氣體濃度檢測方法及其裝置的製作方法

2023-04-23 16:01:36

專利名稱：氣體濃度檢測方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於檢測環境中的氣體濃度的方法及裝置，尤其涉及基於 光譜學原理檢測環境中易燃易爆氣體的濃度的方法及裝置。
背景技術：
易燃易爆氣體，如甲烷，歷來是煤礦等的重要災害之一，及時檢測所 述氣體的濃度對於環境安全及人身安全都是非常重要的。
目前檢測瓦斯氣體的一種方法基於催化燃燒，該方法在存在其它氣體 和溼度變化時非常容易出現誤差，並且由於其自身的測量原理而難於測量 高濃度的氣體。在另一種氣體濃度檢測方法中，使用基於光譜學原理的傳 感器，相比於常規的電離和電化學氣體傳感器，其具有靈敏度高、響應速 度快、測量範圍大、不受其它氣體幹擾等優點，且沒有栽體催化型傳感器 中存在的"中毒"等缺陷，因而成為今後氣體傳感器的發展方向。
中國發明專利200510112136.2/〉開了 一種紅外半導體雷射吸收式瓦斯 氣體檢測方法及其裝置，其中將紅外雷射射入與礦內瓦斯現場連通的諧振 氣室，並使其發生諧振，然後通過氣室內的紅外吸收式氣體傳感器將測試 信號經光電轉換後傳輸給信號處理端，從而獲得氣體濃度。在該發明中， 諧振腔起到了多次反射光路而增加光程的作用，從而可以減小整個檢測裝 置的尺寸，但是諧振腔的製造安裝較為複雜，成本較高，其中的光線諧振 不可精確控制，即不可精確控制總光程，從而會影響測量精確度，另外， 光電轉換裝置、信號處理裝置等裝置靠近或位於測量現場，容易引起高濃 度甲烷氣體等易燃易爆氣體發生爆炸，存在安全隱患。

發明內容
本發明針對上述現有技術中存在的缺陷，旨在提供一種結構更簡單、 成本更低、精度更高、安全性更有保障的基於光鐠吸收的氣體濃度檢測方 法及其裝置。
本發明的一個方面包括一種用於檢測環境中氣體濃度的傳感器系統中
的傳感單元，包括光學頭，其包括兩端開口的柱形中空部件和設置在其 中的準直器，所述柱形中空部件的一端連接光纖；柱形筒，其一端與所述 光學頭的另一端耦合；多個形成在所述柱形筒側壁上的氣孔；以及至少一 個反射裝置，其位於所述柱形筒內，用於反射所述光束以使所述光束射向 並通過所述準直器而重新進入所述光纖，其中，所述準直器將由所述光纖 傳輸的光束耦合入所述柱形筒，以使所述光束平行於所述柱形筒的軸向。
本發明還包括一種用於檢測環境中氣體濃度的傳感器系統，包括至少 一個上述傳感單元，所述傳感器系統還包括監控中心，其包括如下裝置 光源，用於發射波長對應於待測氣體的吸收帶的光束；電子處理裝置；以 及環行器，其連接第一、第二和第三光纖，所述環行器通過第一光纖接收 來自所述光源的光束、通過第二光纖將從第一光纖傳輸至環行器的所述光 束傳輸給所述傳感單元、以及通過第三光纖將從所述第二光纖返回至環行 器的所述光束傳輸給電子處理裝置。其中所述第二光纖通過快速光學開關 和多路復用器級連多個傳感單元。
本發明還包括一種利用上述傳感器系統檢測環境中的氣體濃度的方 法，包括以下步驟將所述傳感單元置於含待檢測氣體的環境中；從所述 光源發出光束，所述光束具有基本對應於待測氣體的吸收帶的波長；通過 所述第 一光纖將所述光束傳輸到所述環行器；通過所述第二光纖將通過第 一光纖傳輸至所述環行器的光束傳輸到傳感單元中；通過所述第三光纖將 通過第二光纖返回至所述環行器的所述光束傳輸給電子處理裝置進行處 理，從而獲得氣體濃度。其中通過快速光學開關和多路復用器將多個傳感 單元級連到所述第二光纖。
在根據本發明的方案中，僅通過一根光纖在監控中心和傳感單元之間傳輸信號，在待測氣體附近沒有電連接，因此消除了點燃易燃易爆氣體的
隱患，並且可以實現遠程檢測，裝置可靠性高並抗電磁輻射；本發明中的 傳感單元對光程的精確控制、以及光纖傳導的低損耗提供了更好的測量精 度、靈敏度以及信噪比；本發明的傳感單元的結構簡單，容易製造，並且 與傳導光纖的連接也足夠簡單，這大大降低了本發明的成本；同時本發明 的傳感單元的特別結構允許其尺寸進一步減小，更實現了小型、便攜的要 求。
圖l;l:根據本發明一個實施例的用於傳感器系統中的傳感單元的結構
示意圖2是根據本發明另一個實施例的用於傳感器系統中的傳感單元內的 反射裝置的示意圖3是根據本發明另一個實施例的用於傳感器系統中的傳感單元的結 構示意圖。
圖4是根據本發明一個實施例的用於檢測甲烷氣體濃度的傳感器系統 的結構示意圖5是用於檢測氣體在多個位置的濃度分布的網狀傳感器系統的示意 圖；以及
圖6是根據本發明一個實施例的用於檢測曱烷氣體濃度的傳感器系統 的測量結果曲線圖。
具體實施例方式
下面參照


本發明的實施例。應當理解，這些實施例只是說明 性的，而不是P艮制性的，本發明還包括本領域技術人員根據本發明而可以 想到的其它修改、替換、組合等。
本發明基於如公式(1)所示的Beer-Lambert定律檢測氣體濃度，

其中lO0表示波數為p的光波的出射光光強，1。(。表示入射光光強，L 是光通過氣體的有效光程，aOO表示光吸收係數，P氣體表示氣體的分壓 (atm)。從而，通過測量光以一定光程通過氣體之後的出射光強，即可 以根據上述Beer-Lambert定律測得氣體的濃度。
圖l示出了傳感單元的一個實例的結構示意圖。如圖1所示，該傳感 單元101包括光學頭102，其包括兩端開口的柱形中空部件和設置在其 中的準直器103，柱形中空部件的左端連接光纖107、右端與柱形筒105 的左端整體形成，所述柱形筒105的右端可以是封閉的；多個穿透所述柱 形筒105的側壁的氣孔104，其使得將被檢測的氣體可以自由iiA所述筒， 氣孔104不限定於特定形狀和分布，只要其在保證傳感單元的機械強度的 同時可以允許足夠的氣體進入筒即可，例如，氣孔104可以是圓形、橢圓 形或者長條形或者其它規則或不規則的形狀；以及，反射鏡106，其可以 為鏡片或例如，金塗層或其它反射性材料的塗層，反射鏡106被設置在所 述柱形筒內與準直器103相對的一端，用於將所述光束沿所述柱形筒的軸 向反射回所述準直器103並使其通過所述準直器103重新l所述光纖 107。所述準直器103可以為例如梯度折射率透鏡，其用於將由所述光纖 107傳輸的光耦^^入所^形筒105以使其平行於所i^形筒的軸向，當 然也可以採用其它形式的準直器。
在測量不同濃度的氣體的情況下，根據Beer-Lambert定律可以得出， 濃度越低的氣體，適宜使用越長的光程來測量，反之亦然。在該實施例中， 由於光線在傳感單元中經過了 一次反射，因此有效光程是柱形筒長度的兩 倍。為了增加有效光程，可以通過改變柱形筒的長度實現。例如可以將柱 形筒設置為長度可調的構造，以更方^更地直接適用於不同濃度的氣體測量， 從而可以進一步提高精度。所述構造例如可以是自動的或手動的多層套管 的M構造，套管與套管的重疊必須確保與外界連通的氣孔的通暢，並且 設置準直器及反射鏡，使光線在對應於直徑最小的套管的截面內傳輸，以 防止光線在套管內射到管壁上而損耗。當然，本發明並不限於此，本領域 技術人員可以想到多種其它方式，例如，可以通過螺釘螺母裝置連接多個套管而增加套管的總長度。圖2示出了本發明的另一個實施例。如圖2所示，傳感單元的構造與圖l所示實施例基;M目同，不同之處在於，在傳感單元內部設置了多個反射鏡，以進行多次應Jt，從而進一步增加光程。如圖2所示，在柱形筒內 部成角度設置反射鏡206、 206，和206"，使得光線經過三次反射後又射回 準直器，這種設置可以進一步減小傳感單元的長度。當然，根據柱形筒的 長度不同可以考慮設置不同數量的反射裝置，以達到增加有效光程的目的。 根據實際應用的需要，傳感單元的長度可以為20mm至150mm，內徑為4 -6mm，外徑為5-8mm，稍大的直徑有助於增大傳感單元的強度。這樣 尺寸的傳感單元小巧輕便，便於攜帶，也便於操作使用。圖3示出了本發明的另一個實施例。在該實施例中，傳感單元的構造 與上述兩個實例基本相同，不同之處在於，光學頭與柱形筒是兩個分離的 部件，柱形筒被可拆卸地^^在光學頭上。如圖3所示，柱形筒305和光 學頭302通過連接端308相連。圖3的右側示出了連接端308的截面圖。 在該實例中，光學頭302和柱形筒305在彼此相對的端部都具有徑向延伸 超出柱形筒邊緣的連接端片，在連接端片上大於柱形筒半徑的圓周上等間 隔地i殳置若干個螺孔309,通過螺釘螺母裝置穿過所迷螺孔309將兩個連 接端片^在一起，從而將柱形筒305與光學頭302M在一起。這樣， 可以準備不同長度的柱形筒，在不同情況下通過卸下已有的柱形筒，而靈增加或減少有效光程的目的。當然，對於可拆卸地M柱形筒與光學頭， 本領域技術人員可以想到其它多種方式，因此本發明並不限於這裡所述的 方式。由於傳感單元用於地下礦井等苛刻的環境中，為了使傳感單元更加穩 定耐用，使用耐待測氣體腐蝕的材料製成傳感單元，例如在測量曱烷氣體 的情況下使用不鏽鋼。在例如礦井的環境中還充滿了灰塵和水蒸氣，為了保護傳感單元中的光學元件不受汙染以使測量精度更高，還可以在傳感單 元上塗敷防水膜或防塵防溼塗層，例如在本發明中使用熱塑性聚氨酯(TPU)型防水膜。在所述膜或塗層外還可以覆有用於進一步防塵的微孔 金屬膜，其中所述膜、塗層和微孔金屬膜都允許空氣自由透過，例如，所 述膜具有5000g/m2/24小時至10000g/m2/24小時的氣體通過率。另外，通 過在準直器上塗敷增透層，以及使用成角度拋光連接器(APC)進行光纖 連接，可以顯著降低千涉噪音，從而增大測量精度。下面參照附圖，以對甲烷氣體的濃度進行檢測為例描述本發明的傳感 器系統，但是本發明並不限於檢測甲烷的氣體的濃度，而是還可以檢測其 它各種易燃易爆氣體的濃度，如C3H8、 <:2114等。眾所周知，甲烷的吸收 譜線覆蓋中紅外區(波長約為3微米)和近紅外區(約1.33微米和1.66 微米)。由於在近紅外區的光源比較容易從市場獲得，因此通常選擇近紅 外區的i普線來測量甲烷氣體的濃度，在本發明中優選1.66微米的鐠線，因 為其吸收係數較大，i普線更寬，並且1.33微米鐠線與水的吸收線重合，使 用1.66微米的鐠線更有利於排除測量現場中存在的水對測量結果的影響。圖4示出了根據本發明優選實施例的用於檢測甲烷氣體濃度的傳感器 系統。該系統利用例如分布反饋(DFB)型半導體雷射器作為光源，但本 發明並不限於使用DFB雷射器，而是可以使用其它任何合適的雷射器，例 如二極體雷射器。DFB雷射器的頻率可以通過調節溫度或電流來調節，在 本發明中，通過調節該雷射器的輸入電流而正弦調節該雷射器的頻率(波 長)，以發出近紅外雷射束。通過光纖411將雷射束傳輸到三端環行器， 三端環行器的另外兩端分別通過光纖連接到根據本發明的傳感單元401和 電子處理裝置412，這裡使用的光纖為單才莫低損耗光纖。傳感單元401^皮 置於含待測氣體的環境中，並與環境連通，從而在傳感單元中充滿待測氣 體，當光束1傳感單元且1^射出傳感單元之後，傳感單元中的氣體對 相應鐠線的光進行了吸收。環行器用於允許在單個光纖407中多#輸射 入和返回的光束，射入傳感單元的光束經反射後射出並再次i^光纖407， 併到達環行器。環行器將從傳感單元返回的光束通過光纖傳輸到電子處理 裝置中的光電檢測器，在此處利用光電二極體將光信號轉換為電信號，並 利用前置放大器放大所述電信號。光電檢測器連接到處理電路，在此處從所述電信號獲得測量數據，其中，為了增加信噪比，可以使用例如差分檢 測、頻率調製等公知技術。最後利用嵌入式計算裝置從處理電路獲取數據 並進行數字處理，從而計算出曱烷氣體的濃度並顯示該濃度。在必要時， 根據計算獲得的甲烷氣體濃度值，可以觸發警報。從圖4可以看出，該系統中放入測量現場的部件可以只是光纖407和 傳感單元401，同時，圖中的其它部件可以都設置在遠離測量現場的監控 中心410中，由於光纖407採用單模低損耗的光纖，因此可以實現遠程檢 測，並且其中的電子處理裝置位於遠離測量現場的監控中心410中，這大 大加大了安全性，另外，該系統在測量現場進4亍的^Mt簡單易行，也大大 降低了檢測成本。所述系統可以變化為連接多個位於不同位置的傳感單元，從而可以檢 測一片區域的氣體濃度分布。如圖5所示，其中示出了一種網狀傳感器系 統，用於在多個位置同時測量氣體的濃度分布。在圖5所示的網狀傳感器 系統中，監控中心510同樣可以包括光源、環行器以及計算裝置，該監控 中心可以通過快速光學開關和多路復用器級連多個傳感單元。從而如圖5 所示，多根用於連接傳感單元501的光纖507上可以串聯或並聯多個傳感 單元，從而可以覆蓋大範圍區域並提供增加的信息。所述光學開關具有微 秒級的速度，其連續掃描連接到各個位置的多個傳感單元的光纖。所述多 路復用器例如為，波長分割多路復用器(WDM)、時間分割多路復用器 (TDM)或空間分割多路復用器(SDM)，這是本領域技術人員所'i^的。 例如，在光源是脈衝雷射的情況下，時間分割多路復用器可以是這樣的裝 置，其中通過在各個傳感單元與所述光纖的連接之間再連接不同長度的光 纖，而不同程度地延長傳輸時間，從而達到分時傳輸的目的，在本發明的濃度檢測系統及系統網絡中，還可以使用例如二極體激 光器的雷射源、例如Fabry-Perot雷射器的可調雷射源或例如放大自發輻 射光源(ASE )、發光二極體(LED )或超發射發光二極體(SLED )的 寬帶光源，所述可調雷射源和寬帶光源需結合帶寬小於lnm的窄帶濾光 器。通過選擇與待測氣體的吸收帶對應的波長，從而可以監測其它易燃易爆氣體，例如C3Hs、 C2H4、 C2H2、 CO、 C02、 02、和H;sS中的一種或多 種。在使用二極體雷射器測量CH4氣體濃度的情況下，相關於近紅外譜帶 的振動分支，R支和P支相比於Q支具有窄得多的鐠線寬度，從而要求更 小的調諧範圍，很好地匹配了二極體雷射器的電流調諧，因此，本發明優 選採用波長在1645nm的R ( 6)振動線進行操作，同時由於該語線遠離水 蒸汽的吸收帶，從而還可以排除測量現場中的水蒸氣對測量結果的幹擾。 因此，該鐠線的選擇增強了本發明傳感器系統的靈敏度。在具體操作中，二極體雷射器的輸出波長可以由工作溫度和輸入電流 共同確定。通常保持溫度恆定而掃描輸入電流。在本發明中，通過精調激 光器的溫度和輸入電流，將二極體雷射器的發射波長集中在CH4的R (6) 吸收線附近。在該情況中，將溫度保持在預設的工作溫度，利用給定的調 節振幅以給定的頻率周期性地調節輸入電流，其中的一個激;^式在每次 掃描中將掃過所述吸收線。為了〗更於信號處理，將吸》1^漠式調節為與調製 信號的最小電流點一致，從而，在吸收帶以外的光信號將非常強以至於充 滿處理電路並形成背景噪聲。利用本領域技術人員〃i^的噪聲抑制技術消 除該背景噪聲，從而獲得對由計算機記錄的吸收信號的準確而高精度的測 量，圖6示出了利用根據本發明的系統測得的光吸收強度與甲烷氣體濃度 的關係的曲線圖，並示出了根據Beer-Lambert定律繪出的指數圖，圖中 雖然只示出了低濃度的情況，但是本發明已經證實適用於檢測0 - 100 %的 全範圍的氣體濃度。從圖6中可見，根據本發明的系統對氣體濃度的測量 與理論值基本符合，在該情況中，可檢測的最低濃度比率為0.1%，精度達 到0.01%,可見本發明的精確度非常高。雖然已經在優選實施例中說明了本發明的基本新穎特徵，但是應當理 解，在不脫離本發明的精神下，本領域技術人員可以對所述的裝置和方法 的形式和細節進行多種修改、省略或替代等。
權利要求
1.一種用於檢測環境中氣體濃度的傳感器系統中的傳感單元，包括光學頭，其包括兩端開口的柱形中空部件和設置在其中的準直器，所述柱形中空部件的一端連接光纖；柱形筒，其一端與所述光學頭的另一端耦合；多個形成在所述柱形筒側壁上的氣孔；以及至少一個反射裝置，其位於所述柱形筒內，用於反射所述光束以使所述光束射向並通過所述準直器而重新進入所述光纖，其中，所述準直器將由所述光纖傳輸的光束耦合入所述柱形筒，以使所述光束平行於所述柱形筒的軸向。
2. 根據權利要求1的傳感單元，其中所述柱形筒可拆卸地接合在所述 光學頭上，且所述柱形筒的長度恆定。
3. 根據權利要求1的傳感單元，其中所述柱形筒與所述光學頭整體形 成，且所述柱形筒的長度恆定。
4. 根據權利要求l-3之一的傳感單元，其中所述反射裝置由三個分離 的反射鏡構成，其中 一個所述反射鏡被成角度地設置在所述柱形筒的靠近 準直器的一端、並與所述準直器在徑向上隔開，另外兩個所述>^射鏡被成 角度地設置在所述柱形筒的與所述光學頭相對的 一端並在徑向上彼此隔 開，從而使得所迷光束在經過所述三個反射鏡的反射後射回所述準直器。
5. 根據權利要求1的傳感單元，其中所述柱形筒與所述光學頭整體形 成，且所述柱形筒的長度可以自動或手動調節。
6. 根據權利要求1 - 3和5中的任一項的傳感單元，其中所述柱形筒 的外壁上塗敷有防水膜或防塵防溼塗層，所述膜和塗層允許空氣自由透過。
7. 根據權利要求4的傳感單元，其中所述柱形筒的外壁上塗敷有防水 膜或防塵防溼塗層，所述膜和塗層允許空氣自由透過。
8. 根據權利要求6的傳感單元，其中所述膜或塗層外i^A有用於進一 步防塵的孩i孔金屬膜，所述微孔金屬膜允許空氣自由透過。
9. 根據權利要求7的傳感單元，其中所述膜或塗層外還覆有用於進一 步防塵的微孔金屬膜，所述微孔金屬膜允許空氣自由透過。
10. 根據權利要求l-3、 5和8中任一項的傳感單元，其中所述反射 裝置為^1置在所述柱形筒內的與所述光學頭相對的一端的反射鏡面。
11. 根據權利要求6的傳感單元，其中所述反射裝置為設置在所述柱 形筒內的與所述光學頭相對的一端的反射鏡面。
12. —種用於檢測環境中氣體濃度的傳感器系統，包括至少一個根據 權利要求1-ll之一的傳感單元，所述傳感器系統還包括監控中心，所述 監控中心包括光源，用於發射波長對應於待測氣體的吸收帶的光束； 電子處理裝置；以及環行器，其連接第一、第二和第三光纖，所述環行器通過第一光纖接 收來自所述光源的光束、通過第二光纖將從第一光纖傳輸至環行器的所述 光束傳輸給所述傳感單元、以及通過第三光纖將從所述第二光纖返回至環 行器的所述光束傳輸給電子處理裝置。
13. 根據權利要求12的傳感器系統，其中所述第二光纖通過快速光學 開關和多路復用器級連多個傳感單元。
14. 根據權利要求12或13的傳感器系統，其中所述氣體是易燃易爆 的氣體，包括CH4、 C3H8、 C2H4、 C2H2、 CO、 C02、 02、和EbS中的一 種或多種。
15. 根據權利要求12或13的傳感器系統，其中所述光源選自於如下 一種或多種二極體雷射器、DFB雷射器、帶有窄帶濾光器的Fabry-Perot 雷射器、以及帶有窄帶濾光器的寬帶光源，所述窄帶濾光器具有小於lnm 的帶寬、並且其通過的光的波長對應於待測氣體的吸收帶.
16. 根據權利要求15的傳感器系統，其中所述寬帶光源是選自於發光 二極體、^C射發光二極體和放大自發輻射光源中的一種或多種。
17. 根據權利要求15的傳感器系統，其中在4吏用二極體雷射器檢測 CH4氣體的濃度的情況下，選擇1645nm的譜線進行測量。
18. 根據權利要求12或13的傳感器系統，其中所述電子處理裝置包括光電檢測器，其包括光電二極體，其用於將光信號轉換為電信號，和 前置放大器，用於放大所述電信號； 處理電路，用於從所述電信號獲得測量數據；以及 計算裝置，用於數字處理來自所迷處理電路的數據，並根據 Beer-Lambert定律計算出氣體濃度，
19. 一種利用才艮據權利要求12 - 18之一的傳感器系統檢測環境中的氣 體濃度的方法，包括以下步驟將所述傳感單元置於^^待檢測氣體的環境中； 從所述光源發出光束，所述光束具有基本對應於待測氣體的吸收帶的 波長；通過所述第 一光纖將所述光束傳輸到所述環行器； 通過所述第二光纖將通過第一光纖傳輸至所述環行器的光束傳輸到傳 感單元中；通過所述第三光纖將通過第二光纖返回至所述環行器的所述光束傳輸 給電子處理裝置進行處理，從而獲得氣體濃度。
20. 根據權利要求19的檢測環境中的氣體濃度的方法，其中通過快速 光學開關和多路復用器將多個傳感單元級連到所述笫二光纖。
21. 根據權利要求19或20的檢測環境中的氣體濃度的方法，其中所 述氣體是易燃易爆的氣體，包括CH4、 C3H8、 C2H4、 C2H2、 CO、 C02、 02、和H2S中的一種或多種。
22. 根據權利要求19或20的檢測環境中的氣體濃度的方法，其中所 述光源選自於如下一種或多種二極體雷射器、DFB雷射器、帶有窄帶濾 光器的Fabry-Perot雷射器、帶有窄帶濾光器的寬帶光源，所述窄帶濾光 器具有小於lnm的帶寬、並且其通過光波長對應於待測氣體的吸收帶。
23. 根據權利要求22的傳感器系統，其中所述寬帶光源是選自於發光二極體、M射發光二極體和放大自發輻射光源中的一種或多種。
24.根據權利要求22的檢測環境中的氣體濃度的方法，其中在使用二 極管雷射器檢測CH4氣體的濃度的情況下，選擇1645nm的譜線進行測量。
全文摘要
一種用於檢測環境中氣體濃度的傳感器系統中的傳感單元，包括光學頭，其包括兩端開口的柱形中空部件和設置在其中的準直器，柱形中空部件的一端連接光纖；柱形筒，其一端與光學頭的另一端耦合；多個形成在柱形筒側壁上的氣孔；以及至少一個反射裝置，其位於柱形筒內，用於反射光束以使光束射向並通過準直器而重新進入光纖，其中，準直器將由光纖傳輸的光束耦合入柱形筒，以使光束平行於柱形筒的軸向。本發明還包括用於檢測環境中氣體濃度的傳感器系統和利用上述傳感器系統檢測環境中的氣體濃度的方法。
文檔編號G01N21/39GK101319989SQ200710108590
公開日2008年12月10日 申請日期2007年6月8日 優先權日2007年6月8日
發明者T·科什契察, 崔洪亮, 亞 李 申請人:派克森公司