[發(fā)明專利]一種隧道安全監(jiān)測的全光纖激光檢測系統(tǒng)與工作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011255466.8
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112432664B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葉帥;夏金寶;聶鴻坤;張百濤;楊克建;何京良
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G01N21/39;G01B11/02;G01B11/16
• 代理公司: 濟(jì)南金迪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37219
• 代理人: 王楠

1.一種隧道安全監(jiān)測的全光纖激光檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器，激光器輸出光路上設(shè)有光纖分束器1，光纖分束器1的兩路輸出分別至光纖分束器2和光纖調(diào)制器，光纖調(diào)制器輸出連接至光纖分束器3；

光纖分束器3的兩個輸出分別連接至光纖合束器1和光纖合束器2；

光纖分束器2的一路輸出經(jīng)過光纖環(huán)形器連接至光纖合束器1，光纖分束器2的另一路輸出經(jīng)過反射鏡反射后、通過非球面透鏡、光纖耦合頭連接至光纖合束器2；

光纖合束器1經(jīng)過光電探測器1連接至數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)，光纖合束器2經(jīng)過光電探測器2連接至數(shù)據(jù)采集處理與控制系統(tǒng)；

光纖分束器1為90/10光纖分束器，激光器通過90/10光纖分束器分為90％能量的A路和10％能量的B路，A路輸入至光纖分束器2；

光纖分束器2為90/10光纖分束器，A路激光再經(jīng)過90/10光纖分束器2分為90％能量的E路和10％能量的F路；

光纖分束器3為45/55光纖分束器，B路激光通過光纖調(diào)制器后，再經(jīng)45/55光纖分束器3分為45％能量的C路和55％能量的D路；

E路激光經(jīng)過反射鏡反射、非球面透鏡耦和到光纖耦合頭中；

F路信號經(jīng)過光纖環(huán)形器后與C路激光通過光纖合束器1合束后在光電探測器1上產(chǎn)生信號1；

耦和到光纖耦合頭的激光與D路激光通過光纖合束器2合束后在光電探測器2上產(chǎn)生信號2；

信號1包括根據(jù)時(shí)序產(chǎn)生的拍頻信號，信號2包括根據(jù)時(shí)序產(chǎn)生的拍頻信號和吸收信號；

數(shù)據(jù)采集處理及控制系統(tǒng)產(chǎn)生調(diào)制信號驅(qū)動激光器；調(diào)制信號為三角波信號，調(diào)制信號的波長周期為T，T＝T1+T2+T3；0-T1時(shí)刻，采用正弦信號和上升時(shí)間三角波信號實(shí)現(xiàn)對其水汽的測量，在T1-T2時(shí)刻，采用正弦信號和上升時(shí)間三角波信號實(shí)現(xiàn)對甲烷測量；在T2-T3時(shí)刻，采用下降時(shí)間三角波信號，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的位移形變監(jiān)測。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道安全監(jiān)測的全光纖激光檢測系統(tǒng)，其特征在于，激光器為窄線寬激光器，線寬10KHz。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道安全監(jiān)測的全光纖激光檢測系統(tǒng)，其特征在于，所采用的激光器波長調(diào)制范圍為6046cm^-1-6050cm^-1。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隧道安全監(jiān)測的全光纖激光檢測系統(tǒng)，其特征在于，E路激光經(jīng)過光束準(zhǔn)直后射入錐角反射鏡上，經(jīng)錐角反射鏡反射、光束通過光接收透鏡匯集、射入反射鏡，經(jīng)反射鏡反射后，射入非球面透鏡匯集，經(jīng)非球面透鏡收集后耦和到光纖耦合頭中。

5.一種利用權(quán)利要求4所述隧道安全監(jiān)測的全光纖激光檢測系統(tǒng)的工作方法，包括步驟如下：

所采用的激光器波長調(diào)制范圍覆蓋甲烷和水汽；整個調(diào)制周期為T，T＝T1+T2+T3；0-T1時(shí)刻，采用正弦信號和上升時(shí)間三角波信號實(shí)現(xiàn)對其水汽的測量，在T1-T2時(shí)刻，采用正弦信號和上升時(shí)間三角波信號實(shí)現(xiàn)對甲烷測量；在T2-T3時(shí)刻，采用下降時(shí)間三角波信號，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的位移形變監(jiān)測；

在0-T1、T1-T2時(shí)刻，光纖調(diào)制器處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)，光纖分束器3、光纖合束器1、光電探測器1不工作；通過光電探測器2可以獲得氣體濃度信息，此時(shí)，激光器經(jīng)過光纖分束器1和光纖分束器2后，直接耦和輸出到隧道內(nèi)部的錐角反射鏡處，反射回的信號經(jīng)過光接收透鏡接收后，再經(jīng)反射鏡反射后，通過非球面透鏡匯聚到光纖耦和頭上，經(jīng)光電探測器2光電轉(zhuǎn)換后，通過數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得濃度氣體信息；在0-T1時(shí)刻測甲烷濃度、在T1-T2時(shí)刻測水汽濃度；

在T2-T3時(shí)刻，光纖調(diào)制器處于打開狀態(tài)，此時(shí)所有部件都正常工作，通過光電探測器1和光電探測器2獲得位移形變監(jiān)測。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述隧道安全監(jiān)測的全光纖激光檢測系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，T1時(shí)間為0.02S，T2時(shí)間為0.03S，T3時(shí)間為0.05秒。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述隧道安全監(jiān)測的全光纖激光檢測系統(tǒng)的工作方法，其特征在于，0-T1時(shí)刻，采用正弦信號和上升時(shí)間三角波信號實(shí)現(xiàn)對其水汽的測量，其中正弦調(diào)制系數(shù)為0.15cm^-1，在T1-T2時(shí)刻，采用正弦信號和上升時(shí)間三角波信號實(shí)現(xiàn)對甲烷測量，其中正弦調(diào)制系數(shù)為0.12cm^-1。