[发明专利]煤矿采空区火灾光纤气体检测仪

说明书

技术领域

本发明属于煤矿采空区火灾检测技术，具体而言是应用于煤矿矿井的火灾气体光纤检测仪。

背景技术

近几年来，随着我国经济的快速迅猛发展，越来越多的环境以及安全生产问题也不断出现。近几年来我国煤矿矿山频频出现伤及人身安全的大型安全事故，瓦斯爆炸不断，煤矿火灾频频出现。要维护正常的生产生活，就必须对这些问题进行有效的解决。气体检测是实现安全生产的一大手段。在煤矿，采空区自然发火的火灾预测也是基于一氧化碳、乙炔、乙烯、氢气以及硫化物等微量气体实现的，可见开发一种能够实现痕量气体检测的传感器对煤矿安全生产是十分有必要的。现有煤矿普遍使用的基于特征气体分析的预测预报仪表与装置，主要有束管集中检测系统和气相色谱仪。束管集中检测系统与传感器。此系统也称为束管系统，是目前我国煤矿使用得比较多的系统。该系统是基于气体分析的原理，已在许多矿井中应用，而且近年亦有较大的改进与提高。不足之处是，束管系统使用的是分离式传感器，要增加维护量和经费；并且束管容易被堵塞或者破裂，影响检测效果；同时它需要花费很长时间通过束管从采空区抽取气体，检测反应慢，不易在采空区长期在线检测。煤矿气相色谱仪。适于分析常微量矿井大气组分、火灾气体组分和瓦斯突出气体组分等，高检测性能，检测效果好。但是系统复杂，灵活性差，只能用作现场样气进行采样后才能分析气体浓度，也是无法在采空区现场实现长期在线监测。

目前国内最先进的气体检测技术是基于TDLAS的火灾气体检测技术，该技术方案使用怀特池结构实现激光在气体吸收池内的多次反射，提高检测的灵敏度，被广泛应用于大气检测等领域。但是该方案中的气体吸收池部分入射端使用光纤准直器入射一束平行光，光束多次反射后，从另一口输出，输出的光没有耦合到光纤中，而是使用感光面较大的光电探测器进行光电转换，然后进行信号处理，因此探头与信号分析处理部分往往距离较近，无法远程检测，从而无法在距离地面几公里甚至几十公里远的采空区使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于煤矿采空区自然发火火灾气体检测的远程不带电全光纤气体传感器火灾检测仪以解决现有技术存在的问题。

本发明的技术方案如下：一种煤矿采空区火灾光纤气体检测仪，它包括光源，探头，光电探测器和信号处理，所述光源发出的光经探头送入光电探测器转换为电信号送入信号处理单元处理，其特征是在所述光源和探头之间的光路上设置光环行器，所述光源与光环行器第一端口连接，探头与光环行器的第二端口连接，所述光环行器第三端口与光电转换器连接，所述探头结构为多次反射式怀特池结构，在怀特池的出射端设置末端光纤准直器和光纤反射镜，所述光源为分布反馈式半导体激光器。

所述光源由直流信号发生器，锯齿波发生器和正弦信号发生器共同驱动。所述光环形器采用通讯用1.5um中心波长三端口光环形器。使用三端口光环形器可以有效地解决同一根光纤即作为探头的输入通路又做为探头的返回光造成的巨大损耗。

探头采用了多次反射式怀特池结构，怀特池内三块镜片曲率半径相同；怀特池输入端采用一个光纤准直器作为入射端光纤准直器；入射端光纤准直器的工作距离等于怀特池镜片曲率半径，光纤内的光直接输出至空气中将是发散的光，入射端光纤准直器可以将光纤内的光变为一束平行的光束发射出来；怀特池输出端也采用与输入端完全一样的光纤准直器来接收怀特池输出的光，并耦合到光纤内，使之适合于光纤内传输；怀特池末端准直器接收到的光被光纤反射镜反射，使光按原路返回，根据光的可逆原理，反射光经过怀特池、入射端准直器和光缆可以原路返回到光环形器，通过光环形器的第二端口入，并由第三端口输出。

激光在怀特池内充分吸收后，通过光缆和光环形器返回进入光电探测器。

所述光电探测器采用铟钾砷光电探测器，可以有效地工作在近红外波段进行光电转换，光电探测器将光信号转换为电信号。

所述信号处理单元包括接收光电探测器输出的电信号的锁相放大器，所述锁相放大器输出电信号经数字采集卡送入计算机处理，所述锁相放大器与正弦信号发生器通过倍频电路连接。电信号进入锁相放大器，锁相放大器的参考信号频率等于光源正弦驱动信号频率的两倍，是光源驱动正弦信号发生器经过倍频后的信号；锁相放大器在电子行业里普遍使用，功能是将信号中符合参考信号频率的信号提取，其他成分滤除，因此锁相放大器输出的信号是二次谐波分量信号，直接体现了气体的吸收强弱，计算机通过A/D数据采集卡采集这个信号进行反演，计算出气体浓度值，实现了气体检测。