全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法及裝置製造方法
2023-06-16 11:54:21 1
全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法及裝置製造方法
【專利摘要】全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法，包括：1）雷射器由恆流源驅動，周期間斷性的高頻正弦波信號A和低頻鋸齒波信號B疊加後驅動雷射器；2）雷射器輸出的光信號送入傳感氣室後經光電探測器轉換為電信號；3）將電信號分為兩路進行處理：一路依次經放大、低通濾波處理後，通過A/D轉換直接採樣分析處理；另一路經鎖相放大處理後，通過A/D轉換採樣分析處理。全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置，包括雷射器、恆流源、微處理器、信號發生電路、驅動電路、傳感氣室、光電探測器、鎖相放大器和高濃度檢測模塊。本發明能夠克服現有光譜吸收式瓦斯檢測中靈敏度和檢測範圍的相互制約，實現全量程的高靈敏度瓦斯氣體濃度檢測，對煤礦的安全監測具有重要意義。
【專利說明】全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬於檢測領域中氣體濃度的檢測，具體地指一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法及裝置。
【背景技術】
[0002]隨著工業的發展，煤炭成為了必不可少的能源，但同時煤礦事故也不斷發生。瓦斯爆炸事故作為煤礦安全生產的重要威脅之一，近年來頻繁發生，因此，實時、準確地檢測瓦斯氣體濃度對煤礦安全生產和人民生命財產安全有著重要的社會和經濟意義。
[0003]礦井瓦斯主要是煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體，容易引發爆炸和人員窒息死亡等事故。國外對高瓦斯礦井一般採取關停措施，而我國由於對煤炭依賴嚴重，在煤礦管理上尚有許多不完善之處，許多高瓦斯礦井仍用於煤炭開採。現有的瓦斯濃度檢測手段中，普遍採用的是基於熱催化原理的瓦斯傳感器，然而該傳感器存在測量範圍小、容易發生「中毒」現象和調校困難等缺點。此外，還有催化燃燒式瓦斯傳感器，但是它遇高濃度甲烷衝擊時元件的活性(靈敏度)會發生變化，致使讀數不準確，且存在輸出的雙值性，即當空氣中甲烷含量大於10%時，氧氣濃度下降，造成甲烷燃燒不完全，輸出值降低，出現兩種不同甲烷氣體濃度輸出同一信號的現象。如果把高濃度誤判為低濃度將十分危險。
[0004]可調諧半導體雷射吸收光譜技術作為目前應用廣泛的一種光譜吸收型氣體檢測技術，是利用半導體雷射器的波長掃描和電流調諧特性對痕量氣體進行測量的一種技術。由於半導體雷射器的高單色性，因此可以利用氣體分子的一條孤立吸收譜線對氣體的吸收光譜進行測量，從而方便地從混合汙染成分中鑑別出不同的分子，避免光譜的幹擾。與傳統傳感器相比，可調諧雷射吸收光譜技術具有靈敏度高、鑑別能力強、穩定性高等優點，代表了氣體檢測技術的發展方向。然而，普通光譜吸收式瓦斯傳感器在做全量程檢測時，存在檢測靈敏度和檢測範圍的制約性，即:在進行全量程濃度檢測時，難以滿足低濃度瓦斯檢測的靈敏度要求；在進行低濃度高靈敏度檢測時，又由於電壓限制使得高濃度瓦斯無法測量。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題就是提供一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法及裝置，能夠克服現有光譜吸收式瓦斯檢測中靈敏度和檢測範圍的相互制約，實現全量程的高靈敏度瓦斯氣體濃度檢測，對煤礦的安全監測具有重要意義。
[0006]為解決上述技術問題，本發明提供的一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法，包括如下步驟:
[0007]I)雷射器由恆流源驅動，信號A和信號B疊加後驅動雷射器，對雷射器的輸出波長進行調製，使雷射器輸出的中心波長與甲烷一條吸收線一致；所述信號A為周期間斷性的高頻正弦波，信號B為低頻鋸齒波，疊加後的信號在一個周期內分為上升和下降兩部分，僅上升部分疊加有高頻正弦波，用於測量低濃度時的瓦斯氣體濃度，下降部分用於測量高濃度時的瓦斯氣體濃度；[0008]2)雷射器輸出的光信號送入傳感氣室，穿過傳感氣室的光信號經光電探測器轉換為電信號；
[0009]3)將光電探測器轉換後的電信號分為兩路進行處理:一路依次經放大、低通濾波處理後，通過A/D轉換直接採樣分析處理，用於獲取高濃度時的瓦斯氣體濃度信息；另一路經鎖相放大處理後，通過A/D轉換採樣分析處理，用於獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息。
[0010]在上述技術方案的所述步驟3)中，鎖相放大處理的具體操作為:該路電信號首先進行放大、高通濾波處理，成為X(t)信號，x(t)信號與r(t)信號在乘法器電路中相乘後，進行低通濾波、放大處理；所述r(t)信號為x(t)信號二倍頻的方波信號，且x(t)信號與r(t)信號的相位為x(t)信號的每一個周期剛好對應r(t)信號的兩個周期。
[0011]在上述技術方案的所述步驟3)中，高濃度和低濃度的臨界值設定為體積濃度4?10%。
[0012]本發明提供的一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置，包括雷射器、恆流源、微處理器、信號發生電路、驅動電路、傳感氣室、光電探測器、鎖相放大器和高濃度檢測模塊；所述恆流源與雷射器連接，用於雷射器的調諧；所述微處理器、信號發生電路、驅動電路和雷射器依次連接，用於產生周期間斷性的高頻正弦波信號A和低頻鋸齒波信號B且疊加後對雷射器的輸出波長進行調製；所述雷射器的輸出端依次通過光纖與傳感氣室和光電探測器連接，分別用於實現瓦斯氣體對光的吸收和光電轉換；所述光電探測器的輸出端分別與鎖相放大器和高濃度檢測模塊連接，分別用於獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息和高濃度時的瓦斯氣體濃度信息，鎖相放大器和高濃度檢測模塊的信號輸出端分別與所述微處理器連接，用於信號處理和顯示。
[0013]上述技術方案中，所述鎖相放大器包括依次連接的:
[0014]第一放大電路，用於放大光電探測器的輸出信號；
[0015]高通濾波電路，用於濾除低頻信號；
[0016]乘法器電路,其另一輸入端與所述微處理器的一個輸出端相連，用於將放大、高通濾波後產生的x(t)信號與微處理器產生的x(t)信號的二倍頻方波信號r(t)相乘；
[0017]第一低通濾波電路，用於濾除高頻信號；
[0018]第二放大電路，用於放大低通濾波後的信號；
[0019]以及第二 ADC採集電路，用於A/D轉換並輸出給微處理器。
[0020]上述技術方案中，所述高濃度檢測模塊包括依次連接的:
[0021]第三放大電路，用於放大光電探測器的輸出信號；
[0022]第二低通濾波電路，用於濾除高頻信號；
[0023]以及第一 ADC採集電路，用於A/D轉換並輸出給微處理器。
[0024]與現有技術相比，利用本發明方法及裝置:當被測甲烷氣體濃度較高時，可直接通過放大濾波的方式檢測出氣體濃度；當被測甲烷氣體濃度較低時，甲烷氣體對光信號的吸收很微弱，則通過鎖相放大的方式檢測出氣體濃度，從而實現了全量程高靈敏度瓦斯氣體的檢測。本發明實現對高濃度和低濃度瓦斯氣體作準確測量的雙重功能，並且靈敏度高、鑑別能力強、穩定性好。
【專利附圖】
【附圖說明】[0025]圖1為本發明全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置一個實施例的結構框圖暨工作原理圖；
[0026]圖2為圖1中雷射器的驅動波形圖。
【具體實施方式】
[0027]以下結合附圖對本發明的具體實施例作進一步的詳細描述:
[0028]如圖1和圖2所示，本發明提供的一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置，包括雷射器、恆流源、微處理器、信號發生電路、驅動電路、傳感氣室、光電探測器、鎖相放大器和高濃度檢測模塊。恆流源與雷射器連接，用於雷射器的調諧。微處理器、信號發生電路、驅動電路和雷射器依次連接，用於產生周期間斷性的高頻正弦波信號A和低頻鋸齒波信號B且疊加後對雷射器的輸出波長進行調製。雷射器的輸出端依次通過光纖與傳感氣室和光電探測器連接，分別用於實現瓦斯氣體對光的吸收和光電轉換。光電探測器的輸出端分別與鎖相放大器和高濃度檢測模塊連接，分別用於獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息和高濃度時的瓦斯氣體濃度信息，鎖相放大器和高濃度檢測模塊的信號輸出端分別與微處理器連接，用於信號處理和顯示。其中，鎖相放大器包括依次連接的第一放大電路、高通濾波電路、乘法器電路、第一低通濾波電路、第二放大電路以及第二 ADC採集電路，乘法器電路的另一輸入端還與前述微處理器的一個輸出端相連；高濃度檢測模塊包括依次連接的第三放大電路、第二低通濾波電路以及第一 ADC採集電路。
[0029]利用該裝置進行全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測的步驟為:
[0030]I)低頻鋸齒波信號B由微處理器產生，由內部定時器觸發，頻率精確可調，通常信號B的頻率為數十到數百赫茲；高頻正弦波信號A由微處理器間斷產生方波並經過四階巴特沃斯低通濾波器之後得到，頻率一般為數十兆赫茲。雷射器由恆流源驅動，信號A和信號B疊加後成為信號C驅動雷射器,對雷射器的輸出波長進行調製,使雷射器輸出的中心波長與甲烷一條吸收線一致。雷射器的驅動電流必須調整在一個合適的範圍，儘量讓雷射器工作的在線性區，有利於尋找吸收峰和提高性噪比。如圖2所示，疊加後形成的信號C在每一個周期內分為上升和下降兩部分，僅上升部分疊加有高頻正弦波，用於測量低濃度時的瓦斯氣體濃度，下降部分未疊加高頻正弦波，用於測量高濃度時的瓦斯氣體濃度；
[0031]2)雷射器輸出的光信號送入傳感氣室，穿過傳感氣室的光信號經光電探測器轉換為電信號，實際操作中應儘量使光電探測器工作在線性區；
[0032]當傳感氣室中被檢測的甲烷氣體濃度較高時，光束通過甲烷氣體再轉換為電信號後，經放大和濾波處理，即可得到較明顯的吸收峰，如圖2中信號E的下降部分所示，採用相應算法計算出吸收峰的幅值，就能獲得氣體濃度值；當傳感氣室中被檢測的甲烷氣體濃度較低時，如圖2中信號D的下降部分所示，光束通過甲烷氣體再轉換為電信號後，吸收峰十分微弱，不能被直接檢測，因此採用微弱信號檢測技術。
[0033]當被檢測的甲烷氣體濃度很低時，對光的吸收也就非常弱，由於外界幹擾、傳感器本身的噪聲和測量電路的噪聲等，有用的信號被大量幹擾和噪聲所淹沒。微弱信號檢測的目的就是測出被背景噪聲覆蓋的微弱信號，經過適當的放大濾波處理之後，能夠直接給A/D轉換電路使用。其特點是檢測靈敏度高，信噪比非常高。基本原理是基於噪聲與噪聲、噪聲與信號不相關，而信號與信號則完全相關。根據這一特性，電路完成信號與參考信號的互相關運算，從而將強噪聲中的信號振幅和相位信息檢測出來。本發明則採用鎖相放大的方式，具體操作如下述；
[0034]3)將光電探測器轉換後的電信號分為兩路進行處理:一路依次經放大、低通濾波處理後，通過A/D轉換直接採樣分析處理，用於獲取高濃度時的瓦斯氣體濃度信息；另一路經鎖相放大處理後，通過A/D轉換採樣分析處理，用於獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息。
[0035]鎖相放大處理的具體操作為:如圖1所示，該路電信號首先進行放大、高通濾波處理，成為被調製的x(t)信號，r(t)信號則由微處理器產生，為x(t)信號二倍頻的方波信號，且x(t)信號與r(t)信號的相位被調整為x(t)信號的每一個周期剛好對應r(t)信號的兩個周期。x(t)信號與r(t)信號在乘法器電路中相乘後，進行低通濾波，由於有用信號的幅值很小，低至數毫伏甚至微幅，所以還需進行放大處理，再送入A/D轉換。
[0036]本實施例中甲烷氣體高濃度和低濃度的臨界值設定為體積濃度4%。對於濃度低於4%的甲烷氣體，當12位ADC採集電路的最大電壓為2.5V時，將光譜經濃度為4%的甲烷氣體吸收處理之後的電壓幅值放大到2.5V，此時濃度為4%的甲烷氣體對應的電壓值為2.5V,12位ADC採集電路的電壓最小解析度為0.6ImV,理論上檢測甲烷氣體濃度的最小解析度可到達lOppm。對於濃度高於4%的甲烷氣體，同樣也是12位ADC採集電路，參考電壓為2.5V。將濃度為100%的甲烷氣體的吸收峰值放大到2.5V，那麼濃度為100%的甲烷氣體對應的電壓值為2.5V，此時濃度為4%的甲烷氣體對應的電壓值應該是IOOmV,此時最小解析度理論上可達244ppm。因此，整個裝置能夠在低濃度(小於等於4%)時實現約IOppm的檢測靈敏度，在高濃度(大於4%)時實現100%濃度全量程的檢測。
[0037]實際操作中，在每次測量時微處理器需首先判斷被測氣體的濃度範圍:若第一ADC採集電路的電壓幅值超過IOOmV,則第二 ADC採集電路關閉，利用一 ADC採集電路採集的信號進行處理分析，獲取高濃度時的瓦斯氣體濃度信息；若第一 ADC採集電路的電壓幅值不超過100mV，則第二 ADC採集電路開啟，利用第二 ADC採集電路採集的信號進行處理分析，獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息。
[0038]整個裝置的供電為9?36V，恆流源選用4:1寬幅輸入的開關電源模塊，相對於線性電源，其體積小、效率高、使用方便。信號處理部分的運放選用低功耗、低噪聲、軌至軌運放，且儘量使用單電源運放。為了限制上電瞬間的浪湧電流，在裝置電源線路輸入端串聯一隻NTC (熱敏電阻)，在冷啟動時，NTC呈現高阻抗，因而將使湧入電流得到限制。而當電流的熱效應使NTC溫度升高、阻值急劇下降時，對系統的電流限制作用減小。同時，由於NTC在熱態下的阻抗並不是零，故會產生功率損耗，從而影響系統的運行效率。NTC熱態下重新啟動時，對浪湧電流起不到限制作用。為此，在系統啟動之後，可利用SCR (可控矽)等元件將NTC短路。
[0039]本裝置可充分利用單片機功能，包括DMA (直接存儲器訪問)，定時器，ADC，DAC。其中，ADC和DAC的數據傳輸都用DMA完成，不僅傳輸速度快，而且不佔用CPU時間，更有利於(PU後期的數據處理。對採集的瓦斯氣體濃度幅值進行多次平均，可以進一步提高性噪比。通過設置紅外遙控器，可對甲烷氣體傳感器進行教零，濃度標定。
[0040]本發明的核心在於區分了高低濃度，當被測甲烷氣體濃度較高時，可直接通過放大濾波的方式檢測出氣體濃度；當被測甲烷氣體濃度較低時，甲烷氣體對光信號的吸收很微弱，則通過鎖相放大的方式檢測出氣體濃度，從而實現了全量程高靈敏度瓦斯氣體的檢測。所以其保護範圍並不限於上述實施例。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變形而不脫離本發明的範圍和精神。例如:高濃度和低濃度的臨界值不限於實施例中的4%，在4?10%範圍內都是可行的等。倘若這些改動和變形屬於本發明權利要求及其等同技術的範圍內，則本發明也意圖包含這些改動和變形在內。
【權利要求】
1.一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法，其特徵在於，包括如下步驟: 1)雷射器由恆流源驅動，信號A和信號B疊加後驅動雷射器，對雷射器的輸出波長進行調製，使雷射器輸出的中心波長與甲烷一條吸收線一致；所述信號A為周期間斷性的高頻正弦波，信號B為低頻鋸齒波，疊加後的信號在一個周期內分為上升和下降兩部分，僅上升部分疊加有高頻正弦波，用於測量低濃度時的瓦斯氣體濃度，下降部分用於測量高濃度時的瓦斯氣體濃度； 2)雷射器輸出的光信號送入傳感氣室，穿過傳感氣室的光信號經光電探測器轉換為電信號; 3)將光電探測器轉換後的電信號分為兩路進行處理:一路依次經放大、低通濾波處理後，通過A/D轉換直接採樣分析處理，用於獲取高濃度時的瓦斯氣體濃度信息；另一路經鎖相放大處理後，通過A/D轉換採樣分析處理，用於獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息。
2.根據權利要求1所述的全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法，其特徵在於:所述步驟3)中，鎖相放大處理的具體操作為:該路電信號首先進行放大、高通濾波處理，成為x(t)信號，x(t)信號與r(t)信號在乘法器電路中相乘後，進行低通濾波、放大處理；所述r(t)信號為x(t)信號二倍頻的方波信號，且x(t)信號與r(t)信號的相位為x(t)信號的每一個周期剛好對應r(t)信號的兩個周期。
3.根據權利要求1或2所述的全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法，其特徵在於:所述步驟3)中，高濃度和低濃度的臨界值設定為體積濃度4~10%。
4.一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置，其特徵在於:包括雷射器、恆流源、微處理器、信號發生電路、驅動電路、傳感氣室、光電探測器、鎖相放大器和高濃度檢測模塊；所述恆流源與雷射器連接，用於雷射器的調諧；所述微處理器、信號發生電路、驅動電路和雷射器依次連接，用於產生周期間斷性的高頻正弦波信號A和低頻鋸齒波信號B且疊加後對雷射器的輸出波長進行調製；所述雷射器的`輸出端依次通過光纖與傳感氣室和光電探測器連接，分別用於實現瓦斯氣體對光的吸收和光電轉換；所述光電探測器的輸出端分別與鎖相放大器和高濃度檢測模塊連接，分別用於獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息和高濃度時的瓦斯氣體濃度信息，鎖相放大器和高濃度檢測模塊的信號輸出端分別與所述微處理器連接，用於信號處理和顯示。
5.根據權利要求4所述的全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置，其特徵在於，所述鎖相放大器包括依次連接的: 第一放大電路，用於放大光電探測器的輸出信號； 高通濾波電路，用於濾除低頻信號； 乘法器電路，其另一輸入端與所述微處理器的一個輸出端相連，用於將放大、高通濾波後產生的x(t)信號與微處理器產生的x(t)信號的二倍頻方波信號r(t)相乘； 第一低通濾波電路，用於濾除高頻信號； 第二放大電路，用於放大低通濾波後的信號； 以及第二 ADC採集電路，用於A/D轉換並輸出給微處理器。
6.根據權利要求4或5所述的全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置，其特徵在於，所述高濃度檢測模塊包括依次連接的: 第三放大電路，用於放大光電探測器的輸出信號；第二低通濾波電路，用於濾除高頻信號；以及第一 ADC米集電路, 用於A/D轉換並輸出給微處理器。
【文檔編號】G01N21/39GK103743706SQ201310656495
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】王洪海, 李政穎, 王安軍 申請人:武漢理工大學