[发明专利]一种用于甲烷探测的光谱式传感器

说明书

技术领域：

本发明属于气体检测领域，具体涉及一种用于甲烷探测的光谱式传感器。

背景技术：

在煤矿中瓦斯监测是预防瓦斯事故的重要防线和保障措施。矿井瓦斯主要是由井下煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，主要有甲烷、重烃等。对煤矿井下的甲烷气体进行安全检测是十分必要的。研制甲烷气体监测系统已成为气体检测领域的一个重要课题和研究方向。针对以往甲烷化学检测方法的缺陷，国内外都已经发展了光学检测，光谱传感器是利用吸收光谱型气体传感原理，在性能上完全不同于传统甲烷传感器。由于它具有传输功率损耗小，传输信息容量大，抗电磁干扰能力强，且耐高温、高压腐蚀、绝缘、阻燃防爆，易于实现远距离实时遥测和良好的气体选择性等优点，得到了广泛的关注。

根据比尔-朗伯特定律，出射光强I与入射光强I₀和气体体积分数之间的关系为：I(t)＝I₀(t)exp[-α(v)CL]，式中，I(t)为光通过介质吸收后的透射光强，I₀(t)为入射到介质的光强，α(v)为气体吸收系数，C是介质的浓度，L是吸收路径的长度。光源为LD(半导体激光)光源，LD的光谱覆盖了瓦斯气体的吸收谱线，光通过气体后发生了谱线吸收。当气体浓度很小时，气体的吸收峰也很小，输出光强的变化也很小，根本无法检测出来，测量精度很低。若采用直流调制的激光光源，由于激光光源谱宽较窄(小于0.5nm)，测量精度有所提高。当气体浓度很小时，吸收峰变化也很小，测量效果仍然比较差。只有对光源进行交流调制，采用谐波检测技术，才能大幅度提高测量精度。如果光源谱分布宽度远远小于气体吸收线带宽，可以近似认为光源发出的是理想的单色光，通过对光源的注入电流进行正弦波调制，光源频率和输出光强也受到相应的调制。一次谐波分量主要是由强度调制引起的，幅度正比于光源的平均功率，和气体浓度没有关系，而二次谐波信号与气体的浓度和初始光强有光，检测二次谐波信号可以获得气体浓度信息。

发明内容：

为了解决现有甲烷检测技术中的不足，本发明提供了一种用于甲烷检测的光谱式传感器，其精度高、可靠性好，并且可以通过历史数据和井下甲烷浓度的分布，对瓦斯事故和瓦斯突发进行预报和报警。

本发明采用分布反馈式激光器作为光源，通过光纤传感甲烷信号，利用二次调谐技术，从气室出来的光包含了气体的浓度信息，经过光电二极管转换成电信号，光电转换后的电信号经过前置放大，最后通过数据采集进入计算机，在计算机中完成信号处理和结果显示。

系统采用1650nm波段的DFB LD(分布式反馈半导体激光器)作为光源，包括二极管激光器的温度控制系统和电流控制系统、光学系统、探测器、锁相放大器及其数据采集系统。

对于甲烷气体的探测，采用甲烷2v3带(R3)线的吸收对甲烷气体浓度进行探测。采用波长调制，利用二次谐波(2f)探测，来提高系统的探测灵敏度。谐波信号与吸收气体浓度N成正比，通过检测谐波信号可以得到气体浓度。

进行2f检测时，二极管激光器发出的光经过样品池，经角反射镜入射到探测器，探测器的信号进入锁相放大器，其输出的2f信号被采集到计算机。信号发生器同时产生锯齿波扫描信号与正弦波调制信号，通过激光器电流控制器对激光发射的光的波长进行调制，当进行直接吸收探测时，激光发射器的波长只被锯齿波扫描，而不被正弦波调制，探测器的信号不经过锁相放大器而直接送入计算机。

附图说明：

图1是本发明探测系统的总体框架图；

图2是本发明一个实施例的结构示意图。

图中1.信号发生器，2.激光器电流和温度控制，3.DFB LD激光器，4.吸收池，5.探测器，6.锁相放大器，7.计算机，8.外壳，9.进气口，10.气室，11.二极管激光器，12.反射镜，13.光电二极管，14.集成电路，15.无线天线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，整个系统包括信号发生器(1)，激光器电流和温度控制(2)，DFB LD激光器(3)，吸收池(4)，探测器(5)，锁相放大器(6)，计算机(7)。信号发生器(1)产生锯齿波扫描信号和正弦波调制信号，激光器电流和温度控制(2)对DFB LD激光器(3)的状态进行调制，DFB LD激光器(3)即分布反馈式激光器，吸收池(4)中为待测气体甲烷，探测器(5)将透射过来的光信号转换为电信号，锁相放大器(6)对探测器(5)传输过来的电信号进行放大，然后传输给计算机(7)进行处理。