[发明专利]一种温控半导体激光波长扫描光纤测量煤矿瓦斯方法

说明书

技术领域

    本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种煤矿瓦斯测量方法。

背景技术

    瓦斯是一种无色、无味、易燃、易爆的气体，它的主要成分是甲烷。瓦斯爆炸需要同时满足一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气等三个条件，瓦斯的爆炸界限是5％～16％。在我国，因瓦斯爆炸而引起的事故给人民的生命安全造成了巨大的损害，因此减少或避免瓦斯爆炸事故成为一项迫切的任务。准确、快速、实时地对瓦斯气体的浓度进行监测和预警，对煤矿的安全生产、人身安全以及环境保护有着重要的作用。

    目前，用于监测瓦斯气体浓度的方法有多种，主要包括光学法、电化学法、半导体法、接触燃烧法等。光纤传感器具有稳定可靠、抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、防爆、可远距离长期在线测量、传感单元结构简单、易于组成光纤传感网络等特点，适宜恶劣危险环境下的瓦斯浓度的测量。光纤传感瓦斯测量方法根据检测原理还可分为差分吸收和谐波检测等方式。相比之下，差分吸收具有结构简单、使用方便和可靠性高等优势，因此受到广泛重视。

    对此，中国科学院上海光学精密机械研究所赵浩等提出了专利差分吸收式光纤甲烷气体传感器（申请号：200310108619.6），给出了一种用同一个宽带光源并采用光纤光栅作为滤波器得到窄带光信号，进而对甲烷进行检测的传感器。因此具有结构简单、成本低以及消除背景噪声的干扰等优点，但是其精度不高。

    山东省科学院激光研究所刘统玉等提出了专利矿用光纤瓦斯监测转换装置（申请号：200910020240.7），给出了一种采用周期性改变半导体分布式反馈（DFB）激光器的注入电流同时控制其温度在一个恒定值的办法调制激光器波长，进而实现瓦斯气体监测转换装置的方案。这种检测方式提高了测量精度和稳定性，但是DFB激光器输出的光强会随着注入电流的改变而变化，对后端数据的测量及其处理等带来不便。

    安徽中科瀚海光电技术发展有限公司陈玖英等提出了专利分布式激光甲烷监测系统（申请号：201120284513.1），给出了一种依托可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术，利用光缆将DFB激光器发出的激光传输到位于井下的激光甲烷传感器进而对信号进行采集、分析、处理、监测的系统。TDLAS技术同样是利用可调谐半导体激光器输出波长随注入电流的改变而改变的特性。

中国科学院安徽光学精密机械研究所何莹等提出了专利一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法（申请号：200810100549.2），给出了一种利用谐波检测的方式对瓦斯进行监测的方法。其采用中心波长为1653nm的近红外半导体DFB激光器作为检测光源，并将信号发生电路产生的50Hz的锯齿波信号和5KHz的正弦波信号同时叠加在激光器的驱动电流上，对激光器的输出波长进行调制，最终实现了对瓦斯的实时监测。但这种方法结构复杂，对电路及整个系统的设计提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的是通过一种温控半导体激光波长扫描光纤测量煤矿瓦斯方法以弥补现有技术之不足，本方法是用恒流源驱动半导体DFB激光器，并利用温度扫描电路控制激光器输出扫描的波长。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种温控半导体激光波长扫描光纤测量煤矿瓦斯方法，其特征是：

a． 恒流源驱动DFB激光器，使半导体DFB激光器输出功率恒定；

b．利用温度扫描电路控制半导体DFB激光器的输出波长，使输出波长的波动范围在5nm范围内；

c． 半导体DEF激光器输出的光进入光纤环形器的输入端后经输出端进入气室后，再从气室返回，最后从光纤环形器反射端输出到光电探测器；在此步骤中，从气室返回的光中就带有气室内瓦斯气体浓度信息；

d．光电探测器将带有气室内瓦斯气体浓度信息的光信号转化为电信号，再由A/D采集卡将电信号采集，通过信号处理系统计算出瓦斯的浓度。

所述的半导体DFB激光器中心波长为1653nm，通过温度扫描电路控制的输出波长为从1651nm扫描到1656nm。

所述的恒流源的恒定电流为80mA，半导体DFB激光器输出功率恒定为5mW。