[发明专利]多光纤通道激光红外气体传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种红外气体传感器，具体涉及一种多光纤通道的激光红外气体传感器。

背景技术

在石化行业、矿产开发中往往存在一氧化碳、烷类、烯类和炔类等易燃气体以及苯、醛、酮等有机蒸汽，它们易燃易爆，对生产安全和环境保护都造成巨大威胁，须对其进行严密、实时的监控。检测可燃性气体的传感器主要有催化燃烧和红外吸收式两种类型。催化燃烧式传感器设计与制造相对容易，价格较低。但它有以下严重缺陷：反应需要有氧气参加，即被检测环境中的氧气含量不能太低，当氧气含量低于16％时它的检测值就会偏低；环境中存在含硅、氯、硫等的化合物时，传感器会发生中毒现象，灵敏度严重降低甚至完全失效；只能检测低可燃气浓度，气体浓度过高或长时间接触低浓度气体都会造成传感器的灵敏度大幅度下降或损坏；探测速度较慢，延时明显；稳定性差，每隔几个月就需要重新校正。在石化这种安全要求极高的行业，这些缺陷将带来严重的隐患。与催化燃烧式传感器相比，红外吸收式具有选择性好、测量范围宽、不中毒、不依赖于氧气、寿命长等显著优点，是高性能气体传感器的主流发展方向。

在红外吸收气体传感器的家族中，性能最卓越的是激光红外气体传感器。该技术利用半导体激光器作为红外光源，利用高性能的红外探测器进行信号探测。它具备传统红外吸收气体传感器的一切优点，同时也具备一系列独特的优势，包括测量灵敏度高、覆盖气体种类多、响应时间快、轻便小巧等。但是一般激光红外气体传感器并不适合用以可燃气体监测，其原因在于，其所用红外光源为量子级联激光器，工作电流很大，发热很强，需要利用半导体热电制冷器来制冷和稳定温度，万一制冷器失灵或传感器排热不及时，可能引燃易燃易爆气体，导致灾难性后果发生。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种多光纤通道激光红外气体传感器，气体传感器的红外激光器、探测器、人机界面和气体吸收部分分离，中间由光纤连接。利用光纤将激光器所发出的红外激光传送至待测点，光纤发射头所发出的红外激光经待测气体吸收之后由另外一束光纤收集，并且传回红外探测器，随后由信号采集和处理系统进行处理，最终获取待测气体的种类和浓度信息。

为了解决以上技术问题，本发明提供了一种多光纤通道激光红外气体传感器，包括：

一个电路和人机交换模块，用于电源管理，系统控制，信号的锁相放大、采集、储存、分析与读取，及人机交互；

至少一个半导体热电制冷器，与所述电路和人机交换模块连接，用于实现温度控制；

一个激光器，固定在所述半导体热电制冷器上并与所述电路和人机交换模块连接，用于发射红外激光；

至少一个红外探测器，固定在所述半导体热电制冷器上并与所述电路和人机交换模块连接，用于接收红外激光；

光纤探头，通过光纤与所述激光器和所述红外探测器连接，用于探测多个气体待测点。

本发明具有以下优点：

1.发明的光纤探头激光红外气体传感器利用光纤将激光器所发出的红外激光传送至气体测量点，光纤发射头所发出的红外激光经待测气体吸收之后由另外一束光纤收集，并且传回至红外探测器。这一措施有两个好处：一、可以探测远处或者角落的气体，例如矿井深处；二、气体传感器的激光器和电路部分远离所探测的气体，在探测易燃易爆气体时，不会因为激光器的发热或者电路中的电火花而引燃引爆气体。

2.本发明的光纤探头激光红外气体传感器可同时连接多个光纤探头，同时探测多个气体测量点，提高了集成度，降低了成本。激光红外气体传感器的关键部分是量子级联激光器，其价格很高，目前可调谐量子级联激光器的单价为1万美元左右。在我们的发明中，多个气体测量通道共享同一个量子级联激光器，及控制、信号采集、人机交互等部分，每一个气体测量通道的成本因此大大降低。

3.本发明的光纤探头激光红外气体传感器工作波段为中红外波段(3至12微米)，在这一波长区域内，绝大多数非极性分子分子都有着特征性吸收峰，属于本征吸收，其吸收强大远高于近红外波段，探测灵敏度高，可辨识性好。

4.室温下工作。通常的高性能红外吸收型气体传感设备都需要利用液氮制冷，致使设备昂贵笨重，操作不便。我们的产品所用光源为量子级联激光器，光强很高，而所用探测器在室温下就具备很高的吸收系数，故而系统在室温下就可以正常工作，无需液氮制冷。