防护可调节气体探头、光纤气体浓度测量系统及方法与流程

本公开涉及光纤检测技术领域，特别是涉及防护可调节气体探头、光纤气体浓度测量系统及方法。

背景技术：

光谱吸收方法在光纤气体检测领域是非常常见的技术手段。该方法利用特定波长的光在某种气体中透射或者反射时光功率的衰减来检测气体的浓度。由于每种气体都有自己的特征吸收谱线，当透射或者反射的光的波长与气体的吸收谱线重合时，就会产生光吸收现象，光功率会发生明显的衰减，而衰减量与气体的浓度有关。

当一束光功率为i0的平行光通过含有被测气体的气室时，如果光信号的波长覆盖被测气体的吸收线谱，则输出的光信号会发生光功率衰减。根据比尔-郎伯(beer-lambert)定律，输出光功率i(λ)与输入光功率i0(λ)、气体浓度c之间的关系为：

其中，αλ是气体在光波长为λ时的吸收系数，l是吸收路径的长度。

由式(2-1)可得：

当光信号波长λ恒定时，αλ是一个常数，l可以测量得到。所以，通过检测i0(λ)和i(λ)就可以得到气体浓度。

在使用光谱吸收原理检测被测气体浓度时，有许多因素会影响到检测精度：比如系统内部的光源的功率和波长漂移、光信号链路耦合处耦合状态变化、光电器件指标漂移；外部环境的粉尘和水汽凝结造成被测光信号的强度变化等，严重影响测量的准确性。现有技术中为了克服系统内部的随机因素的影响，普遍采用的方法主要有差分吸收检测方法和谐波检测方法；为了克服外部环境对检测精度的影响，普遍采用的技术是采用金属粉末烧结滤芯或单层金属过滤网对待测气体进行过滤。

但是，目前采用的差分吸收检测方法和谐波检测方法大都需要复杂的电路、算法和光路等。直接或间接地增加了传感器的生产成本，不利于传感器本身的应用和推广。而且由于金属粉末烧结滤芯和单层金属过滤网的局限性，设计后的金属粉末烧结滤芯的过滤精度范围小和纳污能力不可更改，即对粉尘的过滤能力和对水汽的阻挡能力已经固定，在使用的环境上就具有很大的局限性。

公开内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了防护可调节气体探头，在防护效果上可根据实际的需要进行调节，满足不同等级的防护需求。

为了实现上述目的，本申请采用以下技术方案：

本公开的实施例子公开了防护可调节气体探头，包括从内向外依次设置的反应气室、过滤层、外保护管，所述过滤层包覆在所述反应气室的外部，且过滤层的两端通过紧固件紧固在反应气室上，光纤通过光纤准直器将光信号输出至所述反应气室内，所述光纤外为光缆，利用连接套管将光缆及反应气室连接在一起，所述外保护管套在过滤层的外面；

其中，所述过滤层对反应气室起到防护作用，所述过滤层包括剪裁成与反应气室等宽的矩形的金属纤维烧结毡和高分子聚乙烯膜，所述过滤层的结构根据气体探头的防护等级相匹配。

进一步的技术方案，若需要增加气体探头的过滤面积，则把金属纤维烧结毡和高分子聚乙烯膜折叠起来再进行卷捆，形成折叠滤芯的形状；或

若需要增加气体探头的纳污能力，则增加金属纤维烧结毡卷捆的层数；或

若需要增加气体探头过滤精度的范围，则按情况增加不同过滤精度的金属纤维烧结毡；或

若需要增加气体探头的防水汽凝结能力，则增加高分子聚乙烯膜的层数。

进一步的技术方案，所述反应气室内设置有反射镜。

本公开的实施例子公开了光纤气体浓度测量系统，包括：依次连接的控制器、dfb激光器模块、环形器及防护可调节气体探头，所述环形器、光电探测器及控制器依次连接；

所述控制器控制dfb激光器模块输出光信号并得到dfb激光器模块反馈回来的光信号的光功率；

所述dfb激光器模块输出的光信号通过环形器进入防护可调节气体探头，光信号进入气体探头后通过光纤准直器输出到开放光路的反应气室中，所述光信号在反应气室内和待测气体进行充分反应，然后通过反射镜反射回来，再次通过光纤准直器接收光信号，光信号通过环形器进入光电探测器，所述光电探测器将光信号转换为弱电流信号并通过放大器转换为电压信号传输至控制器；

所述控制器通过自带的模数转换模块对电压信号进行处理得到代表光功率的数字信号，所述控制器最终通过对dfb激光器模块输出光信号的光功率和光电探测器接收光信号的光功率的值进行运算得到待测气体的浓度。

进一步的技术方案，所述控制器通过sci总线与计算机相连，并将获得的待测气体的浓度上传至计算机，所述计算机对结果进行显示和阈值报警。

进一步的技术方案，所述dfb激光器模块包含dfb激光器和控制电路部分，所述控制电路部分用于与控制器通讯、控制dfb激光器内制冷片和检测dfb激光器的输出光功率的作用。

进一步的技术方案，所述控制器通过spi总线与所述dfb激光器模块的控制电路部分通讯，控制dfb激光器的驱动电流值来控制dfb激光器输出光信号的波长和光功率，同时所述控制器通过spi总线通讯获得dfb激光器的输出光功率。

进一步的技术方案，所述环形器有三个端口，第一端口与dfb激光器模块相连，接收dfb激光器模块输出的光信号；第二端口与气体探头相连，将第一端口的光信号通过光纤传输给气体探头，并将气体探头返回的光信号传输给第三端口，第三端口与光电探测器相连，第三端口通过光纤输出光信号给光电探测器。

进一步的技术方案，所述光电探测器为带光纤尾纤的pd管，具体参数根据dfb激光器模块的输出光信号波长进行调整。

本公开的实施例子公开了光纤气体浓度测量系统的测量方法，包括：

控制器控制dfb激光器模块输出光功率和波长固定的光信号，光信号的波长位于待测气体的特征吸收波长之外，并通过dfb激光器模块获得输出光信号的光功率值；

通过光电探测器检测光信号无光吸收反应时反射回来的光功率值；

通过光信号无反应时的输入输出光功率值可得该光路的实际光链路损耗；

控制器再次控制dfb激光器模块输出光功率和波长固定的光信号，光信号的波长刚好位于待测气体的特征吸收波长且吸收系数为固定常数，并通过dfb激光器模块获得输出光信号的光功率值；

通过光电探测器检测光信号进行光吸收反应后反射回来的光功率值；

实际光链路损耗为输出光信号的波长为待测气体特征吸收波长时光信号无光吸收时返回的光功率理论值，作为输入光功率i0(λ)，进行光吸收反应后反射回来的光功率值作为光功率实际测量值，作为输出光功率i(λ)，代入浓度计算公式：

当光信号波长λ恒定时，αλ是一个常数，l可以测量得到，所以，通过检测i0(λ)和i(λ)得到气体浓度。

通过测得的实际光链路损耗和输出波长为待测气体的特征吸收波长时光信号的光功率值可计算得到该光信号若无光吸收反应时返射回来的光功率，即若计算值和实测值相等，代表待测气体浓度为0，若计算值大于实测值，即代表待测气体浓度不为0。

进一步的技术方案，通过控制器上的模数转换模块将电压模拟信号转换为数字信号，该数字信号即代表反射回来的光功率值，控制器得到该光信号的输出光功率和反射回来的光功率后，既可按光功率衰减公式：

计算得到该光链路的光功率衰减。

其中db为光功率衰减的单位；pin为输入光功率；pout为反射回来的光功率。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开用自校正的方法很好地消除系统的内部因素对检测精度影响，不需要差分吸收检测方法的额外参考通道和谐波检测方法的复杂电路，极致地缩减了检测系统的复杂程度，使硬件成本得到有效控制；软件算法上也十分精简，与传统方法相比，极大地降低了系统复杂度和成本的同时响应时间大为缩短，提高了系统的稳定性和实用性。

本公开中的气体探头使用了多种不同过滤精度的柔性金属纤维烧结毡进行待测气体的过滤，还可以通过增加褶皱和层数来增加过滤面积和纳污容量，与传统方法相比，克服了金属粉末烧结滤芯过滤精度的范围窄，纳污容量小，不能增加过滤面积，易碎等特点，增强传感器在各种恶劣的应用环境中的适应性和增加了探头的使用距离，同时确保系统能长期稳定运行。

本公开中的气体探头增加了防水透气的高分子聚乙烯膜进行待测气体的过滤，与传统方法相比，使气体探头的防水汽凝结能力大为提高，当气体探头应用于检测类似于甲烷这类对水汽敏感的气体时，依然能确保检测系统在空气湿度很高的环境中长期稳定运行。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本公开一个或多个实施例子的气体浓度测量系统示意图；

图2是本公开一个或多个实施例子的气体探头剖面图；

图3是本公开一个或多个实施例子的气体探头取下外保护管的示意图；

图4是本公开一个或多个实施例子的气体探头外保护管示意图；

图中，1、计算机，2、控制器，3、dfb激光器模块，4、环形器，5、气体探头，6、光电探测器，7、放大器，5-1、连接套件，5-2、外保护管，5-3、反射镜，5-4、过滤层，5-5、反应气室，5-6、紧固件，5-7、光纤，5-8、光缆，5-9、光纤准直器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了光纤气体浓度测量系统，由图1所示，包括计算机1、控制器2、dfb激光器模块3、环形器4、气体探头5、光电探测器6、放大器7七部分组成。

计算机1主要功能是用于气体检测结果的显示和进一步实际应用，比如与产生报警联动等，若能达到更好的显示效果，可用其他具有rs232通讯协议的主机进行替换。

本公开的实施例子中的控制器2采用较为通用的dsp芯片，型号是tms320f28335，该芯片具有较高的运算速度和丰富的功能模块。

dfb激光器模块3一般输出波长控制在c+l波段区间，这样更能体现光纤传感远距离测量的优势，具体视需要测量的气体的特征吸收波长为准。

环形器4有三个端口，第一端口接收dfb激光器模块输出的光信号；第二端口将第一端口的光信号通过光纤传输给气体探头，并将气体探头5返回的光信号传输给第三端口，第三端口通过光纤输出光信号给光电探测器。其通光损耗主要根据dfb激光器模块的输出光信号波长，可按实际情况调整环形器参数。

光电探测器6为带光纤尾纤的pd管，具体参数根据dfb激光器模块的输出光信号波长进行调整既可。

放大器7使用ad公司专门应用于光电探测器的放大器芯片ad8605artz进行弱电压放大，并通过可调电位器芯片ad5245brj5在软件上控制放大器的放大倍数。

气体探头部分的反应气室由多层不同过滤精度的金属纤维烧结毡和防水透气的高分子聚乙烯膜进行包覆，保证气体探头具有较高的环境适应性，在各种恶劣的工程环境中系统能长期稳定运行。

控制器2接收足够数字信号后，会根据数字量计算被测气体浓度值。

光电探测器将反射回来的光信号转换为微弱电流模拟信号，输出给放大器，放大器将微弱电流模拟信号转换为电压模拟信号，并进行幅度放大，输出给控制器的模数转换模块，模数转换模块会将模拟电压信号转换为数字信号并保存于控制器中。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了气体探头由图2所示，包括光缆5-8、连接套件5-1、光纤准直器5-9、反应气室5-5、反射镜5-3、过滤层5-4、紧固件5-6和外保护管5-2组成。

当因为使用环境改变而需要改变气体探头的防护等级时，如图3-4所示，旋出气体探头的外保护管，解开过滤层两端的紧固件，然后更改过滤层既可。

一般将金属纤维烧结毡和高分子聚乙烯膜剪裁成与反应气室等宽的矩形，然后根据需要对反应气室进行卷捆既可；若需要增加气体探头的过滤面积，则把金属纤维烧结毡和高分子聚乙烯膜折叠起来再进行卷捆，形成折叠滤芯的形状。若需要增加气体探头的纳污能力，则增加金属纤维烧结毡卷捆的层数既可。若需要增加气体探头过滤精度的范围，则按情况增加不同过滤精度的金属纤维烧结毡既可。若需要增加气体探头的防水汽凝结能力，则增加高分子聚乙烯膜的层数既可。具体的使用情况视现场环境和系统要求而定。

更换好过滤层后，用两个紧固件在反应气室两端进行固定既可，只需要保证固定后的过滤层外径小于外保护管的内径既可。

本公开的另一实施例子，基于上述装置，采用以下方法测得气体浓度值：

第一步：得到系统的光链路损耗，用于系统的自校正。

控制器即dsp芯片tms320f28335通过芯片内的spi通讯模块控制dfb激光器模块输出固定功率和波长的光信号，并将输出光信号的功率值传输给控制器芯片。该光信号的波长不在待测气体的特征吸收波长上，即光信号的光功率只受光链路损耗的影响。该光信号依次通过环形器、气体探头到达光电探测器，光电探测器将光信号转换为弱电流信号，通过专门应用于光电探测器的放大器芯片ad8605artz将弱电流信号转换为弱电压信号，并将弱电压信号放大到千倍量级，达到毫伏级，让控制器芯片上的模数转换模块能捕捉检测到。然后通过控制器芯片上的模数转换模块将电压模拟信号转换为数字信号，该数字信号即代表反射回来的光功率值。控制器芯片得到该光信号的输出光功率和反射回来的光功率后，既可按光功率衰减公式

计算得到该光链路的光功率衰减。

其中db为光功率衰减的单位；pin为输入光功率；pout为反射回来的光功率。

第二步：得到输出光信号的波长为待测气体特征吸收波长时光信号无光吸收时返回的光功率理论值。

通过第一步测量并计算得到光链路的光功率衰减，当控制器控制dfb激光器模块输出波长为待测气体特征吸收波长固定不变时，其光功率也固定不变。dfb激光器模块会将输出光信号的功率值传输给控制器芯片，dsp芯片即通过第一步得到的光链路实际光功率衰减值通过公式(5-1)计算得到反射回来的光功率理论值。

第三步：得到输出光信号的波长为待测气体特征吸收波长时光信号有光吸收时返回的光功率实际测量值。

与第一步的过程一样，当控制器控制dfb激光器模块输出波长为待测气体特征吸收波长固定不变时，光信号经过光链路进行光吸收反应后，测量得到反射回来的光功率实际测量值。

第四步：计算得到待测气体浓度

将第二步得到的输出光信号的波长为待测气体特征吸收波长时光信号无光吸收时返回的光功率理论值和第三步得到的输出光信号的波长为待测气体特征吸收波长时光信号有光吸收时返回的光功率实际测量值分别代入公式(2-2)的输入光功率i0(λ)与输出光功率i(λ)中，由于光信号波长等于待测气体特征吸收波长且固定不变时，吸收系数αλ为常数，l可测量得到。既可计算得到精确的待测气体浓度值。

本公开的传感器具有自校正功能的同时，将光路、电路和算法进行简化，提高系统稳定性的同时达到低成本的目的；并通过改进气体探头使传感器在各种湿度大、粉尘多的恶劣应用环境也能保持长期稳定运行。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。