CN219391803U - 一种基于垂直腔面发射激光器的甲烷气体遥测仪 - Google Patents
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Abstract
一种基于垂直腔面发射激光器的甲烷气体遥测仪，包括激光器(6)、激光驱动模块(7)、激光扩束准直器(2)、漫反射面(10)、卡塞‑格林光学***(1)、光电探测器(3)、跨阻放大模块(4)、数据采集卡(5)、微型控制器(8)、声光报警器(9)，所述激光驱动模块(7)输出端与激光器(6)连接，所述激光器(6)与激光扩束准直器(2)通过多模光纤连接，所述光电探测器(3)输入端与卡塞‑格林光学***(1)输出端连接，所述跨阻放大模块(4)输入端与光电探测器(3)输出端连接，所述数据采集卡(5)连接跨阻放大模块(4)输出端，所述微型控制器(8)分别连接数据采集卡(5)输出端和声光报警器(9)。
Description
技术领域
本实用新型涉及气体检测报警技术领域，具体为一种基于垂直腔面发射激光器的甲烷气体遥测仪。
背景技术
近年来，重大、特大瓦斯事故在燃气生产输送事故中所占比例越来越高，避免瓦斯***事故的一个重要措施就是对气体准确检测并预警，提前掌握气体浓度变化情况，一旦出现异常，及时采取相应措施，保障人身财产安全。
瓦斯是对各种有害气体的总称，其主要成分是甲烷(CH4)，二氧化碳(CO2)，一氧化碳(CO)等。在这些有毒有害气体中，甲烷的含量占据80％以上，同时甲烷是一种无色、无味、无臭的气体，当甲烷气体在空气中浓度增大时，会导致空气中的氧气含量相对降低，从而使人窒息；当空气中甲烷气体含量达到40％以上时，会使人立刻死亡；当空气中甲烷气体浓度达到5％-16％时，易发生***导致灾害发生。
为防止甲烷气体泄漏发生***事故，目前气体检测装置多采用DFB激光器对甲烷气体进行检测监控，但DFB激光器存在扫描范围不够，扫描频率过低，覆盖不了多吸收峰的问题，影响气体检测结果的准确性，存在一定的事故风险。
实用新型内容
为解决上述的问题，本实用新型提供了一种基于垂直腔面发射激光器的甲烷气体遥测仪。
本实用新型技术方案如下：
一种基于垂直腔面发射激光器的甲烷气体遥测仪，其特征在于，包括激光器、激光驱动模块、激光扩束准直器、漫反射面、卡塞-格林光学***、光电探测器、跨阻放大模块、数据采集卡、微型控制器、声光报警器，所述激光驱动模块输出端与激光器连接，所述激光器与激光扩束准直器通过多模光纤连接，所述光电探测器输入端与卡塞-格林光学***输出端连接，所述跨阻放大模块输入端与光电探测器输出端连接，所述数据采集卡连接跨阻放大模块输出端，所述工控机分别连接数据采集卡输出端和声光报警器。
所述激光扩束准直器输出红外准直激光入射到漫反射面上，并将入射光线向不同的方向无规则地反射。
所述激光驱动模块包括函数发生电路、滤波电路、恒流驱动电路和调制电压输出电路，所述函数发生电路输出端与滤波电路输入端连接，所述滤波电路输出端与恒流驱动电路输入端连接，所述恒流驱动电路和调制电压输出电路电连接；函数发生电路产生所需频率的波形输出信号，滤波电路对波形输出信号滤除噪音产生调制锯齿波，恒流驱动电路产生恒定电流加载至激光器使其发光，调制电压输出电路对激光器内部的压电陶瓷施加调制电压改变激光器内部腔长，从而改变出射波长。
所述光电探测器放置于卡塞-格林光学***的焦点处，所述光电探测器和卡塞-格林光学***之间连接有滤光片。
在具体实施例中，所述滤光片的中心波长为1647.5nm，带宽为50nm。
所述跨阻放大模块包括跨阻放大电路和反向放大电路，所述跨阻放大电路输出端连接反向放大电路输入端，所述反向放大电路输出端与数据采集卡输入端连接。跨阻放大模块能够使输出信号保持稳定，同时对信号进行放大处理。
优选的，所述数据采集卡采用型号为PXI230716路光电隔离数字采集卡。
优选的，所述激光器是T0封装的VCSEL激光器。
优选的，所述光电探测器型号为TIA-525I，对红外光响应速度快，灵敏度高，且增益较为平坦。
优选的，所述微型控制器采用STM32L芯片。
有益效果：本实用新型通过采用VCSEL激光器提高带宽扫描范围，能够覆盖多个气体吸收峰，并利用激光扩束准直器对输入光束的直径进行扩展，减小光束的发散角，降低散射光对准直输出光束的影响，同时漫反射面可以较大范围的对气体进行检测，采用卡塞-格林光学***收集携带气体吸收信息的透射光，可以防止因激光光路不规则性的影响，有效提高遥测仪对于随机噪声的抗干扰能力，并且微型处理器根据检测结果控制声光报警器，保证了甲烷遥测报警***的响应速度和准确性。
附图说明
图1为一种基于垂直腔面发射激光器的甲烷气体遥测仪的结构示意图；
图2为激光驱动模块电路示意图；
图中各附图标记所代表的组件为：
1、卡塞-格林光学***；2、激光扩束准直器；3、光电探测器；4、跨阻放大模块；5、数据采集卡；6、激光器；7、激光驱动模块；8、微型控制器；9、声光报警器；10、漫反射面。
具体实施方式
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。
实施例
参见图1所示，一种基于垂直腔面发射激光器6的甲烷气体遥测仪，其特征在于，包括激光器6、激光驱动模块7、激光扩束准直器2、漫反射面10、卡塞-格林光学***1、光电探测器3、跨阻放大模块4、数据采集卡5、微型控制器8、声光报警器9，所述激光驱动模块7输出端与激光器6连接，所述激光器6与激光扩束准直器2通过多模光纤连接，所述光电探测器3输入端与卡塞-格林光学***1输出端连接，所述跨阻放大模块4输入端与光电探测器3输出端连接，所述数据采集卡5连接跨阻放大模块4输出端，所述工控机分别连接数据采集卡5输出端和声光报警器9。
所述激光驱动模块7包括函数发生电路、滤波电路、恒流驱动电路和调制电压输出电路，所述函数发生电路输出端与滤波电路输入端连接，所述滤波电路输出端与恒流驱动电路输入端连接，所述恒流驱动电路和调制电压输出电路电连接；函数发生电路产生所需频率的波形输出信号，滤波电路对波形输出信号滤除噪音产生调制锯齿波，恒流驱动电路产生恒定电流加载至激光器6使其发光，调制电压输出电路对激光器6内部的压电陶瓷施加调制电压改变激光器6内部腔长，从而改变出射波长。
所述激光器6是T0封装的VCSEL激光器。VCSEL激光器6通过对功率调制阴极引脚加载恒定电流产生出射光；通过对波长调制阴极引脚加载调制电压产生所需的出射波长。
所述激光扩束准直器2输出红外准直激光入射到漫反射面10上，并将入射光线向不同的方向无规则的反射，更有效携带气体吸收信息。
所述光电探测器3放置于卡塞-格林光学***1的焦点处，所述光电探测器3和卡塞-格林光学***1之间连接有滤光片，所述滤光片的中心波长为1647.5nm，带宽为50nm，用于吸收除红外波长的其它任意波长，保证光电探测器检测信号的准确度，防止检测信号出现检测误差。
所述光电探测器3型号为TIA-525I，对红外光响应速度快，灵敏度高，且增益较为平坦。
所述跨阻放大模块4包括跨阻放大电路和反向放大电路，所述跨阻放大电路输出端连接反向放大电路输入端，所述反向放大电路输出端与数据采集卡输入端连接。跨阻放大模块能够使输出信号保持稳定，同时对信号进行放大处理。
所述微型控制器8(MicrocontrollerUnit，简称MCU)采用低功耗的STM32L芯片。MCU接收数据采集卡5的信息数据，经过解调算法得到待测气体浓度，当气体浓度达到预设预警临界值时，控制声光报警器9进行报警。
进一步的，所述数据采集卡5采用型号为PXI230716路光电隔离数字采集卡，能够精准采集跨阻放大模块4输出端的电信号，并将采集信号传输给MCU。
为了更好的理解本实用新型，下面对本实用新型的工作原理作一次完整地描述：
通过预设甲烷气体吸收谱线的波长，激光驱动模块7函数发生电路加载频率为5hz，幅值适中的调制锯齿波，采用25mA的恒定电流和-5V～-17V的调制电压驱动激光器6，驱动VCSEL激光器6产生覆盖多个甲烷吸收峰的出射光，激光扩束准直器2将红外线激光准直入射至漫反射面10上，漫反射面10与卡塞-格林光学***1之间具有开放性空间光路，能够容纳检测气体，激光经过漫反射面反射后透过甲烷气体被卡塞-格林***1收集到收光面上，并聚焦到光电探测器3的光敏面上，同时滤光片吸收除红外波长的其它任意波长，光电探测器3接收到带有气体吸收信息的透射光，并将光信号转换成电信号，并经跨阻放大模块4将接收的电信号进行一定强度的低噪放大，再将信号传输至数据采集卡5，数据采集卡5将采集的数据信号传输至MCU进行处理解析，进一步得到甲烷气体浓度，当气体浓度达到预设预警临界值时，控制声光报警器9进行报警。
Claims (9)
1.一种基于垂直腔面发射激光器的甲烷气体遥测仪，其特征在于，包括激光器(6)、激光驱动模块(7)、激光扩束准直器(2)、漫反射面(10)、卡塞-格林光学***(1)、光电探测器(3)、跨阻放大模块(4)、数据采集卡(5)、微型控制器(8)、声光报警器(9)，所述激光驱动模块(7)输出端与激光器(6)连接，所述激光器(6)与激光扩束准直器(2)通过多模光纤连接，所述光电探测器(3)输入端与卡塞-格林光学***(1)输出端连接，所述跨阻放大模块(4)输入端与光电探测器(3)输出端连接，所述数据采集卡(5)连接跨阻放大模块(4)输出端，所述微型控制器(8)分别连接数据采集卡(5)输出端和声光报警器(9)；
所述激光扩束准直器(2)输出红外准直激光入射到漫反射面(10)上；
所述激光器(6)是T0封装的VCSEL激光器。
2.根据权利要求1所述的甲烷气体遥测仪，其特征在于，所述激光驱动模块(7)包括函数发生电路、滤波电路、恒流驱动电路和调制电压输出电路，所述函数发生电路输出端与滤波电路输入端连接，所述滤波电路输出端与恒流驱动电路输入端连接，所述恒流驱动电路和调制电压输出电路电连接。
3.根据权利要求1所述的甲烷气体遥测仪，其特征在于，所述光电探测器(3)放置于卡塞-格林光学***(1)的焦点处，所述光电探测器(3)和卡塞-格林光学***(1)之间连接有滤光片。
4.根据权利要求3所述的甲烷气体遥测仪，其特征在于，所述滤光片的中心波长为1647.5nm，带宽为50nm。
5.根据权利要求1所述的甲烷气体遥测仪，其特征在于，所述跨阻放大模块(4)包括跨阻放大电路和反向放大电路，所述跨阻放大电路输出端连接反向放大电路输入端，所述反向放大电路输出端与数据采集卡输入端连接。
6.根据权利要求1所述的甲烷气体遥测仪，其特征在于，所述数据采集卡(5)采用型号为PXI2307 16路光电隔离数字采集卡。
7.根据权利要求1所述的甲烷气体遥测仪，其特征在于，所述激光器(6)中心波长为1647.5nm，扫描范围为13nm。
8.根据权利要求1所述的甲烷气体遥测仪，其特征在于，所述光电探测器(3)型号为TIA-525I。
9.根据权利要求1所述的甲烷气体遥测仪，其特征在于，所述微型控制器(8)采用STM32L芯片。
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