[發明專利]一種測量礦井瓦斯濃度分布的激光雷達裝置及其工作方法

有效

• 申請號: 201210136614.3
• 申請日: 2012-05-04
• 公開（公告）號: CN102662175A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: 孫延光;龔尚慶;董作人;葉青;蔡海文;侯紹森;張佳杰
• 申請（專利權）人: 山東華辰泰爾信息科技股份有限公司
• 主分類號: G01S17/06
• 分類號: G01S17/06;G01N21/35
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 呂利敏

技術領域

本發明涉及一種測量礦井瓦斯濃度分布的激光雷達裝置及其工作方法，屬于井下瓦斯濃度的檢測技術領域。

背景技術

瓦斯爆炸事故每年都會給人民的生命造成重大的傷亡，當煤礦中瓦斯氣體的濃度處于5%-15%的爆炸極限以內而不加以處理時，就會給煤礦工人們的安全帶來嚴重的威脅，因此研制一種用于礦井瓦斯氣體濃度的測量裝置具有非常重要的意義。同時，如果在測量出瓦斯氣體濃度的同時，也能測量出瓦斯氣體濃度的分布，就可以更清楚的知道一定區域內瓦斯氣體濃度的高低分布，對于危險的排查更有意義。

激光器調諧吸收光譜法（TDLAS）用于瓦斯氣體濃度探測，具有靈敏度高，抗干擾能力強，快速準確高效等優點，因此在氣體探測領域得到廣泛的應用。而煤礦中瓦斯濃度分布并不均勻，有的死角濃度很高，有的地方可能很低，因此即便通過氣體探測儀器檢測到單點的瓦斯濃度，也并不能準確的反應出礦井內各個區域的瓦斯濃度。

在已有的瓦斯氣體濃度傳感器中，采用TDLAS原理的有很多，如日本Tokyo?Gas?Co.，Ltd公司的便攜式瓦斯遙測儀（參見在先技術[1]：“A?portable?remote?methane?sensor?using?a?tunable?diode?laser”，Meas.Sci.Technol.11，594~602，2000）以及美國Physical?Sciences?Inc（PSI）公司開發的RMLD產品（參見在先技術[2]：“Handheld,battery-powered?near-IR?TDL?sensor?for?stand-off?detection?of?gas?and?vapor?plumes”，Appl.Phys.B75，249~254,2002）。但上述傳感器并不具備測距的功能，也就不能準確的反應出礦井內各個區域中瓦斯的濃度，對判斷井下瓦斯濃度是否安全帶來諸多不便。

發明內容

針對以上的技術不足，本發明提供一種能同時測量瓦斯濃度和瓦斯泄露點距離的測量礦井瓦斯濃度分布的激光雷達裝置。

本發明還提供一種上述測量礦井瓦斯濃度分布的激光雷達裝置的工作方法。

本發明的技術方案如下：

一種測量礦井瓦斯濃度分布的激光雷達裝置，其包括DFB激光器101、信號發生電路102、激光器驅動與溫控電路103、倍頻電路104、光機收發單元105、低噪聲前置放大及濾波電路106、正交鎖相解調電路107、微控制器108、按鍵模塊109、液晶顯示模塊110、聲光報警模塊111、數據存儲模塊112、數據通信模塊113和低功耗電源管理模塊114；

所述的DFB激光器101的中心波長為1653.7nm；所述DFB激光器101發出波長為1653.7nm的測量用窄線寬紅外激光，該中心波長對應甲烷氣體有個較強的紅外吸收峰，可對甲烷氣體進行準確的探測；所述DFB激光器101還能發出波長掃描的激光，所述激光的波長范圍1653.5~1653.9nm；

所述的信號發生電路102產生頻率為f_m＝5.35MHz的正弦信號，所述的信號發生電路102的一個信號輸出端通過所述激光器驅動與溫控電路103與所述DFB激光器101電連接，用于對DFB激光器的電流進行調制，使得所述測量礦井瓦斯濃度分布的激光雷達裝置的測量距離達14m；所述信號發生電路102的另一個信號輸出端分為兩路，一路直接與所述正交鎖相解調電路107相連，另一路通過倍頻電路104與所述正交鎖相解調電路107相連，所述的倍頻電路104對所述信號發生電路102所發出的頻率為f_m＝5.35MHz的正弦信號進行2倍頻，產生2f_m＝10.7MHz的正弦信號；

所述的激光器驅動與溫控電路103的控制端與所述微控制器108相連，對DFB激光器101提供穩定電流驅動和溫度控制；

所述的光機收發單元105，包括光纖準直器、菲涅耳透鏡、光電探測器和三維機械調節裝置，所述DFB激光器101發出的激光經所述的光纖準直器進行準直，使激光的發散角滿足探測距離；所述激光最終被背景地形散射體反射，形成散射光，所述菲涅耳透鏡將所述激光雷達裝置接收到的散射光聚焦成探測光信號，到所述的光電探測器上，所述的光電探測器將接收的探測光信號轉換為電流信號；所述的三維機械調節裝置用于將光電探測器調節到菲涅耳透鏡的焦點上，從而將探測光信號聚焦到光電探測器上；