基於光纖傳感器的空氣多參數檢測系統的製作方法

2023-09-25 18:43:45 1

本發明涉及一種空氣檢測技術領域，尤其是涉及一種基於光纖傳感器的空氣多參數檢測系統。

背景技術：

隨著全球經濟的迅速發展，生活環境卻不斷惡化，各種有毒、有害，以及溫室氣體的排放，導致空氣汙染、霧霾等問題，嚴重影響了人們的生活和健康。

環境汙染是世界工業不斷發展帶來的產物，也是發達國家和發展中國家所要共同面臨的問題。空氣汙染的檢測與治理更是與人類的生命健康息息相關，因而受到了廣泛的重視。

目前，國內多數易燃、易爆等石化工業場所排放的空氣中存在大量有毒、有害的，以及溫室氣體，但其依然採用傳統的催化式傳感器進行空氣檢測，催化式傳感器容易受到周圍環境影響，測量精度低，極易產生零點漂移，並且需要定時對其校準，增加維護成本的同時其檢測的數據精度較低。另外傳統的傳感器容易出現催化劑中毒現象，導致其壽命縮短。

因此，如何對空氣的環境進行檢測，尤其是對空氣中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)二氧化硫(SO2)的檢測是目前亟需解決的問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種基於光纖傳感器的空氣多參數檢測系統，能夠對空氣中的二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)二氧化硫(SO2)等有害氣體進行檢測。

為實現上述目的，本發明提出如下技術方案：一種基於光纖傳感器的空氣多參數檢測系統，包括數據處理模塊，以及與所述數據處理模塊相連接的氣體檢測模塊和顯示模塊；

所述氣體檢測模塊用於檢測待測氣體，獲得攜帶待測氣體濃度信息的數據並輸入至數據處理模塊中；

所述數據處理模塊對接收到的攜帶待測氣體濃度信息的數據處理，獲得待測氣體濃度；

所述顯示模塊對所述待測氣體濃度進行顯示。

優選地，所述氣體檢測模塊包括光源發生模塊，觀測盒模塊，以及光探測器模塊，所述光源發生模塊產生光強穩定的光，使其通過觀測盒模塊中的待測氣體，所述觀測盒模塊輸出攜帶待測氣體濃度信息的光至光探測器模塊，所述光探測器接攜帶待測氣體濃度信息的光轉換為電信號。

優選地，所述光源發生模塊包括光源驅動電路模塊、光功率穩定電路模塊，以及光源偏置電路模塊，所述光源偏置電路模塊作用於光源驅動電路模塊使其產生一定強度的光，所述光功率穩定電路模塊使所述光保持為光強穩定的光。

優選地，所述觀測盒模塊包括複數斬波器，複數濾光片，耦合器，以及待測氣體室，所述斬波器與濾光片相連接，所述濾光片與耦合器相連接，所述耦合器與待測氣體室相連接。

優選地，所述數據處理模塊包括進行數據通信的第一數據處理模塊和第二數據處理模塊，所述第一數據模塊包括相連接的前置放大器模塊、帶通濾波器模塊、鎖相放大器模塊和模數轉換模塊，所述第二數據處理模塊為微處理器控制模塊，所述前置放大器模塊與光探測器模塊相連接，模數轉換模塊與微處理器控制模塊相連接。

優選地，所述系統還包括電源模塊，所述電源模塊為數據處理模塊，氣體檢測模塊和顯示模塊相連接提供電源。

優選地，所述電源模塊包括電源管理電路模塊，太陽能電池組，以及太陽能板，所述太陽能板將太陽能轉換為電能儲存在太陽能電池組中，所述電源管理電路模塊進行電壓轉換、電路保護。

優選地，所述系統還包括GPRS通信模塊，所述GPRS通信模塊與所述微處理器控制模塊相通信，所述微處理器控制模塊將待測氣體濃度通過GPRS通信模塊發送至遠程監測中心。

本發明的有益效果是：

本發明所述的基於光纖傳感器的空氣多參數檢測系統，通過查詢不同氣體的光譜吸收峰，進而改變氣體檢測模塊中光的中心波長來測量不同氣體的濃度，具有靈敏度高，響應速度塊、穩定性好、抗電磁幹擾能力強的優點，有效的減少成本。

附圖說明

圖1是本發明的空氣多參數檢測系統結構框圖；

圖2是本發明的光源發生模塊結構框圖；

圖3是本發明的光源驅動電路模塊電路圖；

圖4是本發明的光功率穩定電路模塊電路圖；

圖5是本發明的觀測盒模塊結構框圖；

圖6是本發明的氣體濃度檢測及處理流程圖；

圖7是本發明的GPRS通信模塊的數據傳輸流程圖。

具體實施方式

下面將結合本發明的附圖，對本發明實施例的技術方案進行清楚、完整的描述。

本發明所揭示的一種基於光纖傳感器的空氣多參數檢測系統，能夠測量不同的氣體的濃度，如二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)二氧化硫(SO2)等，應用於煤炭、石油化工等工業場所。

如圖1所示，一種基於光纖傳感器的空氣多參數檢測系統，包括數據處理模塊，以及與所述數據處理模塊相連接的氣體檢測模塊和顯示模塊；

所述氣體檢測模塊用於檢測待測氣體，將獲得的攜帶待測氣體濃度信息的數據輸入至數據處理模塊，所述數據處理模塊對接收到攜帶待測氣體濃度信息的數據進一步處理，獲得待測氣體的濃度信息，將所述待測氣體的濃度信息在顯示模塊中進行顯示。

具體的，所述氣體檢測模塊通過利用光強穩定的光束來對被測氣體進行濃度測量，通過改變所述光束的中心波長，能夠測量空氣中不同的氣體，如二氧化碳、甲烷、二氧化氮等氣體。

進一步地，所述氣體檢測模塊包括光源發生模塊，觀測盒模塊，以及光探測器模塊，所述光源發生模塊與觀測盒模塊相連接，所述觀測盒模塊中放置待測氣體，所述光源發生模塊產生光強穩定的光束，記為第一光束，並將所述第一光束輸入至所述觀測盒模塊中，由於待測氣體對所述第一光束進行部分吸收，所述觀測盒模塊輸出被待測氣體吸收的光束，記為第二光束，所述第二光束攜帶有待測氣體濃度信息；所述觀測盒模塊與光探測器模塊相連接，從觀測盒模塊中輸出的第二光束進一步被光探測器模塊接收，所述光探測器模塊根據接收到的第二光束進行光電轉換，產生電信號，所述電信號即為攜帶待測氣體濃度信息的數據，光探測器模塊將電信號輸入至數據處理模塊中進一步處理。

本實施例中，所述光源發生模塊產生的光束覆蓋待測氣體的吸收光譜，光源發生模塊產生光強穩定的光束通過待測氣體後，光束中波長與待測氣體的吸收波長相吻合的光會產生共振吸收，導致光的強度會產生衰減，所述光束的強度衰減和待測氣體的濃度，以及光在待測氣體中經過的路程有關，符合比爾-朗伯定律，通過測量待測氣體後光強度的衰減，能夠獲得被測氣體的濃度。

進一步地，結合圖2、圖3、圖4所示，所述光源發生模塊包括光源驅動電路模塊，以及與所述光源驅動電路模塊相連接的光功率穩定電路模塊和光源偏置電路模塊，所述光源偏置電路模塊作用於光源驅動電路模塊使其產生一定強度的光，所述光功率穩定電路模塊使所述光保持為光強穩定的光。

如3圖所示，光源驅動電路模塊的電路圖，輸入信號電壓Vc、輸入信號電壓Vdc和輸入信號電壓Vac分別經過一個10KΩ電阻加到運算放大器A1的反相輸入端和地之間，運算放大器A1的輸出電壓端通過一10KΩ電阻反饋到其反相輸入端，運算放大器A1的正相端通過一2.5KΩ電阻接地，運算放大器A1的輸出電壓端與運算放大器A2的正相端相連接，且運算放大器A2正相端通過一100KΩ電阻接地，運算放大器A2的輸出電壓端通過一100Ω電阻與三級管的基極相連接，所述三極體的集電極與雷射二極體相連接；Vdc作為光源的直流偏置輸入電壓信號，而Vac則是交流調製輸入電壓信號，Vdc和Vac經運算放大器A1疊加並經運算放大器A2放大後驅動三極體給發光二極體提供電流。

本實施例中，為了保證運算放大器A1在出現故障時能正常運作，在運算放大器A1的輸出電壓端和運算放大器A2的正相輸入端設置一個10KΩ偏置電阻，進一步地，為了保護雷射二極體，在其兩端並聯兩個二極體，由於雷射二極體的電壓比二極體的穿電壓高，所以不會被擊穿，能較好的保護光源。

如圖4所示，光功率穩定電路包括反相積分器A，以及與反相積分器相連接的低通濾波器、二極體，所述光功率穩定電路用於穩定光源驅動電路產生的光源的光功率，參考光信號經過光電轉換為電壓信號Vrs，Vrs通過低通濾波器和電阻加在反相積分器的正相輸入端，輸出電壓為Vc。當光功率增大時Vrs減小，電壓信號Vrs經過低通濾波器後也隨著光功率增大而減小，使得光源的光功率減小，通過反向積分器A後隨光功率增大而增大，從而使光源驅動電路中三級管的基極電壓減小，使得光源的光功率減小，進而穩定光源。本實施例中，為了使光功率穩定電路調節範圍在±0.7V之間，在電路中增加兩個限幅的二極體。

如圖5所示，所述觀測盒模塊包括複數斬波器，複數濾光片，耦合器，以及待測氣體室，所述斬波器與濾光片相連接，所述濾光片與耦合器相連接，所述耦合器與待測氣體室相連接。光源驅動電路模塊產生的光束經過斬波器後，得到波長鄰近的兩束光，即波長為λ1的第三光束和波長為λ2的第四光束。本實施例中，第三光束經過被測氣體後光的強度發生改變，第四光束經過被測氣體後光的強度不發生改變，所述第四光束作為參考並且第三光束和第四光束同時避開其他氣體分子的吸收，如在測量CO2的濃度時，要避開其他氣體(C2H2，NH3等)的吸收。由於斬波器、耦合器等光電器件產生的零點漂移相同，因此兩路光信號的比值只和被測氣體濃度有關，光源和光電器件產生的影響可以忽略不計。通過觀測盒模塊的氣體被光探測器接收，轉換為電信號。

結合圖1所示，所述數據處理模塊包括相連接的第一數據處理模塊和第二數據處理模塊，所述第一數據模塊包括相連接的前置放大器模塊、帶通濾波器模塊、鎖相放大器模塊和模數轉換模塊，所述第二數據處理模塊為微處理器控制模塊，所述前置放大器模塊與光探測器模塊相連接，模數轉換模塊與微處理器控制模塊相連接，具體的，光探測器模塊轉換後的電信號經過前置放大電路模塊進行放大，帶通濾波器進行濾波，鎖相放大器進行再次放大，最後通過模數轉換模塊轉換為數字電信號，所述數字電信號經過微處理器控制模塊進一步處理得到被測氣體的濃度，通過驅動顯示模塊進行顯示，優選地，所述微處理器控制模塊選自型號為STM32F103ZET6的微處理器，所述STM32F103ZET6微處理器包括3通道12位A/D轉換器，無需另外使用A/D轉換晶片，有效降低成本。

所述系統還包括電源模塊，所述電源模塊與數據處理模塊，氣體檢測模塊和顯示模塊相連接，為其提供電源。所述電源模塊包括電源管理電路模塊，太陽能電池組，以及太陽能板，所述太陽能板與所述太陽能電池組相連接，將太陽能轉換為電能儲存在太陽能電池中，所述電源管理電路模塊進行電壓轉換、電路保護。

所述系統還包括GPRS通信模塊和存儲模塊，通過GPRS通信模塊能夠將信息發送至遠程終端，進行遠程監測，所述存儲模塊用於存儲被測氣體濃度信息。

如圖6所示，氣體濃度檢測及處理流程圖，首先，初始化基於光纖傳感器的空氣多參數檢測系統，系統自檢並判斷是否有外部中斷，若有則處理外部中斷，處理後再次判斷是否存在中斷，否則，進一步判斷是否進行氣體濃度檢測，氣體檢測模塊對待測氣體進行檢測，氣體檢測模塊用於檢測待測氣體，將獲得的攜帶待測氣體濃度信息的數據輸入至數據處理模塊，所述數據處理模塊對接收到攜帶待測氣體濃度信息的數據進一步處理，獲得待測氣體的濃度信息，最終發送至GPRS通信模塊發送至遠程監測中心，優選地，如濃度超過設定閥值還將發出報警信息通過GPRS通信模塊發送至遠程監測中心。

如圖7所示，GPRS通信模塊的數據傳輸流程圖，GPRS傳輸模塊負責傳輸數據到遠程監測中心，具體的，當系統啟動後，首先對各個模塊進行初始化，啟動定時器，設定氣體檢測和傳輸的時間間隔，將GPRS模塊接入移動公司的網路，與遠程監測中心的伺服器進行連接，將檢測到的濃度數據保存，打包成數據包，當到達設定的時間就向檢測中心發送數據。

本發明所述的基於光纖傳感器的空氣多參數檢測系統，解決了傳統傳感器出現催化劑中毒現象和使用壽命較短的問題，具有靈敏度高，響應速度塊、穩定性好、抗電磁幹擾能力強的優點，同時，通過查詢不同氣體的光譜吸收峰，進而改變氣體檢測模塊中光的中心波長來測量不同氣體的濃度，進一步減少成本。

本發明的技術內容及技術特徵已揭示如上，然而熟悉本領域的技術人員仍可能基於本發明的教示及揭示而作種種不背離本發明精神的替換及修飾，因此，本發明保護範圍應不限於實施例所揭示的內容，而應包括各種不背離本發明的替換及修飾，並為本專利申請權利要求所涵蓋。