压为2.5V。将浓度为100%的甲烷气体的吸收峰值放大到2.5V，那么浓度为100%的甲烷气体对应的电压值为2.5V，此时浓度为4%的甲烷气体对应的电压值应该是IOOmV,此时最小分辨率理论上可达244ppm。因此，整个装置能够在低浓度(小于等于4%)时实现约IOppm的检测灵敏度，在高浓度(大于4%)时实现100%浓度全量程的检测。
[0037]实际操作中，在每次测量时微处理器需首先判断被测气体的浓度范围:若第一ADC采集电路的电压幅值超过IOOmV,则第二 ADC采集电路关闭，利用一 ADC采集电路采集的信号进行处理分析，获取高浓度时的瓦斯气体浓度信息；若第一 ADC采集电路的电压幅值不超过100mV，则第二 ADC采集电路开启，利用第二 ADC采集电路采集的信号进行处理分析，获取低浓度时的瓦斯气体浓度信息。
[0038]整个装置的供电为9?36V，恒流源选用4:1宽幅输入的开关电源模块，相对于线性电源，其体积小、效率高、使用方便。信号处理部分的运放选用低功耗、低噪声、轨至轨运放，且尽量使用单电源运放。为了限制上电瞬间的浪涌电流，在装置电源线路输入端串联一只NTC (热敏电阻)，在冷启动时，NTC呈现高阻抗，因而将使涌入电流得到限制。而当电流的热效应使NTC温度升高、阻值急剧下降时，对系统的电流限制作用减小。同时，由于NTC在热态下的阻抗并不是零，故会产生功率损耗，从而影响系统的运行效率。NTC热态下重新启动时，对浪涌电流起不到限制作用。为此，在系统启动之后，可利用SCR (可控硅)等元件将NTC短路。
[0039]本装置可充分利用单片机功能，包括DMA (直接存储器访问)，定时器，ADC，DAC。其中，ADC和DAC的数据传输都用DMA完成，不仅传输速度快，而且不占用CPU时间，更有利于(PU后期的数据处理。对采集的瓦斯气体浓度幅值进行多次平均，可以进一步提高性噪比。通过设置红外遥控器，可对甲烷气体传感器进行教零，浓度标定。
[0040]本发明的核心在于区分了高低浓度，当被测甲烷气体浓度较高时，可直接通过放大滤波的方式检测出气体浓度；当被测甲烷气体浓度较低时，甲烷气体对光信号的吸收很微弱，则通过锁相放大的方式检测出气体浓度，从而实现了全量程高灵敏度瓦斯气体的检测。所以其保护范围并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。例如:高浓度和低浓度的临界值不限于实施例中的4%，在4?10%范围内都是可行的等。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。
【权利要求】
1.一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法，其特征在于，包括如下步骤: 1)激光器由恒流源驱动，信号A和信号B叠加后驱动激光器，对激光器的输出波长进行调制，使激光器输出的中心波长与甲烷一条吸收线一致；所述信号A为周期间断性的高频正弦波，信号B为低频锯齿波，叠加后的信号在一个周期内分为上升和下降两部分，仅上升部分叠加有高频正弦波，用于测量低浓度时的瓦斯气体浓度，下降部分用于测量高浓度时的瓦斯气体浓度； 2)激光器输出的光信号送入传感气室，穿过传感气室的光信号经光电探测器转换为电信号; 3)将光电探测器转换后的电信号分为两路进行处理:一路依次经放大、低通滤波处理后，通过A/D转换直接采样分析处理，用于获取高浓度时的瓦斯气体浓度信息；另一路经锁相放大处理后，通过A/D转换采样分析处理，用于获取低浓度时的瓦斯气体浓度信息。
2.根据权利要求1所述的全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法，其特征在于:所述步骤3)中，锁相放大处理的具体操作为:该路电信号首先进行放大、高通滤波处理，成为x(t)信号，x(t)信号与r(t)信号在乘法器电路中相乘后，进行低通滤波、放大处理；所述r(t)信号为x(t)信号二倍频的方波信号，且x(t)信号与r(t)信号的相位为x(t)信号的每一个周期刚好对应r(t)信号的两个周期。
3.根据权利要求1或2所述的全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法，其特征在于:所述步骤3)中，高浓度和低浓度的临界值设定为体积浓度4~10%。
4.一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测装置，其特征在于:包括激光器、恒流源、微处理器、信号发生电路、驱动电路、传感气室、光电探测器、锁相放大器和高浓度检测模块；所述恒流源与激光器连接，用于激光器的调谐；所述微处理器、信号发生电路、驱动电路和激光器依次连接，用于产生周期间断性的高频正弦波信号A和低频锯齿波信号B且叠加后对激光器的输出波长进行调制；所述激光器的`输出端依次通过光纤与传感气室和光电探测器连接，分别用于实现瓦斯气体对光的吸收和光电转换；所述光电探测器的输出端分别与锁相放大器和高浓度检测模块连接，分别用于获取低浓度时的瓦斯气体浓度信息和高浓度时的瓦斯气体浓度信息，锁相放大器和高浓度检测模块的信号输出端分别与所述微处理器连接，用于信号处理和显示。
5.根据权利要求4所述的全量程高灵敏度瓦斯气体检测装置，其特征在于，所述锁相放大器包括依次连接的: 第一放大电路，用于放大光电探测器的输出信号； 高通滤波电路，用于滤除低频信号； 乘法器电路，其另一输入端与所述微处理器的一个输出端相连，用于将放大、高通滤波后产生的x(t)信号与微处理器产生的x(t)信号的二倍频方波信号r(t)相乘； 第一低通滤波电路，用于滤除高频信号； 第二放大电路，用于放大低通滤波后的信号； 以及第二 ADC采集电路，用于A/D转换并输出给微处理器。
6.根据权利要求4或5所述的全量程高灵敏度瓦斯气体检测装置，其特征在于，所述高浓度检测模块包括依次连接的: 第三放大电路，用于放大光电探测器的输出信号；第二低通滤波电路，用于滤除高频信号；以及第一 ADC米集电路, 用于A/D转换并输出给微处理器。
【文档编号】G01N21/39GK103743706SQ201310656495
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月6日 优先权日:2013年12月6日
【发明者】王洪海, 李政颖, 王安军 申请人:武汉理工大学