一种光纤分布式多点在线气体监测系统及其主的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种光纤分布式多点在线气体监测系统及其主机，包括主机及分布在各监测点的监测探头，主机内安装有激光器，激光器的输出端连接于输出光开关的输入端，输出光开关的输出端通过输入光纤连接到各对应的监测探头，各监测探头通过输出光纤连接至主机中设置的输入光开关的对应输入端，输入光开关的输出端与红外光电探测器相连；该主机中还设置有用于控制输出光开关和输入光开关选通设定监测探头对应光路的控制模块。本实用新型的主机采用光开关实现激光的分时复用，在同等功率激光器的条件下，光纤传感器可以分布得更远；另外，只需要在输出光开关之后设置单一的红外光电传感器，降低了成本。
【专利说明】一种光纤分布式多点在线气体监测系统及其主机
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种光纤分布式多点在线气体监测系统及其主机。
【背景技术】
[0002]煤矿安全生产过程中的瓦斯气体防治是重中之重。传统上使用先抽后采的方法是防范瓦斯气体事故和提高煤矿安全生产作业的保障之策。另外，抽采上来的瓦斯有害气体可以进行发电生产，这将会给煤矿带来很大经济利益。
[0003]可是，在瓦斯气体的抽采过程中，需要对瓦斯气体浓度进行实时的在线监测。现在国内许多矿井已经建立了甲烷浓度的监测系统，基本上都是分支树型的网络结构，在煤矿井上设置控制中心主站，井下现场设置多个测控分站。分站采集信息并传送给主站，主站处理信息后发出相应控制命令，由分站接收并执行。主站与分站之间信息和命令的传输，通过敷设专用电缆，采用RS485、PSK、FSK等技术，按各自规定的专用通信协议来实现。在分站到传感器之间的甲烷信息，依靠专用电缆，采用4?20mA或200?1000Hz的模拟信号来传输，存在传感器寿命短、需频繁调校、测量范围小、接入不灵活、实现跟进不方便、无法反映工作面甲烷空间梯度的分布等缺点。
[0004]现有多监测点的在线气体监测系统均在各个监测点均布置监测仪器或传感器，测量监测点的气体参数，分析数据并通过通讯电缆将测量数据传输至系统主机或服务器。这些监测仪器或传感器一般包括:测量敏感元件、信号处理单元、数据分析单元、信号变送传输单元等，所以普遍存在系统组成复杂、成本投入过大、故障率高等问题。
[0005]过去十年用于环境监测和工业气体过程控制最成功的技术是激光光谱检测技术，它可以提供相当高的检测精度，与光纤传感技术结合，成为一种分布式激光气体吸收光谱检测技术。这种技术可以提供气体的长距离、在线、实时探测，使得恶劣工程环境下的应用成为可能，在安全监测方面以及航天和核工业领域有着极好的应用前景。
[0006]近几年，随着光纤传感技术和光纤通信网络技术的飞速发展，利用光纤带宽大、易于成网的特点，组成一个复用的光纤多点传感网络系统，已成为当前世界上最热的传感研究领域之一。把光电子技术和材料领域的最新成果应用于甲烷检测研究，发展新一代免维护、抗干扰、高灵敏度的甲烷检测系统，是目前国际上最新的研究动向。采用光纤复用技术，使多个传感器共用一根传输光纤和一个光源可以大大降低整个系统的成本，而且系统网络化方便了系统的维护管理，为光纤气体传感系统走向实用开辟了崭新的道路。
[0007]可调谐半导体激光吸收光谱技术(简称TDLAS技术)就是在上述研究成果基础上发展起来的气体检测技术，其原理如下:物质对不同频率的电磁波有不同的吸收，因此吸收谱线可作为识别不同气体分子的“指纹”，根据吸收谱线的位置和强度确定分子的成分和浓度。由于多数有机和无机污染成分在可见和红外波段都具有吸收线，利用这些吸收线可以定量分析各种污染成分。TDLAS技术以可调谐半导体激光器作为光源，具有很高的光谱分辨率和可调谐性，利用这些特点对待测气体分子在该光谱范围内的一条振转线的光谱吸收进行测量，从而实现气体浓度的探测。[0008]中国专利申请号200810100549.2公开了一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法，这种监测仪就采用了上述TDLAS技术，同时，为了监测多个监测点，采用了光纤分路器对激光进行分路传输，而且对应每个监测点的返回光纤，均设有一个红外光电探测器，每个红外光电探测器用于探测对应监测点返回的光谱信息。该方案由于对激光进行了分路处理，其传输的距离有所降低，只能实现短距离的分布点监测，并且在返回主机时在光纤分路器的每个输入接口都要设置一个红外光电探测器，成本较高，控制使用也较为复杂。
实用新型内容
[0009]本实用新型的目的是提供一种光纤分布式多点在线气体监测系统，以解决现有监测系统监测距离短及控制复杂的问题，同时提供了一种光纤分布式多点在线气体监测系统主机。
[0010]为了实现以上目的，本实用新型光纤分布式多点在线气体监测系统所采用的技术方案是:一种光纤分布式多点在线气体监测系统，包括主机及分布在各监测点的监测探头，所述主机内安装有激光器，所述激光器的输出端连接于1*N路输出光开关的输入端，1*N路输出光开关的N路输出端通过输入光纤连接到各对应的监测探头，各监测探头通过输出光纤连接至主机中设置的1*N输入光开关的N路对应输入端，1*N输入光开关的输出端与红外光电探测器相连；该主机中还设置有用于控制1*N路输出光开关和1*N输入光开关选通设定监测探头对应光路的控制模块。
[0011]所述控制模块通过传输光纤与各监测探头内设的本地显示和报警单元通信连接。
[0012]所述传输光纤与控制模块和监测探头内设的本地显示和报警单元之间均设有对应的光纤收发器。
[0013]所述主机内还设有主显示模块和用于与矿用分站通信连接的通信接口。
[0014]所述控制模块采用FPGA芯片。
[0015]本实用新型光纤分布式多点在线气体监测系统主机所采用的技术方案是:一种光纤分布式多点在线气体监测系统主机，包括内设的激光器，所述激光器的输出端连接于1*N路输出光开关的输入端，1*N路输出光开关的N路输出端用于通过输入光纤连接到各对应的监测探头，用于从各监测探头输出的光信号通过输出光纤连接至主机中设置的1*N输入光开关的N路对应输入端，1*N输入光开关的输出端与红外光电探测器相连；该主机中还设置有用于控制1*N路输出光开关和1*N输入光开关选通设定监测探头对应光路的控制模块。
[0016]所述主机内还设有主显示模块和用于与矿用分站通信连接的通信接口。
[0017]所述控制模块采用FPGA芯片。
[0018]本实用新型的主机根据监测点数量不同，利用1*N输入光开关分时发出一路或多路激光至各个采样气室，并利用1*N输出光开关接收从各个采样气室返回的激光，采用光开关实现激光的分时复用，在同等功率激光器的条件下，光纤传感器可以分布得更远；另夕卜，只需要在1*N输出光开关之后设置单一的红外光电传感器，降低了成本，并易于扩展用于其它气体的吸收，特别是长波红外吸收，因为单探测器可以采用需要制冷的探测器，如果多探测器，则由于成本和复杂程度，则很难采用。该监测系统可为煤矿井下、矿山、车间作业场所监测多点气体参数，成本较低、性能稳定可靠，设计思路新颖、合理，便于现场安装，使用方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型光纤分布式多点在线气体监测系统的拓扑图；
[0020]图2为本实用新型的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图及具体的实施例对本实用新型进行进一步介绍。
[0022]如图1所示为本实用新型光纤分布式多点在线气体监测系统的拓扑图，该系统包括主机及用于分布在各监测点的监测探头，该主机设置在距离各监测点距离较近，且方便安装、维护的位置，而监测探头内设有对应的气体采样装置(本实施例的气体采样装置为采样气室)，并分布安装在需要监测的地点，被测气体可自由进出采样气室；各采样气室与主机之间用光纤连接。
[0023]如图2所示为光纤分布式多点在线气体监测系统实施例结构示意图，由图可知，主机内安装有半导体激光器和控制模块，半导体激光器作为待测气体的检测激光光源，利用激光控制电路将激光器输出中心波长调谐到待测气体的吸收线中心，在工作时首先选择激光器的温度工作点，把激光器管芯温度控制在该工作点上，然后给激光施加恒定电流，激光器会发射出一束光强恒定的被调制的激光。
[0024]半导体激光器的输出端连接于1*N路输出光开关的输入端，1*N路输出光开关的N路输出端通过输入光纤连接到各对应的监测探头内设的采样气室，各监测探头通过输出光纤连接至主机中设置的1*N输入光开关的N路对应输入端，1*N输入光开关的输出端与红外光电探测器相连；该主机中还设置有用于控制1*N路输出光开关和1*N输入光开关选通设定监测探头对应光路的控制模块。
[0025]半导体激光器的出射光传输到1*N路输出光开关的输入端,从输出光开关的各输出端输出的N路输出激光通过输入光纤传输到对应的各监测探头内设的采样气室中，控制模块对1*N路输出光开关的N通道采用设定时间的扫描周期进行扫描，实现监测系统中激光的N路分时检测。在激光进入对应的采样气室后，激光波长扫过待测气体吸收线形成信号光，从采样气室穿过的经待测气体吸收过的N路返回信号光通过输出光纤传输回主机中设置的1*N输入光开关的对应输入端，1*N输入光开关和1*N路输出光开关通道选择同步，顺序将各检测光路的返回光信号选通到1*N输入光开关的输出端。从1*N输入光开关的输出端输出的信号光由一红外光电探测器接收，转换成电信号及前置放大、滤波，并由锁相放大器实现二次谐波检测(二次谐波幅度与被测气体的浓度成线性关系，气体浓度越高，激光被吸收的程度越大)，采用已知浓度的待测气体进行标定，即可实现对监测点空气中待测气体浓度的测量；同时检测红外光电探测器输出信号的一次谐波，通过计算二次谐波与一次谐波的比值，可以消除光源光强起伏的影响。
[0026]本实用新型采用光开关，而不是光纤分路器，通过分时复用的方式:在同一时刻，通过控制两个光开关，使两光开关同步选通某个监测探头所对应的光路，以对该监测探头对应的光路信息进行检测分析。该方式不会减弱光强度，所以传输距离远，在同等功率激光器的条件下，光纤传感器可以分布得更远；另外，只需要在1*N输出光开关之后设置单一的红外光电传感器，降低了成本。
[0027]主机内的控制模块采用FPGA芯片实现，具有结构紧凑，性能可靠的优点，主机根据出厂前不同成分气体的参数标定值，分析各监测点取样气室中气体成分参数，并显示出来。控制模块中安装有浓度计算软件，通过对锁相放大器输出的激光吸收信号的二次及一次谐波信号进行处理，获得各监测点待测气体浓度信息，由主显示模块在主机处显示；同时将浓度信息通过传输光纤和主机及监测探头内设的光纤收发器下传给对应的监测探头内设的本地显示和报警单元，该本地显示和报警单元包括超限判别模块及与其控制连接的声音报警模块及本地显示和光报警模块，实现浓度超限的判别和本地声光报警，符合现场工作人员的工作习惯，与传统的监测系统在使用方法上具有兼容性。
[0028]本实施例的光纤有三个作用:一是将激光器发出的窄线宽激光从主机传输至分布式采样气室；二是将经采样气室吸收后的激光传输至主机；三是把主机测量到的各分布点甲烷浓度信息，以光信号的形式下传至各分布式监测探头，实现本地浓度超限判别与声光报警。采用光纤代替电缆传输信号，有利用提高产品的本安性，有效降低成本。
[0029]本实施例的分布式监测探头采用电池供电，采用小功率的激光器，系统主机功耗小,主机由小功率的本安电源模块I供电即可满足系统要求。
[0030]主机具有模拟信号、数字信号输出功能，可将各个监测点的测量数据通过矿用监测分站、环网交换机等设备上传至远端各类监控系统。本实施例的主机通过一组通信接口与分站实现信息交换，主机与矿用监测分站采用一个RS485接口、一个RJ45百兆网口及200-1000HZ频率信号接口相连，实现主机与分站之间的信息交换。
[0031]本实用新型还提供了一种光纤分布式多点在线气体监测系统主机，其结构如上所述。
[0032]另外，对半导体激光器的激光电流进行高频调制，可以配合锁相放大器实现微弱信号检测。在激光进入采样气室后，采用光纤准直器把半导体激光变成准直光束，在采样气室中折返合适的次数，达到合适的光程，然后耦合到输出光纤中，传回主机。
【权利要求】
1.一种光纤分布式多点在线气体监测系统，包括主机及分布在各监测点的监测探头，所述主机内安装有激光器，其特征在于:所述激光器的输出端连接于1*N路输出光开关的输入端，1*N路输出光开关的N路输出端通过输入光纤连接到各对应的监测探头，各监测探头通过输出光纤连接至主机中设置的1*N输入光开关的N路对应输入端，1*N输入光开关的输出端与红外光电探测器相连；该主机中还设置有用于控制1*N路输出光开关和1*N输入光开关选通设定监测探头对应光路的控制模块。
2.根据权利要求1所述的光纤分布式多点在线气体监测系统，其特征在于:所述控制模块通过传输光纤与各监测探头内设的本地显示和报警单元通信连接。
3.根据权利要求2所述的光纤分布式多点在线气体监测系统,其特征在于:所述传输光纤与控制模块和监测探头内设的本地显示和报警单元之间均设有对应的光纤收发器。
4.根据权利要求3所述的光纤分布式多点在线气体监测系统，其特征在于:所述主机内还设有主显示模块和用于与矿用分站通信连接的通信接口。
5.根据权利要求3或4所述的光纤分布式多点在线气体监测系统，其特征在于:所述控制模块采用FPGA芯片。
6.一种光纤分布式多点在线气体监测系统主机，包括内设的激光器，其特征在于:所述激光器的输出端连接于1*N路输出光开关的输入端，1*N路输出光开关的N路输出端用于通过输入光纤连接到各对应的监测探头，用于从各监测探头输出的光信号通过输出光纤连接至主机中设置的1*N输入光开关的N路对应输入端，1*N输入光开关的输出端与红外光电探测器相连；该主机中还设置有用于控制1*N路输出光开关和1*N输入光开关选通设定监测探头对应光路的控制模块。
7.根据权利要求6所述的光纤分布式多点在线气体监测系统主机，其特征在于:所述主机内还设有主显示模块和用于与矿用分站通信连接的通信接口。
8.根据权利要求6或7所述的光纤分布式多点在线气体监测系统主机,其特征在于:所述控制模块采用FPGA芯片。
【文档编号】G01N21/39GK203490168SQ201320550748
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】陈军, 王凯, 李波, 詹放易, 王鹏飞 申请人:郑州光力科技股份有限公司