激光气体监测系统的制作方法

本发明实施例涉及气体监测领域，特别涉及一种激光气体监测系统。

背景技术：

目前，在石油、天然气、化工、电力、钢铁等工业生产过程中往往会遇到有毒有害(比如co，h2s)或易燃易爆(比如ch4)等气体，需要使用先进的监测装置进行实时、不间断地对其浓度进行监测，使其不超过临界值，并对可能的泄漏和危险及时发出警报，以保证日常生产安全。

在现有技术中，最常用的气体监测方法有电化学法、催化燃烧法以及红外探测法等，但是其具有稳定性差、抗干扰性低，误报率高等缺点，还有可调谐激光吸收光谱法，依靠使用气体的特征吸收光谱指纹进行监测，虽然该方法受其它气体以及环境的干扰比较小，可以有效的降低误报率，使相关传感器的使用寿命显著延长。但是该方法相对于传统的电化学法而言成本很高，难以大规模推广。

但是，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有技术中无法进行多探测点的同时测量，导致测量效率低下，并且投入成本较高。

技术实现要素：

本发明实施方式的目的在于提供一种激光气体监测系统，通过多探测点的同时测量，有利于提高测量效率以及降低投入成本。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种激光气体监测系统，包括：激光发生器、与激光发生器连接的激光分束装置、与激光分束装置连接的n个气室，以及与n个气室连接的气体分析装置，其中，n为大于1的自然数，待测气体位于气室内；激光发生器用于生成激光，并将生成的激光传输至激光分束装置；激光分束装置用于将激光分束成与n个气室一一对应的n束子激光，并将n束子激光分别传输至对应的气室；气体分析装置用于采集n个气室的子激光的输出光强，并根据n个气室的子激光的输入光强、输出光强与气体浓度的关系，监测n个气室内的待检测气体含量。

本发明实施方式相对于现有技术而言，提供的一种激光气体监测系统，包括：激光发生器、与激光发生器连接的激光分束装置、与激光分束装置连接的多个气室，以及与多个气室连接的气体分析装置，待测气体位于气室内；激光发生器用于生成激光，并将生成的激光传输至激光分束装置；激光分束装置用于将激光分束成与多个气室一一对应的多束子激光，并将多束子激光分别传输至对应的气室；气体分析装置用于采集多个气室的子激光的输出光强，并根据多个气室的子激光的输入光强、输出光强与气体浓度的关系，监测多个气室内的待检测气体含量。通过进行多探测点的同时测量，并根据光的衰减，计算出输入光强、输出光强与气体浓度之间的关系，避免了每次只能探测一个气体感应器的缺陷，从而避免了其它非探测的气体传感器处于盲区或非探测状态，有利于提高测量效率。也就是说，通过采用多探测点并行激光法进行测量，使得传感器数量减少，每个传感器等待的时间缩短，盲区减少，使得漏报或者迟报的风险降低，还有利于降低投入成本。

另外，激光发生器具体用于生成初始激光，并在生成的初始激光中加载高频正弦信号，将加载有高频正弦信号的激光传输至激光分束装置。通过在生成的初始激光中加载高频正弦信号，有利于增强本实施方式中气体监测系统的信号抗干扰性。

另外，激光分束装置具体为激光分束器；激光发生器具体用于将生成的激光通过光纤传输至激光分束器；激光分束器具体用于将激光分束成与n个气室一一对应的n束子激光，并将各束子激光分别通过光纤传输至对应的气室。通过激光分束器将输入的激光束分成多个并行输出的子激光束，形成了一种分布式结构的激光气体监测系统。

另外，激光分束装置包括n个分束设备；n个分束设备与n个气室一一对应；激光发生器具体用于将生成的激光通过光纤传输至一分束设备；n个分束设备沿光纤的传输方向依次排列；分束设备用于从接收到的激光中分束出部分激光作为一束子激光传输至对应的气室，并将分束出部分激光后的剩余激光通过光纤继续传输至下一个分束设备。通过一个分束设备可以分束出一部分激光，再将剩余的的激光继续往后传至下一个分束设备，形成了一种呈总线式结构的激光气体监测系统。

另外，n个气室均为陶瓷气室。由于陶瓷气室具有成本低、装置稳定性好、复杂环境下适应性强、响应速度快，抗干扰性强、无需长期投入耗材进行维护等优点，有利于避免因使用传统气室(比如white气室、herriott气室等)而对响应速度、成本、稳定性等产生影响，使得在体积较小的情况下保证测量质量，并且，由于陶瓷气室为绝缘气室，不仅安全性更优，由于本申请中的监测系统在监测过程中可以不涉及电信号，因此也不会对检测结果造成任何影响。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施方式提供的一种激光气体监测系统的结构连接示意图；

图2是根据本发明第一实施方式提供的另一种激光气体监测系统的结构连接示意图；

图3是根据本发明第二实施方式提供的一种激光气体监测系统的结构连接示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种激光气体监测系统。本实施方式的核心在于，激光气体监测系统包括：激光发生器、与激光发生器连接的激光分束装置、与激光分束装置连接的n个气室，以及与n个气室连接的气体分析装置，其中，n为大于1的自然数，待测气体位于气室内；激光发生器用于生成激光，并将生成的激光传输至激光分束装置；激光分束装置用于将激光分束成与n个气室一一对应的n束子激光，并将n束子激光分别传输至对应的气室；气体分析装置用于采集n个气室的子激光的输出光强，并根据n个气室的子激光的输入光强、输出光强与气体浓度的关系，监测n个气室内的待检测气体含量。通过进行多探测点的同时测量，并根据光的衰减，计算出输出光强i与输入光强i0和气体浓度之间的关系，避免了每次只能探测一个气体感应器的缺陷，从而避免了其它非探测的气体传感器处于盲区或非探测状态，有利于提高测量效率。也就是说，通过采用多探测点并行激光法进行测量，使得传感器数量减少，每个传感器等待的时间缩短，盲区减少，使得漏报或者迟报的风险降低，还有利于降低投入成本。

下面对本实施方式的激光气体监测系统的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

首先需要说明的是，气室与空气是流通的，这里所说的待测气体是空气中的待测气体，本领域技术人员可以理解，通过使空气流通到所述气室中，有利于保证待测气体充盈在气室内。

本实施方式中的激光气体监测系统结构连接示意图如图1所示。包括：激光发生器11、与激光发生器11连接的激光分束装置12、与激光分束装置12连接的n个气室13，以及与n个气室13连接的气体分析装置14，其中，n为大于1的自然数，待测气体位于气室内。

激光发生器11用于根据待测气体(比如一氧化碳、甲烷等)的吸收谱特征生成激光，并将生成的激光传输至激光分束装置12，本实施方式中的激光分束装置12具体为激光分束器。

本领域技术人员可以理解，这里所说的吸收谱特征还可以理解为辐射谱特征。激光发生器11用于生成初始激光。较佳的，激光发生器11还可以在生成的初始激光中加载高频正弦信号，并将加载有高频正弦信号的激光传输至激光分束装置12。通过在生成的初始激光中加载高频正弦信号，有利于增强本实施方式中气体监测系统的抗干扰性。

需要说明的是，本实施方式中的加载高频正弦信号的功能部件与生成激光并将生成的激光传输至激光分束装置的功能部件可以是两个独立的物理设备，也可以是加载高频正弦信号的功能部件与生成激光并将生成的激光传输至激光分束装置的功能部件集成在一个设备中。在实际应用中，对根据待测气体的吸收谱特征选择的激光发生器不作具体限定，只要选择的激光发生器可以生成符合待测气体的吸收谱特征的激光，并将生成的激光传输至激光分束装置即可。

激光分束装置12用于将激光分束成与n个气室13一一对应的n束子激光，并将n束子激光分别传输至对应的气室；气体分析装置14用于采集n个气室13的子激光的输出光强，并根据n个气室13的子激光的输入光强、输出光强与气体浓度的关系，监测n个气室13内的待检测气体含量。

具体的说，本实施方式中的激光气体监测系统还可以包括与n个气室一一对应的显示设备。显示设备15安装于对应的气室本地；参见图1，气体分析装置14可以包括n个探测处理设备，n个探测处理设备与n个气室一一对应，且安装于对应的气室本地；探测处理设备可以包括探测器和处理器，探测器用于采集对应气室的子激光的输出光强，并将采集到的对应气室的子激光的输出光强传输至处理器；处理器用于根据子激光的输入光强、输出光强与气体浓度的关系，监测对应气室内的待检测气体含量，并将监测到的气体含量传输至对应气室的显示设备；显示设备用于显示从处理器接收到的气体含量。

较佳的，若监测到的待检测气体含量低于设定的最低阈值或高于设定的最高阈值，可以通过显示设备结合语音提示发出相应的极低限报警信息或极高限报警信息，以对监测人员起到警示作用。

另外，本实施方式中的激光气体监测系统还可以包括与n个气室一一对应的显示设备15；显示设备15安装于对应的气室本地；参见图2，n个气室的子激光通过第二同轴光缆传输至气体分析装置；气体分析装置包括探测器和处理器；探测器用于采集n个气室的子激光的输出光强，并将采集到的n个气室的输出光强传输至处理器；处理器用于根据n个气室的输入光强、n个气室的输出光强与气体浓度的关系，计算n个气室各自的气体含量，并将n个气室各自的气体含量分别传输至各气室对应的显示设备；显示设备用于显示从处理器接收到的气体含量。

也就是说，光信号由激光源经过统一调制由同轴光缆传输至各气室，测量信号可由同轴光缆传输至气体分析装置。探测器采集n个气室13的子激光的输出光强，处理器根据n个气室13分别与激光发生器11的距离(物理距离上的差异，各个采样点的特征信号会存在一定的相位差)，识别采集到的n束子激光各自所对应的气室，并根据预设的输入光强、输出光强以及气体浓度三者之间的关系，确定各束子激光对应的气室内的待检测气体含量。即可以经过锁相放大器提取并分离出有效信息，通过各气室与激光发生器11的距离，识别具体是哪一个气室内的待检测气体含量，再根据预设的输入光强、输出光强以及气体浓度三者之间的关系，确定各束子激光对应的气室内的待检测气体含量。

较佳的，气体分析装置14可以预存n个显示设备的地址码，处理器具体用于根据预存的地址码，将确定的各气室内的待检测气体含量，发送至与各气室一一对应的显示设备。

具体的说，这里所说的气室可以为传统的气室比如white气室、herriott气室和chernin气室等。由于有多个气室，可以进行多点网络重构。可以通过安插多个方位点实现多点测量和同时测量得到的海量数据，不仅可以实现大数据分析，还可以实现多点数据网络重构，有利于安全员对现场安全分析工作。

在本实施方式中的n个气室13可以包括但不限于纯光学气室。较佳的，这里所说的n个气室13均为陶瓷气室。由于传统气室结构反射镜上孔径较小，光路之间耦合度较高，对光路调节要求更高。同时此类气室随着光程增加的需要，需要响应增大吸收池的体积和重量，很难达到好的检测效果(样品气需求量更大，流速要求更高)，同时也让吸收池价格更昂贵，无法满足工业上的应用需求。而陶瓷气室由于利用聚氨酯泡沫塑料作为骨架，烧结出高反射率孔隙率可调的微型气室，能够实现在很小的体积增加光程，进而实现对其浸润的气体进行测量。具有成本低、确保装置稳定性好、复杂环境下适应性强、响应速度快，抗干扰性强、无需长期投入耗材进行维护等优点，使得在体积较小的情况下保证测量质量，并且，由于陶瓷气室为绝缘气室，在监测过程中可以不涉及任何电信号，可以有效避免可燃气体因电信号导致的燃烧，安全性更优。

具体的说，激光分束装置12可以为激光分束器，激光发生器具体用于将生成的激光通过光纤传输至激光分束器；激光分束器具体用于将激光分束成与n个气室一一对应的n束子激光，并将各束子激光分别通过光纤传输至对应的气室。通过激光分束器将输入的激光束分成多个并行输出的子激光束，形成了一种分布式结构的激光气体监测系统。

激光分束器可将特定输入的激光束分成多个并行输出的光束，不仅可以并行传输信息及能量，而且处理速度较快。由于每种待测气体都有其特有的吸收谱特征(或辐射谱特征)，发射的光源只有在与气体吸收光谱重叠的部分才产生吸收，本领域技术人员可以理解，吸收后的光强就会发生变化。在激光分束装置12将激光分束成与n个气室13一一对应的n束子激光，并将n束子激光分别传输至对应的气室后，气体分析装置14可以根据光的衰减，通过计算，得出n个气室13的子激光的输出光强i与输入光强i0和气体浓度之间的关系。

比如说，光谱中甲烷在3.33um处有一个极强的吸收峰(杂质气体如水、co2、co在此处无明显吸收)，而吸收的强弱则由甲烷气体浓度来决定，所以当红外光信号衰减程度被测知时，即可据此求得甲烷气体的浓度。

为增强气体监测系统的抗干扰性，此处以在生成的初始激光中加载高频正弦信号的情况下，对本实施方式中计算气体浓度的原理进行详细说明：

在生成的初始激光即驱动信号中加载一个高频正弦信号后，激光频率v(即激光的瞬时频率)可以表示为：

其中，为扫描信号的平均频率，a[cm^-1]为正弦函数的幅值，ω＝2πf为调制频率，f为频率，t为时间，ω为角频率。结合激光吸收光谱调制与解调的公式以及比尔郎伯定律，可以推导出接收到的气室激光的透射信号可以表示为：

其中，i代表输出光强，i0代表输入光强，τ代表透射率，相位延迟由气室距离激光光源的距离d决定，c代表光速，n是整数。

在返回的透射信号足够强或吸光度较小的情况下，比如当α＜0.1时，透射率可以简化为：

其中，字母α代表入射角；将吸光度进行傅立叶余弦级数展开得：

其中，h为傅立叶系数，k代表级数，上式傅立叶系数可以表示为

可以通过利用锁相放大器从测量信号中提取出二次谐波(即输出光强)，包括二次谐波的大小和相位两部分。从锁相放大器提取出来的二次谐波信号的大小跟二倍频傅立叶系数在中心频率ν0处的关系为：

将傅里叶系数代入上式可得：

其中，g为监测系统中的光电增益，p为大气压力，t为温度，s(t)为关于温度t的谱线线强函数，为入射光强的平均值，x为测气体的浓度，l为激光传播的路程。在一定的温度、压力和气室吸收光程的情况下，p2f(ν0)与被测气体的浓度x成正比。通过本测试方法可实现毫秒(ms)级别的响应，实时响应目标测量环境内的信息变化，并且可实现定点原位测量，有利于协助操作员掌握现场的实时信息。

而且，针对如图2所示的结构，由于各气室存在物理距离上的差异，各个采样点的特征信号会存在一定的相位差，可通过锁相放大器以特定频率和相位关系的参考信号作为比较基准，提取各点的测量信息，从而确定各束子激光对应的气室内的待检测气体含量。也就是说，由锁相放大器提取出来的二次谐波相对于参考信号的相位可以确定相位延迟，即本实施方式中的由于不同探测点或气室距激光光源的距离d不同，因此也不同，进而可以测得气体浓度。

不难发现，本实施方式提供的一种激光气体监测系统，包括激光发生器、与激光发生器连接的激光分束装置、与激光分束装置连接的n个气室，以及与n个气室连接的气体分析装置，其中，n为大于1的自然数，待测气体位于气室内；激光发生器用于生成激光，并将生成的激光传输至激光分束装置；激光分束装置用于将激光分束成与n个气室一一对应的n束子激光，并将n束子激光分别传输至对应的气室；气体分析装置用于采集n个气室的子激光的输出光强，并根据n个气室的子激光的输入光强、输出光强与气体浓度的关系，监测n个气室内的待检测气体含量。通过进行多探测点的同时测量，并根据光的衰减，计算出输出光强i与输入光强i0和气体浓度之间的关系，避免了每次只能探测一个气体感应器的缺陷，从而避免了其它非探测的气体传感器处于盲区或非探测状态，有利于提高测量效率。也就是说，通过采用多探测点并行激光法进行测量，使得传感器数量减少，每个传感器等待的时间缩短，盲区减少，使得漏报或者迟报的风险降低，还有利于降低投入成本。

本发明的第二实施方式涉及一种激光气体监测系统。本实施方式与第一实施方式大致相同，主要区别之处在于：在第一实施方式中，是通过激光分束器将激光分束成与所述n个气室一一对应的n束子激光，并将各束子激光分别通过光纤传输至对应的气室；而在本实施方式中，激光分束装置包括n个分束设备；n个分束设备与n个气室一一对应；激光发生器具体用于将生成的激光通过光纤传输至一分束设备；n个分束设备沿光纤的传输方向依次排列；分束设备用于从接收到的激光中分束出部分激光作为一束子激光传输至对应的气室，并将分束出部分激光后的剩余激光通过光纤继续传输至下一个分束设备。

本实施方式中的激光气体监测系统的结构连接示意图如图3所示。

具体的说，激光分束装置12包括n个分束设备；n个分束设备与n个气室13一一对应；激光发生器11具体用于将生成的激光通过光纤传输至一分束设备；n个分束设备沿光纤的传输方向依次排列；分束设备用于从接收到的激光中分束出部分激光作为一束子激光传输至对应的气室，并将分束出部分激光后的剩余激光通过光纤继续传输至下一个分束设备。

比如说，在激光发生器11将生成的激光通过光纤传输至分束设备1后(参见图3)，如果该分束设备1可以分束出5％的激光，则将分束出的这5％的激光作为一束子激光传输至对应的气室1，剩余的95％的激光继续通过光纤传输至分束设备2，直至最后一个分束设备即分束设备n将分束出的5％的激光传输至最后一个气室n为止。

需要说明的是，本实施方式中的激光气体监测系统也可以包括与n个气室一一对应的显示设备(图中未示出)，显示设备安装于对应的气室本地。气体分析装置14将n个气室各自的气体含量分别传输至各气室对应的显示设备进行显示。

具体的说，气体分析装置14可以采用如图1所示的结构，包括n个探测处理设备，所述n个探测处理设备与所述n个气室一一对应，且安装于对应的气室本地。探测处理设备包括：探测器和处理器，所述探测器用于采集对应气室的子激光的输出光强，并将采集到的对应气室的子激光的输出光强传输至所述处理器；所述处理器用于根据所述子激光的输入光强、输出光强与气体浓度的关系，监测对应气室内的待检测气体含量，并将监测到的气体含量传输至对应气室的显示设备。

气体分析装置14还可以采用如图2所示的结构，n个气室的子激光通过同轴光缆传输至气体分析装置14；气体分析装置14包括探测器和处理器，探测器用于采集n个气室的子激光的输出光强，并将采集到的n个气室的输出光强传输至处理器，处理器用于根据n个气室的输出光强和n个气室的输入光强，计算n个气室各自的气体含量，并将n个气室各自的气体含量分别传输至各气室对应的显示设备。也就是说，光信号由激光源经过统一调制由同轴光缆传输至各气室，测量信号可由同轴光缆传输至气体分析装置14。探测器采集n个气室13的子激光的输出光强，处理器根据n个气室13分别与激光发生器11的距离(即根据相位的不同)，识别采集到的n束子激光各自所对应的气室，并根据预设的输入光强、输出光强以及气体浓度三者之间的关系，确定各束子激光对应的气室内的待检测气体含量。即可以经过锁相放大器提取并分离出有效信息，通过各气室与激光发生器11的距离，识别具体是哪一个气室内的待检测气体含量，再根据预设的输入光强、输出光强以及气体浓度三者之间的关系，确定各束子激光对应的气室内的待检测气体含量。

不难发现，本实施方式提供的一种激光气体监测系统，激光分束装置包括n个分束设备；n个分束设备与n个气室一一对应；激光发生器具体用于将生成的激光通过光纤传输至一分束设备；n个分束设备沿光纤的传输方向依次排列；分束设备用于从接收到的激光中分束出部分激光作为一束子激光传输至对应的气室，并将分束出部分激光后的剩余激光通过光纤继续传输至下一个分束设备。通过采用多探测点并行激光法进行测量，使得传感器数量减少，每个传感器等待的时间缩短，盲区减少，使得漏报或者迟报的风险降低，不仅有利于提高测量效率，还有利于降低投入成本。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。