自校准气室及分布式光纤甲烷传感系统的制作方法

本发明涉及煤矿瓦斯监测技术领域，特别涉及一种自校准气室及分布式光纤甲烷传感系统。

背景技术：

现阶段安全问题是困扰煤矿生产的重要问题，其中瓦斯灾害是煤矿的首要灾害，占全国煤矿重大事故总数的70％以上。瓦斯监测一直在煤矿井下监测监控系统中占据突出位置。现有的瓦斯监测技术，载体催化原理甲烷传感器存在着测量不够准确、调校周期短、测量范围窄、易受环境气体干扰等问题；基于“非色散红外检测”(ndir)技术的红外甲烷传感器，克服了其中的大部分问题，但也存在着较易受到其他烷烃类气体干扰、不易开展长距离、分布式测量等问题。分布式光纤甲烷传感系统利用激光光源谱线窄、能量密度高的优点，结合现有成熟的光纤传感网络技术，具有测量精度和准确度高，抗干扰能力强，能完成长距离、分布式检测等应用特点，对于提升煤矿瓦斯监测有效性具有重大意义。自校准气室是分布式光纤甲烷传感系统的重要组成部分，配合相应的信号处理方法，可实现激光光源谱线与甲烷吸收谱线的匹配自校准功能，提高传感系统长期运行的稳定性。

现有的自校准气室结构复杂，通常在壳体内设有用于容纳自校准气体的密闭的气体容器，容器的器壁上设有至少一对透光的射入窗口和射出窗口，激光光束通过入射窗口进入容器，在容器中与密封气体作用后通过出射窗口离开容器并进行光电探测。该方法激光光束进出容器，光路调整精度要求高，两个光学窗口易出现光干涉现象，降低检测的可靠性，且成本较高。

现有的自校准气室独立于测量通道外，单独占用一路光路信号，降低了系统容量，增加了系统成本。此外，多个测量通道的自校准功能，采用同一个校准信号源统一调节，无法实现对单一测量通道的精确校准功能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自校准气室，其结构简单、便于制造加工，光路调整方式简单，且密封性高，保证具有较高的测量精度；同时，本发明还提供一种应用该自校准气室的分布式光纤甲烷传感系统。

本发明的自校准气室，包括灌封盒及灌封固定在灌封盒内的壳体、光纤准直器ⅰ和光纤准直器ⅱ，所述壳体设有用于容纳自校准气体的气体容纳腔且其左右两侧对称设有固定座ⅰ及固定座ⅱ，固定在固定座ⅰ中的光纤准直器ⅰ及固定在固定座ⅱ中的光纤准直器ⅱ相互对正；光纤准直器ⅰ的尾纤ⅰ及光纤准直器ⅱ的尾纤ⅱ分别从灌封盒两侧的光纤出口引出。

进一步，所述灌封盒内通过填充环氧树脂而对壳体、光纤准直器ⅰ及光纤准直器ⅱ进行灌封固定。

进一步，所述固定座ⅰ及固定座ⅱ均包括由壳体侧面内凹形成的沉台及设在沉台与气体容纳腔之间使二者连通的连通孔，至少三颗对称设置的锁紧螺钉螺旋穿入沉台并支撑相应的光纤准直器。

进一步，所述沉台的底部设有限位块，所述限位块套在相应的光纤准直器外并形成径向支撑。

进一步，所述壳体采用不锈钢材料制成，所述固定座ⅰ及固定座ⅱ均一体成型设置于壳体。

本发明的分布式光纤甲烷传感系统，包括用于发射激光的激光器及沿激光光路依次连接的自校准气室、光分束器及测量通道，所述测量通道并列设置至少两路，每一测量通道均包括测量气室和光电探测器，激光光束通过测量气室后进入光电探测器；所述自校准气室包括灌封盒及灌封固定在灌封盒内的壳体、光纤准直器ⅰ和光纤准直器ⅱ，所述壳体设有用于容纳自校准气体的气体容纳腔且其左右两侧对称设有固定座ⅰ及固定座ⅱ，固定在固定座ⅰ中的光纤准直器ⅰ及固定在固定座ⅱ中的光纤准直器ⅱ相互对正；光纤准直器ⅰ的尾纤ⅰ及光纤准直器ⅱ的尾纤ⅱ分别从灌封盒两侧的光纤出口引出。

进一步，所述灌封盒内通过填充环氧树脂而对壳体、光纤准直器ⅰ及光纤准直器ⅱ进行灌封固定。

进一步，所述固定座ⅰ及固定座ⅱ均包括由壳体侧面内凹形成的沉台及设在沉台与气体容纳腔之间使二者连通的连通孔，至少三颗对称设置的锁紧螺钉螺旋穿入沉台并支撑相应的光纤准直器。

进一步，所述沉台的底部设有限位块，所述限位块套在相应的光纤准直器外并形成径向支撑。

进一步，所述壳体采用不锈钢材料制成，所述固定座ⅰ及固定座ⅱ均一体成型设置于壳体。

本发明具有如下有益效果：

本发明的自校准气室，固定座ⅰ及固定座ⅱ对称设在壳体上，制造加工时只需要保证固定座ⅰ及固定座ⅱ的加工精度即可为光纤准直器ⅰ和光纤准直器ⅱ的对正提供良好的基础，结构简单、便于制造加工；通过调节光纤准直器ⅰ和光纤准直器ⅱ位置度的方式进行光路调整，简单可行；壳体、光纤准直器ⅰ和光纤准直器ⅱ灌封固定在灌封盒内，密封性高，密封方式简单，保证使用时密封严实，从而保证具有较高的测量精度。

本发明的分布式光纤甲烷传感系统应用了上述自校准气室，在具有上述有益效果的同时，由于自校准气室设在激光器与测量通道之间，提高了系统容量，降低了系统成本，可实现对单一测量通道的精确校准功能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的自校准气室的结构示意图；

图2为本发明的分布式光纤甲烷传感系统的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示：本实施例的自校准气室，包括灌封盒1及灌封固定在灌封盒1内的壳体2、光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4，所述壳体2设有用于容纳自校准气体的气体容纳腔2a且其左右两侧对称设有固定座ⅰ21及固定座ⅱ22，固定在固定座ⅰ21中的光纤准直器ⅰ3及固定在固定座ⅱ22中的光纤准直器ⅱ4相互对正；光纤准直器ⅰ3的尾纤ⅰ31及光纤准直器ⅱ4的尾纤ⅱ41分别从灌封盒1两侧的光纤出口1a引出；壳体2呈圆柱状，其中部开有通气孔；光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4的结构相同，只是在使用时，激光光束由一侧的光纤准直器ⅰ3入射，由另一侧光纤准直器ⅱ4出射；固定座ⅰ21及固定座ⅱ22也具有相同的结构，以对称方式设在壳体2轴向两侧，固定座ⅰ21及固定座ⅱ22的结构适于光纤准直器的安装固定；灌封盒1内设有壳体2定位结构，便于壳体2的放置；光纤出口1a对称设在灌封盒1的两侧；灌封盒1内可通过填充环氧树脂5而对壳体2、光纤准直器ⅰ3及光纤准直器ⅱ4进行灌封固定；由于固定座ⅰ21及固定座ⅱ22对称设在壳体2上，制造加工时只需要保证固定座ⅰ21及固定座ⅱ22的加工精度即可为光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4的对正提供良好的基础，结构简单、便于制造加工；通过调节光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4位置度的方式进行光路调整，简单可行；壳体2、光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4灌封固定在灌封盒1内，密封性高，密封方式简单，保证使用时密封严实，从而保证具有较高的测量精度。

本实施例中，所述固定座ⅰ21及固定座ⅱ22均包括由壳体2侧面内凹形成的沉台及设在沉台与气体容纳腔2a之间使二者连通的连通孔，至少三颗对称设置的锁紧螺钉6螺旋穿入沉台并支撑相应的光纤准直器；沉台与气体容纳腔2a之间通过连通孔而连通；光纤准直器(包括光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4)插入连通孔并通过锁紧螺钉6而固定；同时，通过调节各锁紧螺钉6的位置度可调节光纤准直器的位置，从而实现光路的三轴调节；固定座ⅰ21、固定座ⅱ22上均设有相关的螺孔，以与锁紧螺钉6配合连接；固定座ⅰ21、固定座ⅱ22上均优选设置三颗锁紧螺钉6，三颗锁紧螺钉6以间隔120°的方式周向均匀布置。

本实施例中，所述沉台的底部设有限位块7，所述限位块7套在相应的光纤准直器外并形成径向支撑；限位块7例如可为橡胶块结构，限位块7同时具有一定的支撑及密封性能。

本实施例中，所述壳体2采用不锈钢材料制成，所述固定座ⅰ21及固定座ⅱ22均一体成型设置于壳体2；固定座ⅰ21及固定座ⅱ22采用一体成型的方式设置，便于加工成型及现场使用，且能够有效保证固定座ⅰ21与固定座ⅱ22的对称度，保证光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4的对准，同时还能提高壳体2的结构强度，延长自校准气室的使用寿命。

本实施例的自校准气室可通过下述步骤组装而成：

步骤一，将光纤准直器ⅰ3及光纤准直器ⅱ4分别放置于壳体2左右两侧的固定座ⅰ21及固定座ⅱ22内，光纤准直器送到固定座内部后与限位块7配合，使光纤准直器光束出射口伸入气体容纳腔2a内部；

步骤二，初步使用锁紧螺钉6进行固定，每一固定座具有三颗锁紧螺钉6，将锁紧螺钉6旋至与光纤准直器金属外壳接触，使光纤准直器基本保持在自校准气室中轴线上。

步骤三，将红光激光光源连接至光纤准直器ⅰ3一侧，光束从光纤准直器ⅰ3输出后，照射到自校准气室壳体2的另一侧，调整光纤准直器ⅰ3的锁紧螺钉6，使光束照射到光纤准直器ⅱ4的光束出射口；

步骤四，将红光激光光源连接至光纤准直器ⅱ4一侧，光束从光纤准直器ⅱ4输出后，照射到壳体2的另一侧，调整光纤准直器ⅱ4的锁紧螺钉6，使光束照射到光纤准直器ⅰ3的光束出射口；

步骤五，将甲烷检测激光光源连接至光纤准直器ⅰ3一侧，光束从光纤准直器ⅰ3输出照射到光纤准直器ⅱ4的中心位置，将光功率计连接光纤准直器ⅱ4，调整光纤准直器ⅰ3的锁紧螺钉6直至光功率计显示为最大值；

步骤六，将甲烷检测激光光源连接至光纤准直器ⅱ4一侧，光束从光纤准直器ⅱ4输出照射到光纤准直器ⅰ3的中心位置，将光功率计连接光纤准直器ⅱ4，调整光纤准直器ⅱ4的锁紧螺钉6直至光功率计显示为最大值；

步骤七，重复步骤五、六，直至光功率计显示值达到合格指标；

步骤八，使用环氧树脂对光纤准直器ⅰ3及光纤准直器ⅱ4进行灌封固定，将自校准气室垂直放置，将环氧树脂灌封到自校准气室上方一侧，等到环氧树脂凝固后，旋转自校准气室180°，使原下方一侧朝上，使用环氧树脂灌封并待环氧树脂凝固；

步骤九，将安装有光纤准直器的壳体2放置于灌封盒1中，与灌封盒1内壳体2定位结构配合，光纤准直器尾纤从灌封盒1两侧的光纤出口1a引出；

步骤十，使用通气管通过通气孔向气体容纳腔2a内通入浓度为100％的甲烷气体，待气体容纳腔2a内充满甲烷气体后，取出通气管并使用密封胶对通气孔进行临时密封；

步骤十一，使用环氧树脂对灌封盒1进行灌封，环氧树脂应充满灌封盒1，完全覆盖内部的自校准气室，并加装盖体后待环氧树脂凝固。

实施例二

如图1和图2所示，本实施例的分布式光纤甲烷传感系统，包括用于发射激光的激光器及沿激光光路依次连接的自校准气室、光分束器及测量通道，所述测量通道并列设置至少两路(图中所示为八路)，每一测量通道均包括测量气室和光电探测器，激光光束通过测量气室后进入光电探测器；所述自校准气室包括灌封盒1及灌封固定在灌封盒1内的壳体2、光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4，所述壳体2设有用于容纳自校准气体的气体容纳腔2a且其左右两侧对称设有固定座ⅰ21及固定座ⅱ22，固定在固定座ⅰ21中的光纤准直器ⅰ3及固定在固定座ⅱ22中的光纤准直器ⅱ4相互对正；光纤准直器ⅰ3的尾纤ⅰ及光纤准直器ⅱ4的尾纤ⅱ分别从灌封盒1两侧的光纤出口1a引出；连接时激光器、自校准气室、分束器、测量气室、光电探测器均使用fc/apc光纤接头通过光纤适配器进行连接；壳体2呈圆柱状，其中部开有通气孔；光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4的结构相同，只是在使用时，激光光束由一侧的光纤准直器ⅰ3入射，由另一侧光纤准直器ⅱ4出射；固定座ⅰ21及固定座ⅱ22也具有相同的结构，以对称方式设在壳体2轴向两侧，固定座ⅰ21及固定座ⅱ22的结构适于光纤准直器的安装固定；灌封盒1内设有壳体2定位结构，便于壳体2的放置；光纤出口1a对称设在灌封盒1的两侧；灌封盒1内可通过填充环氧树脂而对壳体2、光纤准直器ⅰ3及光纤准直器ⅱ4进行灌封固定；由于固定座ⅰ21及固定座ⅱ22对称设在壳体2上，制造加工时只需要保证固定座ⅰ21及固定座ⅱ22的加工精度即可为光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4的对正提供良好的基础，结构简单、便于制造加工；通过调节光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4位置度的方式进行光路调整，简单可行；壳体2、光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4灌封固定在灌封盒1内，密封性高，密封方式简单，保证使用时密封严实，从而保证具有较高的测量精度；此外，由于自校准气室设在激光器与测量通道之间，提高了系统容量，降低了系统成本，可实现对单一测量通道的精确校准功能。

本实施例中，所述固定座ⅰ21及固定座ⅱ22均包括由壳体2侧面内凹形成的沉台及设在沉台与气体容纳腔2a之间使二者连通的连通孔，至少三颗对称设置的锁紧螺钉6螺旋穿入沉台并支撑相应的光纤准直器；沉台与气体容纳腔2a之间通过连通孔而连通；光纤准直器(包括光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4)插入连通孔并通过锁紧螺钉6而固定；同时，通过调节各锁紧螺钉6的位置度可调节光纤准直器的位置，从而实现光路的三轴调节；固定座ⅰ21、固定座ⅱ22上均设有相关的螺孔，以与锁紧螺钉6配合连接；固定座ⅰ21、固定座ⅱ22上均优选设置三颗锁紧螺钉6，三颗锁紧螺钉6以间隔120°的方式周向均匀布置。

本实施例中，所述沉台的底部设有限位块7，所述限位块7套在相应的光纤准直器外并形成径向支撑；限位块7例如可为橡胶块结构，限位块7同时具有一定的支撑及密封性能。

本实施例中，所述壳体2采用不锈钢材料制成，所述固定座ⅰ21及固定座ⅱ22均一体成型设置于壳体2；固定座ⅰ21及固定座ⅱ22采用一体成型的方式设置，便于加工成型及现场使用，且能够有效保证固定座ⅰ21与固定座ⅱ22的对称度，保证光纤准直器ⅰ3和光纤准直器ⅱ4的对准，同时还能提高壳体2的结构强度，延长自校准气室的使用寿命。

本系统的采用如下自校准方法：校准气室内充满已知浓度c0的甲烷气体，激光光束通过自校准气室后，产生吸收作用，其测量浓度值为自校准气室内的甲烷浓度c′0，在测量气室无甲烷气体的情况下，激光光束通过测量气室，无吸收作用，如果c′0≠c0，则通过激光器温度控制电路调整激光器输出波长，直至c′0＝c0，调整结束。

使用上述自校准方法对各个测量通道进行自校准操作后，即可进行正常甲烷测量。

当测量气室有甲烷气体的情况下，激光光束通过测量气室及自校准气室，均产生吸收作用，其测量浓度值为测量气室甲烷浓度c1′与自校准气室甲烷浓度c′0之和c′，测量气室甲烷浓度可通过以下公式计算：c′1＝c′-c′0。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。