基于光纤FP腔型探头的天然气泄漏预警监控装置的制作方法

本实用新型属于预警监控技术领域，特别是涉及一种基于光纤FP腔型探头的天然气泄漏预警监控装置。

背景技术：

目前用于天然气泄漏检测的传感器主要是包括半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器等，这类传感器普遍具有响应速度慢、容易受到其它气体成分的干扰及维护频繁、测量精度低等缺点，难以实现远程、实时、在线监测。这类传感器最大的缺点就是自身带电，在易燃易爆等特殊环境中应用时存在安全隐患。

近几年来，国内外在这一领域的研究发展迅速，特别是以激光吸收光谱技术为基础的光学检测方法对天然气泄漏进行监测，包括非分散红外吸收法 (NDIR)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪以及可调谐半导体激光器光谱技术 (TDLAS)，具有响应速度快、检测效率高等优点。但是NDIR和FTIR是利用近红外波段的分子吸收光谱带来进行检测的，空气中CO2和H2O等气体的影响，使得测量信号背景大，精度低且不宜实现遥测。而可调谐半导体激光器光谱技术(TDLAS)具有高灵敏、高分辨、快速响应可实现远程、在线、原位监测的优点，已成为新型天然气泄漏监测仪器的主要技术。

并且，在国外已有采用该技术的手持式甲烷气体遥测仪产品上市，灵敏度可以达到ppm量级，响应时间为0.1s，但测量距离不足10m。同时也有相关的车载和机载泄漏监测设备进行现场实验。一些抽取式可燃气体探测装置已经被一些公司开发，但是这种抽取式设备必须对现场气体进行抽取采样，检测的时间增长，不适合在隧道、天然气站场这种危险场合使用。本实用新型设计了一种光纤传输，远程测量的甲烷多点式测量装置，其成本低、结构简单、可大范围普及安装，有利于天然气站场长时间无人监测。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是根据物质对不同波长有不同的吸收特征，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可以确定分子的成分和浓度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于光纤FP腔型探头的天然气泄漏预警监控装置及该预警监控方法，通过采用一个激光器驱动多个传感器，实现远距离测量，采用计算机实时监控的方式，通过显示界面可以直观地看到各个传感器位置的甲烷浓度变化曲线和实时浓度值，解决了现有的天然气泄漏检测难度，事故率高等问题。

为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型为基于光纤FP腔型探头的天然气泄漏预警监控装置，包括激光器，所述激光器分别连接有信号发生模块和激光器驱动；传感器组，所述激光器驱动传感器组，所述传感器组位于被测量位置；激光处理系统，所述激光器与传感器组之间通过激光处理系统进行信号的转化解调；前置放大器，所述激光处理系统将传感器组检测的信号传输到光电探测器，经光电探测器转换为电信号，电信号经前置放大器放大传输到数据采集模块；控制中心，所述数据采集模块采集到的数据信息传输到控制中心进行信号的处理。

进一步地，所述传感器组采用1～n的并列分布。

进一步地，所述传感器组采用FP腔型探头传感器；所述FP腔型探头包括铠装光缆、第一镜面和第二镜面，第一镜面和第二镜面构成法珀干涉仪；所述铠装光缆包括一组光纤；所述一组光纤连接到第一镜面和/或第二镜面上；所述一组光纤分别为入射端和出射端。

进一步地，所述激光处理系统包括分束器，所述分束器采用1×n的方式分成n条激光束，所述激光束与传感器组一一对应；所述分束器分成的n条激光束分别通过一环形器传输到传感器组，各个传感单元为并联关系，经传感器组反射后再通过环形器出射端口传输到光电探测器。

进一步地，所述激光处理系统包括光开关；所述激光器通过一环形器将激光传输到光开关，所述光开关使激光分时地通过n个测量位置的传感器；所述传感器组反射回来的光均通过环形器传输到光电探测器进行信号的转化解调。

基于光纤FP腔型探头的天然气泄漏预警监控方法，包括如下过程：

SS01激光发生：通过信号发生模块和激光器驱动控制激光器产生激光；

SS02激光处理：通过光开关与环形器的组合、或分束器与环形器的组合将一个激光器产生的n个光信号一一对应驱动传感器组；

SS03FP腔型探头：通过SS02激光处理传输到传感器的激光通过入射端一光纤从FP腔的一面镜子入射进入谐振腔，在FP腔内来回振荡后，通过另一根出射端一光纤耦合；

SS04信号采集与监控：激光经过SS03FP腔型探头后，依次通过环形器、光电探测器、前置放大器放大传输到数据采集模块，最后传输到控制中心进行信号的处理与监控，完成n个传感器测量位置的浓度计算。

进一步地，所述控制中心为计算机，在监测过程中，通过显示界面可以直观地看到各个传感器位置的甲烷浓度变化曲线和实时浓度值，并适时实时记录浓度变化数据，生成报表以历史数据形式保存，可以随时访问查询。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是根据物质对不同波长有不同的吸收特征，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可以确定分子的成分和浓度。其的理论是以Beer-Lambert 定理为基础，即：一束频率为的单色光通过混合气体吸收介质，透过光强It与入射光强Io的比率τ(υ)与该频率处吸收气体的线强S[cm^-2atm^-1]，摩尔分数C，吸收路径长度L[cm]，总的气体压强P[atm]，以及线型函数φ(υ)的乘积成指数关系：

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型通过采用一个激光器驱动多个传感器，具有激光能量充足，可实现远距离测量；所用器件较少，容易安装，能够实现多点分时测量。

2、本实用新型通过采用FP腔型探头传感器，具有反应灵敏度高，检测效果准确度高；传感器和传输信号均为光纤介质，无源，本质安全，全光纤组网，适合石油化工等易燃易爆场所。

3、本实用新型通过采用计算机实时监控的方式，通过显示界面可以直观地看到各个传感器位置的甲烷浓度变化曲线和实时浓度值，并适时实时记录浓度变化数据，生成报表以历史数据形式保存，可以随时访问查询。

4、本实用新型通过采用光纤本身作为吸收池，不仅对天然气进行监测；还可以实现硫化氢，氧气，二氧化碳等气体的监测。

当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的基于光纤FP腔型探头的天然气泄漏预警监控装置系统图；

图2为实施例二的天然气泄漏预警监控装置系统图；

图3为实施例一的天然气泄漏预警监控装置系统图；

图4为放气过程中的吸收信号的row numbers-intensity图；

图5为放气过程中浓度变化曲线time-concentration；

图6为本实用新型的预警监控装置和现有商用可然气报警器的对比测试图；

图7为现有商用可然气报警器和本实用新型光纤探头放气测试比较图；

图8为光纤出射端与入射端在两个镜面上的示意图；

图9为光纤出射端与入射端在同一镜面上的示意图；

图10为铠装光缆的结构示意图；

图11为光纤FP腔型探头的静态微观放大图；

图12为比尔朗伯定理示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

请参阅图1-12所示：

本实用新型为基于光纤FP腔型探头的天然气泄漏预警监控装置，包括激光器3，激光器3分别连接有信号发生模块1和激光器驱动2；

传感器组6，激光器3驱动传感器组6，传感器组6位于被测量位置；

激光处理系统，激光器3与传感器组6之间通过激光处理系统进行信号的转化解调；

前置放大器8，激光处理系统将传感器组6检测的信号传输到光电探测器7，经光电探测器7转换为电信号，电信号经前置放大器8放大传输到数据采集模块9；

控制中心10，数据采集模块9采集到的数据信息传输到控制中心10进行信号的处理。

现有专利CN104019884B公开了一种光纤FP腔声波探头，采用该FP腔声波探头亦可实现该过程。

实施例一

传感器组6采用5组的并列分布，分别位于5个位置的传感器。

其中如图8所示，传感器组6采用FP腔型探头传感器；FP腔型探头包括铠装光缆604、第一镜面601和第二镜面602，第一镜面601和第二镜面 602两个镜面构成法珀干涉仪；如图11所示，在使用过程中，为保证光缆的抗拉能力以及机械性能，需要采用铠装光缆。在加工时采用铠装光缆直接与入射端和出射端相连接。铠装光缆604包括一组光纤603；一光纤603连接到第一镜面601，另一光纤603连接到第二镜面602上；一组光纤603分别为入射端和出射端。

其中如图3所示，激光处理系统包括分束器4，分束器4采用1×5的方式分成5条激光束，激光束与传感器组6一一对应；分束器4分成的5条激光束分别通过一环形器5传输到传感器组6，经传感器组6反射后再通过环形器5出射端口传输到光电探测器7，各个传感单元为并联关系。

基于光纤FP腔型探头的天然气泄漏预警监控方法，包括如下过程：

SS01激光发生：通过信号发生模块1和激光器驱动2控制激光器3产生激光；

SS02激光处理：通过光开关11与环形器5的组合、或分束器4与环形器5的组合将一个激光器3产生的5个光信号一一对应驱动传感器组6；

SS03FP腔型探头：通过SS02激光处理传输到传感器的激光通过入射端一光纤603从FP腔的一面镜子入射进入谐振腔，在FP腔内来回振荡后，通过另一根出射端一光纤603耦合，然后经光电探测系统，将光信号变成电信号送计算机处理。在这里，为了提高耦合效率，大数值孔径的光纤准直头通常可以固定在光斑出射谐振腔面的位置；

SS04信号采集与监控：激光经过SS03FP腔型探头后，依次通过环形器 5、光电探测器7、前置放大器8放大传输到数据采集模块9，最后传输到控制中心10进行信号的处理与监控，完成5个传感器测量位置的浓度计算。

其中，控制中心10为计算机，在监测过程中，通过显示界面可以直观地看到各个传感器位置的甲烷浓度变化曲线和实时浓度值，并适时实时记录浓度变化数据，生成报表以历史数据形式保存，可以随时访问查询。

实施例二

传感器组6采用5组的并列分布，分别位于5个位置的传感器。

其中如图8所示，传感器组6采用FP腔型探头传感器；FP腔型探头包括铠装光缆604、第一镜面601和第二镜面602，第一镜面601和第二镜面 602两个镜面构成法珀干涉仪；在使用过程中，为保证光缆的抗拉能力以及机械性能，需要采用铠装光缆。在加工时采用铠装光缆直接与入射端和出射端相连接。铠装光缆604包括一组光纤603；一组光纤603均连接到第二镜面602上；一组光纤603分别为入射端和出射端。

其中如图2所示，激光处理系统包括光开关11；激光器3通过一环形器 5将激光传输到光开关11，光开关11使激光分时地通过5个测量位置的传感器；传感器组6反射回来的光均通过环形器5传输到光电探测器7进行信号的转化解调。

基于光纤FP腔型探头的天然气泄漏预警监控方法，包括如下过程：

SS01激光发生：通过信号发生模块1和激光器驱动2控制激光器3产生激光；

SS02激光处理：通过光开关11与环形器5的组合、或分束器4与环形器5的组合将一个激光器3产生的5个光信号一一对应驱动传感器组6；

SS03FP腔型探头：通过SS02激光处理传输到传感器的激光通过入射端一光纤603从FP腔的一面镜子入射进入谐振腔，在FP腔内来回振荡后，通过另一根出射端一光纤603耦合，然后经光电探测系统，将光信号变成电信号送计算机处理。在这里，为了提高耦合效率，大数值孔径的光纤准直头通常可以固定在光斑出射谐振腔面的位置；

SS04信号采集与监控：激光经过SS03FP腔型探头后，依次通过环形器 5、光电探测器7、前置放大器8放大传输到数据采集模块9，最后传输到控制中心10进行信号的处理与监控，完成5个传感器测量位置的浓度计算。

其中，控制中心10为计算机，在监测过程中，通过显示界面可以直观地看到各个传感器位置的甲烷浓度变化曲线和实时浓度值，并适时实时记录浓度变化数据，生成报表以历史数据形式保存，可以随时访问查询。

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术是根据物质对不同波长有不同的吸收特征，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可以确定分子的成分和浓度。其的理论是以Beer-Lambert 定理为基础，即：一束频率为的单色光通过混合气体吸收介质，如图11所示，透过光强It与入射光强Io的比率τ(υ)与该频率处吸收气体的线强 S[cm^-2atm^-1]，摩尔分数C，吸收路径长度L[cm]，总的气体压强P[atm]，以及线型函数φ(υ)的乘积成指数关系：

对上式进行光频率积分可得到直接吸收法所测量的吸收面积值：

由上式可反演得到激光路径上所测的目标气体的摩尔分数值：

MSA使用数理统计和图表的方法对测量系统的分辨率和误差进行分析，以评估测量系统的分辨率和误差对于被测量的参数来说是否合适，并确定测量系统误差的主要成分。

由图2所示，激光通过1×5分束器均分为5条光束，分别经环形器传输传感器，反射后再由环形器出射端口传输到光电探测器，转换为电信号，信号经前置放大器后，由数据采集卡传输到信号在线处理系统，完成五个测量位置的浓度计算；

由图3所示，通过光开关使激光分时地通过5个测量位置的传感器，其反射回来的光都通过同一个环形器传输到光电探测器进行信号的转化解调等过程；

得出，如图4所示，为放气过程中的吸收信号的row numbers-intensity 图，其中上半部分为row numbers-intensity/mv，为Baseline fitting(基线拟合)和signal with CH4的对比分析图；

下半部分为row numbers-intensity/a.u.,为Direct absorptio和air 的对比分析图。

如图5所示，为放气过程中浓度变化曲线time-concentration，在监测过程中，通过显示界面可以直观地看到各个传感器位置的甲烷浓度变化曲线和实时浓度值，并适时实时记录浓度变化数据，生成报表以历史数据形式保存，可以随时访问查询。本次实验所测到的浓度变化趋势与方式过程完全吻合，相应速度快，显示准确、没有误报。

如图6所示，本实用新型提出的技术方案和商用可然气报警器的对比测试：本实用新型专利提出的光纤探头结构反应灵敏度高，每次充气时均会有个很大的变化，如箭头所示；而美思安公司的反应较差，对每次充气没有很大响应。3m吸收池和MSA的浓度检测值相差不大，相差范围在1000ppm左右。可能因3m吸收池在上方，测得的浓度比MSA大些。

如图7所示，为商用可然气报警器和本实用新型光纤探头放气测试比较，看出：因MSA的测量极限是0～100％LEL，测量浓度范围是0～5％，对超过5％的CH4浓度不能响应。在第一次充气的位置，MSA检测有个很大的变化。 Concentration_A/％和MSA浓度检测(5％以下)相差在2000ppm左右。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本实用新型优选实施例只是用于帮助阐述本实用新型。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。