基于TDLAS的痕量甲烷检测仪的制作方法

本实用新型涉及激光气体检测领域，具体而言，涉及基于TDLAS的痕量甲烷检测仪。

背景技术：

当前甲烷气体的现场检测系统装置主要基于电化学式、半导体式等原理。但是，这些传统传感技术的相关传感器设备都存在寿命短，需要定期标校等缺点，不适合长期稳定监测，以及检测精度较低，因此，如何解决上述技术问题是目前亟需解决的技术难题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供基于TDLAS的痕量甲烷检测仪，其能够改善上述技术问题。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种基于TDLAS的痕量甲烷检测仪，其包括光源、光纤分束器、吸收气室、参考气室、第一光电探测器、第二光电探测器、电流电压转换电路及处理器，所述吸收气室内装有待测的甲烷气体，所述参考气室内装有预设纯度的甲烷气体；所述光源发出的光经过所述光纤分束器分为第一路光束、第二路光束和第三路光束，所述第一路光束通过光纤入射所述第一光电探测器，所述第二路光束通过光纤依次入射所述参考气室与所述第二光电探测器，所述第三路光束通过光纤入射所述吸收气室；所述电流电压转换电路分别与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器及所述吸收气室连接，用于获取所述第一光电探测器、所述第二光电探测器及所述吸收气室的输出电流信号，并将所述输出电流信号转为电压信号；所述处理器与所述电流电压转换电路耦合。

在本实用新型较佳的实施例中，上述光源为分布反馈激光器。

在本实用新型较佳的实施例中，上述还包括光源控制电路，所述光源控制电路的输出端与所述分布反馈激光器耦合，所述光源控制电路的输入端与所述处理器耦合。

在本实用新型较佳的实施例中，上述还包括光纤隔离器，所述光纤隔离器的一端与所述光源耦合，所述光纤隔离器的另一端与所述光纤分束器耦合。

在本实用新型较佳的实施例中，上述还包括温度检测电路，所述温度检测电路的一端与所述处理器耦合，所述温度检测电路的另一端与所述吸收气室耦合。

在本实用新型较佳的实施例中，上述还包括第一通气管路，所述第一通气管路的一端与所述温度检测电路耦合，所述第一通气管路的另一端与所述吸收气室耦合。

在本实用新型较佳的实施例中，上述吸收气室包括尾纤端和电流信号输出端，所述尾纤端与所述光纤分束器耦合，所述电流信号输出端与所述电流电压转换电路耦合，所述尾纤端为所述吸收气室的输入端，所述电流信号输出端为所述吸收气室的输出端。

在本实用新型较佳的实施例中，上述温度检测电路为温度检测芯片。

在本实用新型较佳的实施例中，上述电流电压转换电路包括第一放大器、第一电阻、第一电容和变阻器，所述第一放大器的同向输入端和反向输入端均分别与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器及所述吸收气室连接，所述第一放大器的反向输入端分别与所述变阻器和所述第一电容的一端连接，所述变阻器与所述第一电容并联，所述变阻器与所述第一电容的另一端分别与所述第一放大器的输出端连接，所述第一电阻的一端与所述第一放大器的输出端连接，所述第一电阻的另一端与所述处理器耦合。

在本实用新型较佳的实施例中，上述电流电压转换电路还包括第二放大器和第三电阻，所述第二放大器的同向输入端与所述第一电阻连接，所述第三电阻的一端与所述第二放大器的输出端连接，所述第三电阻的另一端与所述处理器耦合。

本实用新型实施例的有益效果是：本实用新型实施例提供的基于TDLAS的痕量甲烷检测仪，通过第一光电探测器和第二光电探测器，有效提高了检测灵敏度与稳定性，通过所述参考气室，可实时监测甲烷气体吸收峰，从而提高了该甲烷检测仪的检测限，并且通过温度检测电路，可实时监测待测气体温度，用于气体检测的温度补偿，进一步提高了系统的测量精度。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型实施例而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型实施例提供的基于TDLAS的痕量甲烷检测仪的功能结构示意图；

图2为图1所示的基于TDLAS的痕量甲烷检测仪中的电流电压转换电路的电路图。

图标：100－基于TDLAS的痕量甲烷检测仪；110－光源；120－光纤分束器；130－吸收气室；140－参考气室；150－第一光电探测器；160－第二光电探测器；170－电流电压转换电路；180－处理器；190－光源控制电路；210－光纤隔离器；220－温度检测电路；230－第一通气管路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。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他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

实施例

请参照图1至图2，本实施例提供的基于TDLAS的痕量甲烷检测仪100，其包括光源110、光纤分束器120、吸收气室130、参考气室140、第一光电探测器150、第二光电探测器160、电流电压转换电路170、处理器180、光源控制电路190、光纤隔离器210、温度检测电路220和第一通气管路230。

在本实施例中，所述光源110用于提供光，所述光源110发出的光经过所述光纤分束器120分为第一路光束、第二路光束和第三路光束，所述第一路光束通过光纤入射所述第一光电探测器150，所述第二路光束通过光纤依次入射所述参考气室140与所述第二光电探测器160，所述第三路光束通过光纤入射所述吸收气室130。

在本实施例中，优选地，所述光源110为分布反馈激光器。通过将分布反馈激光器作为所述光源110，使得经电流调制后，使输出波长包含了甲烷气体的吸收特征峰。

在本实施例中，通过采用分布反馈激光器作为光源110，用光纤分束器120将激光光束耦合进入长光程吸收气室130，以使基于TDLAS的痕量甲烷检测仪100的结构简洁，集成度高，进而可有效实现甲烷气体的高精度在线检测，适用于煤矿、石油、化工、钢铁以及环境等行业中目标气体的在线检测。其中，所述TDLAS是可调谐半导体激光吸收光谱的英文缩写。

在本实施例中，所述光纤分束器120用于将光源110所发出的光分为第一路光束、第二路光束和第三路光束。

在本实施例中，所述光纤分束器120可以是平面波导型光纤分光器(PLCSplitter)或熔融拉锥分光器。在此，不作具体限定。

在本实施例中，所述吸收气室130与所述光纤分束器120耦合，用于吸收所述光纤分束器120所发出的第三路光束。

其中，所述吸收气室130包括尾纤端和电流信号输出端，所述尾纤端与所述光纤分束器120耦合，所述电流信号输出端与所述电流电压转换电路170耦合，所述尾纤端为所述吸收气室130的输入端，所述电流信号输出端为所述吸收气室130的输出端。

在本实施例中，通过所述吸收气室130将所述第三路光束进行光电转换，以输出电流信号至所述电流电压转换电路170。

在本实施例中，所述吸收气室130内装有待测的甲烷气体。

在本实施例中，所述吸收气室130为低噪声赫里奥特多次反射吸收池，该吸收池的一端连接有一段单模光纤，而该段单模光纤与光纤分束器120相熔接。光源110输出激光光能经此单模光纤输入进入吸收池，并进行多次反射。

在本实施例中，所述参考气室140内装有预设纯度的甲烷气体，其中，所述预设纯度可以90％，也可以是100％，在此，不作具体限定。

其中，所述参考气室140的输入端与所述光纤分束器120的输出端耦合，所述参考气室140的输出端与所述第二光电探测器160耦合。

在本实施例中，所述光纤分束器120所发出的第二光束通过光纤依次入射所述参考气室140与所述第二光电探测器160。

在本实施例中，所述第一光电探测器150用于将通过光纤射入所述第一光电探测器150的所述第一路光束进行光电转换，以输出电流信号。

其中，所述第一光电探测器150的输入端与所述第一路光束连接。所述第一光电探测器150的输出端与所述电流电压转换电路170连接。

在本实施例中，优选地，所述第一光电探测器150为光子探测器。如型号为AD230－8或AD500－8的光电探测器。在此，不作具体限定。

在本实施例中，所述第二光电探测器160用于将通过光纤射入所述第二光电探测器160的所述第二路光束进行光电转换，以输出电流信号。

其中，所述第二光电探测器160的输入端与所述参考气室140连接。所述第二光电探测器160的输出端与所述电流电压转换电路170连接。

在本实施例中，优选地，所述第二光电探测器160为光子探测器。如型号为AD230－8或AD500－8的光电探测器。在此，不作具体限定。

在本实施例中，所述电流电压转换电路170分别与所述第一光电探测器150、所述第二光电探测器160及所述吸收气室130连接。所述电流电压转换电路170用于获取所述述第一光电探测器150、所述第二光电探测器160及所述吸收气室130的输出电流信号，并将所述输出电流信号转为电压信号。

在本实施例中，优选地，所述电流电压转换电路170的数量为3个，分别用于与所述第一光电探测器150、所述第二光电探测器160及所述吸收气室130连接。

在本实施例中，所述电流电压转换电路170包括第一端口1、第二端口2、第三端口3、第一放大器U1、第一电阻R1、第一电容C1、变阻器R2、第二放大器U2和第三电阻R3。

其中，所述第一放大器U1的同向输入端与所述第一端口1连接，所述第一端口1用于分别与所述第一光电探测器150、所述第二光电探测器160及所述吸收气室130连接，所述第一放大器U1的反向输入端分别与所述变阻器R2和所述第一电容C1的一端连接，所述变阻器R2与所述第一电容C1并联，所述变阻器R2与所述第一电容C1的另一端分别与所述第一放大器U1的输出端连接，所述变阻器R2经过所述第二端口2与所述第一放大器U1的反向输入端连接，所述第一电阻R1的一端与所述第一放大器U1的输出端连接，所述第一电阻R1的另一端与所述第二放大器U2的同向输入端连接，所述第三电阻R3的一端与所述第二放大器U3的输出端连接，所述第三电阻的另一端与所述第三端口3连接，所述第三端口3用于连接所述处理器180。

在本实施例中，所述处理器180用于完成模拟信号到数字信号的采集，同时根据光谱信息，反演出甲烷浓度。以及通过温度检测电路220获取所述吸收气室130内的实时温度，以及对所述吸收气室130内的甲烷浓度进行温度补偿。具体地，所述处理器180接收第一路光束、第二路光束和第三路光束分别对应的电压信号，处理得到三路光束对应的三条光谱，从而比较分析所述三条光谱以计算出所述吸收气室130内甲烷气体的浓度。

在本实施例中，所述处理器180可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、也可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific IntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

在本实施例中，所述处理器180的型号可以是STM32F103C8T6，也可以是STM32F103VET6，还可以是stm32f107cct6，或者是32位ARM单片机主控制板。在此，不作具体限定。

在本实施例中，所述光源控制电路190的一端与所述处理器180耦合，所述光源控制电路190的另一端与所述光源110耦合，所述光源控制电路190用于控制所述光源110发射出预设宽频带光束，例如，发射的宽频带光束包含有甲烷气体的特征吸收峰波长λ1＝1650.9nm。

在本实施例中，所述光源控制电路190由温度控制芯片和电流控制芯片组成。其中，优选地，所述温度控制芯片的型号为MAX1978，所述电流控制芯片的型号为ATL100MA10D。

在本实施例中，所述光纤隔离器210的一端与所述光源110耦合，所述光纤隔离器210的另一端与所述光纤分束器120耦合。所述光纤隔离器210具有单向通过性，只允许光束向远离光源110的方向传播，阻隔了射向光源110的光束，从而起到保护光源110的作用。

在本实施例中，所述光纤隔离器210的型号可以是IO－H－1064或IO－H－1550。在此，不作具体限定。

在本实施例中，所述温度检测电路220的一端与所述处理器180耦合，所述温度检测电路220的另一端与所述吸收气室130耦合。所述温度检测电路220用于在所述处理器180的控制下获取所述吸收气室130内的实时温度，以及对所述吸收气室130内的甲烷浓度进行温度补偿。

在本实施例中，所述温度检测电路220为温度检测芯片，优选地，所述温度检测芯片的型号为ADT7320。

在本实施例中，所述第一通气管路230的一端与所述温度检测电路220耦合，所述第一通气管路230的另一端与所述吸收气室130耦合。

综上所述，本实用新型提供的基于TDLAS的痕量甲烷检测仪，通过光源发出的光经过所述光纤分束器分为第一路光束、第二路光束和第三路光束，所述第一路光束通过光纤入射所述第一光电探测器，所述第二路光束通过光纤依次入射所述参考气室与所述第二光电探测器，所述第三路光束通过光纤入射所述吸收气室；所述电流电压转换电路分别与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器及所述吸收气室连接，用于获取所述第一光电探测器、所述第二光电探测器及所述吸收气室的输出电流信号，并将所述输出电流信号转为电压信号；所述处理器与所述电流电压转换电路耦合，以接收第一路光束、第二路光束和第三路光束对应的电压信息，处理得到第一路光束、第二路光束和第三路光束对应的三条光谱，比较分析所述三条光谱计算出所述吸收气室内甲烷气体的浓度。进而有效提高了检测灵敏度与稳定性，以及可实时监测甲烷气体吸收峰，进一步提高了该甲烷检测仪的检测限。

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