[實用新型]一種偽差分波長調制光纖甲烷氣體濃度檢測裝置

有效

• 申請號: 201720714866.8
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN206876564U
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發明（設計）人: 崔洪亮;王忠民;常天英;曾祥豹;王海旭;程立耀
• 申請（專利權）人: 珠海任馳光電科技有限公司
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司37221
• 代理人: 張勇

技術領域

本實用新型屬于氣體檢測領域，尤其涉及一種偽差分波長調制光纖甲烷氣體濃度檢測裝置。

背景技術

氣體濃度檢測方法有電化學法、電氣法、氣相色譜法和光學法等。電化學法利用電化學方法，使用電極與電解液對氣體進行檢測；電氣法利用半導體氣體敏感器件進行檢測；氣相色譜法是一種物理分離分析技術，用吸附劑使物質成分按吸附能力的強弱層析在色譜上，是一種實驗室方法；光學法是利用氣體的光折射率或者光譜吸收特性檢測氣體。

目前的檢測光纖甲烷氣體濃度的方法是一種基于光譜吸收的光學方法，其通過測量甲烷氣體透射或反射光強的變化得到甲烷氣體濃度。每種氣體分子都有自己的吸收譜線，光源發出的光信號只有在與被測氣體吸收譜線重疊的部分才產生吸收效應，吸收后的光信號強度發生衰減。

當一束光強為I₀的平行光通過含有甲烷氣體的氣室時，如果光信號覆蓋甲烷氣體的吸收譜線，則透射或反射光強發生衰減。根據比爾-朗伯(Beer-Lambert)定律，輸出光強I(λ)與輸入光強I₀(λ)、氣體濃度C之間的關系為：

其中，α_λ是甲烷氣體在光波長為λ時的吸收系數，L是吸收路徑的長度。

由式(2-1)可得：

當光信號波長λ恒定時，α_λ是一個常數，L可以測量得到。所以，通過檢測I₀(λ)和I(λ)就可以得到甲烷氣體濃度。

在使用光譜吸收原理檢測甲烷氣體濃度時，有許多因素會影響到檢測精度：光源的功率和波長漂移、光信號鏈路耦合處耦合狀態的變化、環境噪聲、光電器件指標漂移等。為了克服這些隨機因素對檢測精度的影響，現有技術中，普遍采用的方法主要有差分吸收檢測方法和諧波檢測方法。

其中，差分吸收檢測方法的基本原理是：光源發出的光被分成兩路，一路帶有甲烷氣體的濃度信息，作為檢測信號；另一路帶有未經甲烷氣體吸收的信息，作為參考信號。采用單波長雙光路或者雙波長單光路的結構，利用差分原理實現甲烷氣體濃度的高精度測量。這種方法可以在一定程度上消除光源功率漂移、環境噪聲、光電器件指標漂移等因素的不利影響，但仍存在許多不足：

(1)檢測信號鏈路和參考信號鏈路存在一定的差異，隨機噪聲也不一致，會影響檢測精度。

(2)針對寬帶光源，檢測精度低。差分吸收檢測方法最初主要應用于寬帶光源，使用不同中心波長的光柵或者濾光片得到需要的兩種波長的光信號。但是寬帶光源在某個特定波長的光功率很小，經過信號鏈路、傳感探頭、甲烷氣體返回后的光功率更小，信噪比較低，導致檢測精度比較低。

(3)針對窄帶光源，實現技術難度大。隨著功率更大、穩定性更好的單波長窄帶光源應用越來越廣泛，差分吸收檢測方法也開始應用于窄帶光源，通過改變窄帶激光器驅動電流的大小得到兩種波長的光信號。當激光器驅動電流改變時，隨著波長的改變，其輸出功率也產生變化，所以通過調節電流比率和光路的手段實現該檢測方法應用的必要條件I₀(λ₁)K(λ₁)＝I₀(λ₂)K(λ₂)，在技術實現上非常困難。

諧波檢測方法可以消除光源功率漂移等共模噪聲帶來的干擾，但是也存在如下不足：

(1)技術實現難度大。為了獲得高精度的測量結果，諧波檢測方法在信號鏈路中要用到倍頻器、鎖相放大器、積分器，在算法處理過程中要用到傅里葉變換、除法算法，以及為了對準甲烷氣體吸收譜線中心波長的解析分析算法和補償偏差算法，技術實現難度很大。

(2)響應時間長。諧波檢測方法的算法處理過于復雜，為了得到足夠多的時域數據，需要較長的處理周期，犧牲了檢測的單次響應時間。而響應時間在多數甲烷氣體濃度檢測的應用領域，例如煤礦安全生產領域，是同檢測精度一樣重要的技術指標。

實用新型內容

為了解決現有技術的不足，本實用新型提供了一種偽差分波長調制光纖甲烷氣體濃度檢測裝置，本實用新型利用鋸齒波調制、方波調制和微分器、積分運算等技術手段，實現了甲烷氣體濃度的高精度測量。

本實用新型的一種偽差分波長調制光纖甲烷氣體濃度檢測裝置，包括：

驅動信號發生器，其與光源相連，用于產生載有高頻方波的鋸齒波電流信號來驅動光源；所述光源還與溫控器相連；