CN2632670Y - 激光遥感瓦斯探测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为激光遥感瓦斯探测器，包含壳体和内部电路，在壳体的前端面上固定有其中心开有光孔的透镜，在壳体内透镜的焦距处固定有光电探测器，在内部电路中包含一个二极管激光发射模块、正弦调制信号发生电路模块、两个相敏检测电路模块，两个相敏检测电路模块的输出端与以微处理器CPU为核心的信号处理、显示电路相连并受该信号处理、显示电路的控制。本实用新型与现有的瓦斯探测装置相比，主要特点是实现了遥感探测，且具有灵敏度高、实时性好、不会产生传感元件的“中毒”现象。同时，由于使用单一的激光源实现对瓦斯气体的遥感探测，优化了探测器的结构，降低了成本，使光学遥感探测瓦斯技术达到了实用的程度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种遥感探测气体浓度的装置，具体为激光遥感瓦斯探测器。
背景技术
目前，用于探测瓦斯的装置或设备主要有：
电化学法探测装置：输入的被检测气体由检测电极电离，产生的离子电流正比于被探测气体浓度。电极积碳或灰尘积累对测量结果影响较大，电极寿命较短，不适合长期测量。
催化燃烧法探测装置：当被检测气体与具有一定温度的半导体气敏器件接触时，由于燃烧导致半导体气敏器件温度发生变化，这种温度变化将使半导体气敏器件电阻或电压等电参数发生变化，由此可确定被探测气体的浓度。主要缺点是易“中毒”，响应慢，选择性不好等。
以上两种装置均不能进行遥感检测。
现有的利用光学方法进行瓦斯遥感检测的装置，都采用双激光源产生双波长探测光，并使用机械斩波器进行斩波处理。由于采用双激光源和机械斩波器，使装置结构复杂，成本昂贵。
发明内容
本实用新型解决现有瓦斯探测装置存在的缺陷和不足，特别是解决现有的激光遥感瓦斯探测装置必须采用双激光源作用探测光以及使用机械斩波器所带来的装置结构复杂，成本昂贵的问题，提供一种以单激光源作用探测光的遥感瓦斯探测装置——激光遥感瓦斯探测器，并只以提供该装置的硬件结构为目的。
本实用新型所述的激光遥感瓦斯探测器是基于如下的探测原理：用一确定频率的正弦信号去调制具有被探测气体吸收峰的中心频率的二极管激光器发出的激光作为探测光，该探测光穿过被探测区域后被角反射器或墙面等自然靶材料反(散)射，其反(散)射光被接收装置接收并聚焦于一光电探测器上进行光电信号转换，转换来的电信号由两个相敏检测器分别进行一次谐波信号和二次谐波信号的检测，其中相敏检测器的参考信号频率与正弦调制信号的频率一致，被探测区域的气体路径-积分浓度(路径-积分浓度即CR值除以探测距离或光程R得到气体的平均浓度)将由下式确定：CR＝K(P2f/P1f)，这里P2f、P1f是两个相敏检测器分别检测到的激光回波的一次和二次谐波的功率，K由定标校准实验确定。
基于上述原理，本实用新型是采用如下技术方案实现的：激光遥感瓦斯探测器，包含壳体和内部电路，在壳体的前端面上固定有其中心开有光孔的透镜，在壳体内透镜的焦距处固定有光电探测器，在内部电路中包含一个二极管激光发射模块，二极管激光发射模块的激光发射出口与传导光纤相连，传导光纤的另一端置于透镜中心的光孔内，在内部电路中还包含正弦调制信号发生电路模块，正弦调制信号发生电路模块的信号输出端与二极管激光发射模块的调制信号输入端口相连，内部电路还包含两个相敏检测电路模块，每个相敏检测电路模块的检测信号输入端分别与光电探测器的电信号输出端相连，同时，每个相敏检测电路模块的参考频率信号的输入端分别与正弦调制信号发生模块的信号输出端相连，两个相敏检测电路模块的输出端与以微处理器CPU为核心的信号处理、显示电路相连并受该信号处理、显示电路的控制。
不同的被测气体有公知的激光吸收峰的中心频率或中心波长。下面是几种经常被探测气体的吸收峰的中心波长：甲烷1.653μm，一氧化碳1.581μm，二氧化碳1.580μm，氨气1.99μm。
从理论上讲，正弦调制信号的频率对探测气体浓度的结果不产生影响，但在某一气体吸收峰的中心频率下，二极管激光发射模块调制不同频率的正弦调制信号将影响二极管激光发射模块的发射输出功率，进而影响激光的探测距离，因此，在激光频率(通常为针对不同待测气体的吸收峰的中心频率)确定的情况下，正弦调制信号的频率应保证二极管激光发射模块所发出的激光功率最大，以保证有最大的探测距离。由于不同的二极管激光发射模块甚至同一厂家生产的同一型号的激光二极管，在调制正弦信号后其输出功率具有极大的离散性，实际操作过程中，每一个二极管激光发射模块在一定激光频率下，保证其输出功率最大所对应的正弦调制信号的频率需通过调试来确定。
本实用新型所述的激光遥感瓦斯探测器，由于其激光发射部件以及各功能电路都采用了现有的电路模块，各功能电路模块可以选用不同厂家、不同型号的产品，但各电路模块的各线端的功能是已知的，因此，各模块之间如何连接对电学领域的普通技术人员来说是已知的且无需创造性劳动。以微处理器CPU为核心的信号处理、显示电路实际上就是以CPU为核心的一个计算机硬件组合，其工作过程为适时采集两个相敏检测电路检测到的激光回波一、二次谐波的功率信号(实际上检测到的是与一、二次谐波功率相关的参数，相关参数即可计算出两谐波功率的比值)，在相应计算机软件的支持下计算出两谐波功率的比值，以此最终得到被测气体的浓度，并对浓度值加以显示。完成上述功能的计算机硬件电路在计算机技术高度发达的今天，对计算机领域的普通技术来说是无需创造性劳动即可完成的，因此，本实用新型在权利要求中对模块之间的具体连接(哪个线端连接哪个线端)以及信号处理、显示电路具体的电路连接结构未作详细描述，但在说明书附图中给出了信号处理、显示电路的具体电路原理图。
本实用新型与现有的瓦斯探测装置相比，主要特点是实现了遥感探测，且具有灵敏度高、实时性好、不会产生传感元件的“中毒”现象。同时，由于使用单一的激光源实现对瓦斯气体的遥感探测，优化了探测器的结构，降低了成本，使光学遥感探测瓦斯技术达到了实用的程度。该探测器也可用于探测危险区域或不便于安装普通探测器区域的其它有害气体浓度。
附图说明
图1为本发明所述设备的结构示意图；
图2为本发明所述设备内各电路模块间线端连接的示意图；
图3为信号处理、显示电路的具体电路原理图；
图4为与图8连接的信号处理、显示电路的另一部分；
图5为设备壳体图；
图6为设备壳体后面板结构图；
图7为设备壳体前面板结构图；
图8为本实用新型用于煤矿井下瓦斯监测示意图；
图9为本实用新型用于煤气管道泄漏探测示意图；
具体实施方式
激光遥感瓦斯探测器，包含壳体9和内部电路，在壳体9的前端面上固定有其中心开有光孔的透镜4，在壳体内透镜4的焦距处固定有光电探测器5，在内部电路中包含一个二极管激光发射模块2，二极管激光发射模块的激光发射出口与传导光纤3相连，传导光纤3的另一端置于透镜4中心的光孔内，在内部电路中还包含正弦调制信号发生电路模块1，正弦调制信号发生电路模块1的信号输出端与二极管激光发射模块2的调制信号输入端口相连，内部电路还包含两个相敏检测电路模块6、7，每个相敏检测电路模块的检测信号输入端分别与光电探测器5的电信号输出端相连，同时，每个相敏检测电路模块的参考频率信号的输入端分别与正弦调制信号发生模块1的信号输出端相连，两个相敏检测电路模块6、7的输出端与以微处理器CPU为核心的信号处理、显示电路8相连并受该信号处理、显示电路的控制。透镜选用菲涅尔透镜；在光纤伸入透镜光孔的一端上连接一个GRIN光纤准直器10，光纤准直器的一端伸入透镜光孔内，使出射光与光发射平面垂直。
光电探测器选用日本滨松公司生产的G8605-23。二极管激光发射模块选用美国Power Technology公司生产的IQ1A(1654-5)F2X46，相敏检测电路模块选用德国FEMTO公司生产的LIA-BVD-150H，此型号的相敏检测电路模块中就带有一个调制信号可选插接芯片，直接选用插接于一个相敏检测电路模块中的该可选插接芯片作为内部电路中的正弦调制信号发生电路模块(该模块为德国FEMTO公司生产的SOM-1)。二极管激光发射模块的中心波长调为1.581μm(瓦斯的吸收峰的中心波长为1.581μm)。该型号的二极管激光发射模块在此激光频率下，通过调试确定正弦调制信号的频率为10KHZ，幅度为1.2V。
选用的每一个相敏检测电路模块有32对输入、输出线端，每对中的两个线端用A、C区分，这样，每个相敏检测电路模块的32对输入、输出线端就表示为PinA1-PinA32和PinC1-PinC32，在每个线端标号的后面标注-1或-2，用以区分两个相敏检测电路模块的线端。带有调制信号可选插接芯片的相敏检测电路模块的线端PinA30、PinA17(即正弦调制信号发生电路模块1的信号输出端)与二极管激光发射模块2的调制信号输入端口相连，带有调制信号可选插接芯片的相敏检测电路模块的线端PinA30、PinA17同时与另一个相敏检测电路模块的参考频率信号输入端PinA32、PinA31相连，两个相敏检测电路模块6、7的输出端PinA12-1、PinC15-1和PinA12-2、PinC15-2与以微处理器CPU为核心的信号处理、显示电路8的相应端相连，每个相敏检测电路模块的检测信号输入端PinC2-1和PinC2-2分别与光电探测器5的电信号输出端相连。
以微处理器CPU为核心的信号处理、显示电路8包含CPU芯片(U1W78E58)、收发器(U2 74HCT245)、锁存器(U3 74HCT573)、存储器(U4 62256)、译码器(U5 74HCT138)、接口扩展芯片(U6 8255)、锁存器(U13 74HCT574)、模-数转换器(U12 ADC7874)和显示器(128X64LCD)。在CPU的P1.0-P1.5线端上分别连接有开关SW1-SW6，开关SW1-SW6置于壳体的后面板上并分别对应于自检、校准、单测、连测、地址+1、存储的功能，在CPU的RESET线端连接有包含开关SW0的开关电路，开关SW0也置于壳体的后面板上并对应于电源开关。液晶显示器的显示屏置于壳体的后面板上，以显示被测气体的浓度值。两相敏检测电路模块的的输出端PinA12-1、PinC15-1和PinA12-2、PinC15-2与模-数转换器的相应端相连；接口扩展芯片的相应线端与两个相敏检测电路模块的相应线端相连(相互对应关系在附图中有详细的显示)，用以对两个相敏检测电路模块的控制。
在调制信号的控制作用下，二极管激光模块发出调制的激光探测光，经光纤并经激光准直器从透镜的中心光孔发射出去，激光照射到探测区域，并由自然靶材料表面反射回，由接收透镜汇聚至光电转换器进行光电转换，转换后的电信号连同调制信号一同送给两个相敏检测电路模块，解调出一次谐波信号和二次谐波信号。这两个信号在根据前述探测原理所编制计算机软件的支持下，由数据处理显示电路处理后得到被探测区域的瓦斯气体平均浓度，并给予显示。
该探测器可用于煤矿井下瓦斯监测(如图8所示)；也可用于煤气管道泄漏探测(如图9所示)。
Claims (2)
1、一种激光遥感瓦斯探测器，包含壳体(9)和内部电路，在壳体(9)的前端面上固定有其中心开有光孔的透镜(4)，在壳体内透镜(4)的焦距处固定有光电探测器(5)，在内部电路中包含一个二极管激光发射模块(2)，二极管激光发射模块的激光发射出口与传导光纤(3)相连，传导光纤(3)的另一端置于透镜(4)中心的光孔内，其特征为：在内部电路中还包含正弦调制信号发生电路模块(1)，正弦调制信号发生电路模块(1)的信号输出端与二极管激光发射模块(2)的调制信号输入端口相连，内部电路还包含两个相敏检测电路模块(6)、(7)，每个相敏检测电路模块的检测信号输入端分别与光电探测器(5)的电信号输出端相连，同时，每个相敏检测电路模块的参考频率信号的输入端分别与正弦调制信号发生模块(1)的信号输出端相连，两个相敏检测电路模块(6)、(7)的输出端与以微处理器CPU为核心的信号处理、显示电路(8)相连并受该信号处理、显示电路的控制。
2、如权利要求1所述的激光遥感瓦斯探测器，其特征为：相敏检测电路模块选用德国FEMTO公司生产的LIA-BVD-150H，此型号的相敏检测电路模块中就带有一个调制信号可选插接芯片，直接选用插接于一个相敏检测电路模块中的该可选插接芯片作为内部电路中的正弦调制信号发生电路模块。
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|---|---|---|---|---|
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2003
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