甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的方法和装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及到气体检测分析领域，尤其涉及到一种甲烷气团界面识别和可调量程 激光遥测甲烷浓度的方法和装置。
【背景技术】
[0002] 按照气体检测原理可以将甲烷气体检测方法分为如下几类：气敏检测法、气相色 谱检测法、光干涉检测法、差分检测法、可调谐半导体激光吸收光谱检测法等，现对其的不 足之处进行说明：气敏检测法存在的问题是检测性能与敏感元件的制作、工艺等密切相关， 并且检测结果还受到检测现场温度等环境因素的影响。检测响应速度较慢、元件容易中毒 且寿命短；气相色谱法需要待测物的纯品色谱定性数据，对组分未知的混合物难以做出定 性的分析，采用过程可能会发生附加反应，响应时间较长、无法进行实时测量、测量系统复 杂、无法实现在线测量，只能单点监测，不能反映被测环境的整体情况；光干涉检测法难以 实现遥测，线性范围窄，长期稳定性差，需后期加工；可调谐二极管激光器气体光谱吸收检 测法对激光器提出了很高的要求，需要光源可调谐范围较宽，频率稳定性高，对温度调谐和 电流调谐控制精度很高，光源驱动电路较复杂，同时，激光器的价格比较昂贵。
[0003] 现在多数使用的为美国汉斯生产的专门用于甲烷的气体检测仪和日本东京燃气 公司生产的32A型甲烷气体检测仪，前者经用户使用柱密度浓度值测量存在较大的误差， 误报率比较高，同时，手持设备与机箱通过刚性连接管连接，在使用过程中易折断；后者测 量距离比较短，工作环境温度必须在零摄氏度以上才能正常工作，这就限制了其使用，动态 响应较慢，电池使用不能超过1小时。
[0004] 最重要的是国内外关于甲烷气体激光检测仪器设备，大都采用TDLAS技术测量的 甲烷气团柱密度值，它的单位是ppm. m，这一结果不能实时显示甲烷气团当前浓度值，存在 很大的偏差，这是当前测量仪器存在的重大缺陷。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述问题，提供了一种甲烷气团界面识别和可调量程 激光遥测甲烷浓度的方法和装置。
[0006] 本发明的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置，是由STM32控 制器、激光器驱动电路、激光器温度控制电路、光电检测电路、锁相解调电路、三维空间激光 测量跟踪器和内置风速传感器构成，STM32控制器分别与激光器驱动电路、激光器温度控制 电路、锁相解调电路和三维空间激光测量跟踪器电路联接；光电检测电路与锁相解调电路 联接。
[0007] 作为本发明的进一步改进，激光器驱动电路包括正弦波发生电路I、正弦波发生 电路II、锯齿波发生电路、恒流源电路和激光器，其中正弦波发生电路I、正弦波发生电路 II和锯齿波发生电路的一端均与STM32控制器电路联接，正弦波发生电路I的另一端电路 连接有带通滤波器I，正弦波发生电路II的另一端电路连接有带通滤波器II ;带通滤波器 I、锯齿波发生电路和STM32控制器的数模输出接口 DA均与求和电路连接，求和电路、恒流 源电路和激光器依次电路联接。
[0008] 作为本发明的进一步改进，激光器温度控制电路中包括TEC驱动芯片、激光器 TEC、激光器温度检测电阻、恒流源发生电路和调理电路，其中TEC驱动芯片的一端与STM32 控制器电路联接、另一端与激光器TEC电路联接，激光器温度检测电阻置于激光器内且分 别与恒流源发生电路和调理电路联接，调理电路与STM32控制器电路联接。
[0009] 作为本发明的进一步改进，锁相解调电路是由依次电路联接的前置放大电路、带 通滤波电路和锁相环电路构成，其中前置放大电路与光电检测电路联接；锁相环电路分别 与带通滤波器I、带通滤波器II电路联接且通过电压调理电路与STM32控制器电路联接。
[0010] 作为本发明的进一步改进，该可调量程激光遥测甲烷浓度装置设有显示器，且该 显示器与STM32控制器电路联接。
[0011] 使用甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置测量甲烷浓度的方 法，识别甲烷气团在三维空间的界面分布，根据甲烷气体扩散规律，采用改进的高斯扩散模 型作为甲烷气体扩散模型，动态模拟甲烷气体的实际工况，并通过可调量程激光近红外甲 烷检测原理测得甲烷气团浓度，其具体操作步骤如下：
[0012] 1)甲烷气团界面的识别：向甲烷气团方向由下逐渐向上多次发射激光束，通过检 测反射的激光束是否被吸收来判断其是否经过甲烷气团，并利用三维空间激光测量跟踪器 记录此照射点的空间坐标，开始向下方发射的激光束测得甲烷气团浓度为零时，则表明该 点下方区域无甲烷气体，甲烷气团浓度从无到有即视为经过甲烷气团下方边界，甲烷气团 浓度从有到无即视为经过甲烷气团上方边界；
[0013] 2)甲烷气团界面垂直地面的切面距离的确认：通过步骤一获取的空间坐标数据 并运用三角函数及微分积分方程，得到甲烷气团正对本装置的垂直地面的切面与本装置的 直线距离；
[0014] 3)调节量程对甲烷气团浓度的检测：当激光检测确定泄漏点甲烷气团扩散边界， 根据步骤二得到的甲烷气团正对本装置的垂直地面的切面与本装置的直线距离，通过可调 量程激光遥测技术测定甲烷气团浓度，根据朗伯比尔定律、甲烷气团吸收洛伦兹线型和波 长调制技术，得到直流以及谐波；
[0015] 4)甲烷气团浓度的计算：通过步骤一、步骤二和步骤三并采用可调量程激光遥测 技术和归一化的方法确定甲烷气团的浓度，即可确定甲烷气团的浓度。
[0016] 本发明的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的方法和装置，操作灵 活，可便携式巡检，也可装在车上进行车载式巡检；其测量速度快，可以达到ms级的响应时 间，测量灵敏度高，可以达到ppm量级，最大检测距离100米，30米长的范围一次检测完成， 大大提高了检测效率；对环境要求不高，在高粉尘、强腐蚀性的被测气体环境，对测量结果 无影响；而且遥距检测功能使得一些不能到达或者难以到达的地方检测得以实现。
【附图说明】
[0017] 附图1为本发明的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置的模 块图；
[0018] 附图2为本发明的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置的激 光器驱动电路的模块图；
[0019] 附图3为本发明的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置的激 光器温度控制电路的模块图；
[0020] 附图4为本发明的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置的锁 相解调电路的t吴块图；
[0021] 附图5为本发明的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置的激 光器TEC温度控制系统框图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装 置，作进一步说明：
[0023] 本发明的甲烷气团界面识别和可调量程激光遥测甲烷浓度的装置，如图1所示， 是由STM32控制器1、激光器驱动电路2、激光器温度控制电路3、光电检测电路4、锁相解调 电路5和三维空间激光测量跟踪器6构成，STM32控制器1分别与激光器驱动电路2、激光 器温度控制电路3、锁相解调电路5和三维空间激光测量跟踪器6电路联接；光电检测电路 4与锁相解调电路5电路联接。
[0024] 如图2所示，激光器驱动电路包括正弦波发生电路I 7、正弦波发生电路II 25、锯 齿波发生电路8、恒流源电路9和激光器10,其中STM32控制器1外设接口 SPI与正弦波发 生电路I 7、正弦波发生电路II 25和锯齿波发生电路8的串行外设接口相联接，STM32控制 器1的GPIO与正弦波发生电路I 7、正弦波发生电路II 25和锯齿波发生电路8芯片选通端 相联接，正弦波发生电路I 7的输出端与带通滤波器I 11的输入端相联接，正弦波发生电 路II 25的输出端与带通滤波器II 24的输入端相联接；STM32控制器1的数模输出接口 DA、 带通滤波器I 11和锯齿波发生电路8与求和电路12的输入端相联接，求和电路12的输出 端与恒流源电路9的输入端相联接，激光器10阳极与恒流源电路9的正极