專利名稱：多組分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體濃度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種多組分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，適用于工業(yè)環(huán)境中多種氣體濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。
背景技術(shù)：
工業(yè)生產(chǎn)過程中所排放的有毒有害、易燃易爆氣體，對(duì)環(huán)境污染和生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重的威脅，為了盡可能地減輕這一危害，就必須對(duì)多種氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)掌握這些氣體的泄漏、排放和分布情況，并采取有效的控制措施。現(xiàn)有的氣體濃度檢測(cè)技術(shù)種類很多，傳統(tǒng)的電化學(xué)氣體濃度測(cè)量方法存在壽命短、精度低、響應(yīng)慢、穩(wěn)定性差、調(diào)校困難及對(duì)氣體選擇性差等缺點(diǎn)，而且傳感器自身帶電，在易燃易爆等工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用時(shí)存在安全隱患。光學(xué)氣體傳感技術(shù)是一種新興的氣體檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)利用氣體的光學(xué)特性來檢測(cè)氣體濃度，按機(jī)理可劃分為熒光型、折射率變化型、倏逝場(chǎng)型、光聲光譜型和光譜吸收型，其中光譜吸收型與其他方式相比，具有很高的測(cè)量靈敏度，極高的氣體鑒別能力和快速的響應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)?？烧{(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種光譜吸收型氣體檢測(cè)技術(shù)，其是利用半導(dǎo)體激光器可調(diào)諧和窄線寬的特性，使激光器波長掃描通過目標(biāo)氣體的吸收峰，由探測(cè)得到的氣體高分辨吸收譜線并利用郎伯比爾(Beer-Lambert)定律推算出待測(cè)氣體濃度。與傳統(tǒng)傳感器相比，可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)結(jié)合光纖傳感技術(shù)可使無源檢測(cè)探頭與有源儀表分離實(shí)現(xiàn)無源布置，具有靈敏度高、鑒別能力強(qiáng)、抗電磁干擾、本質(zhì)安全等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)遠(yuǎn)程測(cè)量，代表了氣體檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的方向。然而，由于檢測(cè)不同氣體需要不同波長的激光器，因此現(xiàn)有光纖氣體傳感器多獨(dú)自成系統(tǒng)，即檢測(cè)不同氣體使用不同的傳感探頭，而且自享一套信號(hào)處理系統(tǒng)，這種分離式的檢測(cè)方法不具備經(jīng)濟(jì)性，而且安裝現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)的簡(jiǎn)易化、規(guī)?；Ｌ貏e是在復(fù)雜工況環(huán)境下(如煤礦井下)，多種氣體各自傳感檢測(cè)的操作難度大，多點(diǎn)、遠(yuǎn)距離傳輸檢測(cè)更是加大了前期的投入成本(如鋪設(shè)數(shù)量眾多的光纜)和后期的管理難度(如傳感器的調(diào)校維護(hù))。因此開發(fā)高集成度，多種氣體一體化測(cè)量的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)顯得意義重大，而且具有非常高的經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多組分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)多種氣體一體化測(cè)量，簡(jiǎn)化多點(diǎn)、多種氣體傳感檢測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高多點(diǎn)、多種氣體檢測(cè)的系統(tǒng)共享度，實(shí)現(xiàn)多種氣體傳感的集約性、經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是—種多組分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，它由氣體檢測(cè)模塊、光開關(guān)控制模塊和傳感探頭網(wǎng)絡(luò)三部分組成；所述的氣體檢測(cè)模塊包括微處理器1、1X4光開關(guān)、4種不同波長DFB (分布反饋式半導(dǎo)體)激光器、光電二極管、I個(gè)RS232轉(zhuǎn)光纖器件I和信號(hào)處理電路，所述的光開關(guān)控制模塊包括I個(gè)RS232轉(zhuǎn)光纖器件2、微處理器2和2個(gè)I X N光開關(guān)，所述的傳感探頭網(wǎng)絡(luò)有N個(gè)傳感探頭布置在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)；其中微處理器I 一個(gè)接口接4種不同波長DFB激光器，一個(gè)接口接1X4光開關(guān)，微處理器I由3#光纖通過RS232轉(zhuǎn)光纖器件I及RS232轉(zhuǎn)光纖器件2與微處理器2通信，4種不同波長DFB激光器連接1X4光開關(guān)并由1#光纖與I個(gè)I XN光開關(guān)連通后再通過N芯光纜接N個(gè)傳感探頭一端，N個(gè)傳感探頭另一端由2#光纖通過另I個(gè)I XN光開關(guān)與光電二極管通信，信號(hào)處理電路輸入端接光電二極管，輸出端接微處理器1，微處理器I接有顯示器，微處理器2輸出端接2個(gè)IXN光開關(guān)。本發(fā)明的一種多組分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方法，首先，微處理器I通過RS232轉(zhuǎn)光纖器件2與微處理器2通信，控制兩個(gè)I XN光開關(guān)同步切換，使得1#光纖和2#光纖與傳感探頭I兩端光纖連通，同時(shí)，控制I X 4光開光切換，依次讓不同中心波長DFB激光器發(fā)出的激光光譜分時(shí)進(jìn)入到1#光纖，送達(dá)傳感探頭1，并由2#光纖接收帶有氣體濃度信息的光信號(hào)，傳送回氣體檢測(cè)模塊進(jìn)行處理分析，從而實(shí)現(xiàn)在傳感探頭I處對(duì)多種氣體濃度的檢測(cè)；然后，微處理器I發(fā)出命令給微處理器2控制兩個(gè)I XN光開關(guān)切換至傳感探頭2，進(jìn)行多種氣體濃度檢測(cè)；如此，依次循環(huán)進(jìn)行各個(gè)探頭處多種氣體(CO，CO2, CH4, C2H2)的濃度檢測(cè)。本發(fā)明中傳感探頭網(wǎng)絡(luò)中的傳感探頭為空腔圓柱結(jié)構(gòu)，其空腔為氣室，兩端部各有I個(gè)透氣孔，傳感探頭兩端裝有光纖準(zhǔn)直器用以實(shí)現(xiàn)光路的準(zhǔn)直以及氣室與光纖的耦合，在準(zhǔn)直器的前端插有斜8°的玻璃窗，在兩個(gè)透氣孔的端部加有兩個(gè)方向相反的導(dǎo)氣柵將氣流引入氣室內(nèi)部。本發(fā)明中氣體檢測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能①驅(qū)動(dòng)檢測(cè)不同氣體的各個(gè)不同中心波長的DFB (分布反饋式半導(dǎo)體)激光器，并控制1X4光開關(guān)輪流輸出各個(gè)波長的激光接收帶有氣體濃度信息的光信號(hào)，進(jìn)行分析處理，獲取氣體濃度值；③利用RS232 口轉(zhuǎn)光纖器件2控制光開關(guān)控制模塊，實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感探頭的輪流檢測(cè)。光開關(guān)控制模塊通過RS232口轉(zhuǎn)光纖器件2接收氣體檢測(cè)模塊的控制信息，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)IXN光開關(guān)的同步切換。傳感探頭網(wǎng)絡(luò)布置在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，獲取多個(gè)位置、多種氣體的濃度信息，并反饋給氣體檢測(cè)模塊進(jìn)行處理。本發(fā)明的有益效果是該設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成度、共享度高，簡(jiǎn)化了多種氣體一體化測(cè)量的復(fù)雜度，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(cè)量，操作簡(jiǎn)單易實(shí)施，經(jīng)濟(jì)性好。


圖1是多組分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原理圖。圖2是傳感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1_氣室,2-準(zhǔn)直器,3-斜8 °的玻璃窗,4-導(dǎo)氣柵,5-光纖,6-透氣孔，MCUl-微處理器1，MCU2-微處理器2，PD-光電二極管，0PT232-1為RS232轉(zhuǎn)光纖器件1，0PT232-2為RS232轉(zhuǎn)光纖器件2。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。如圖1所示，多組分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)由氣體檢測(cè)模塊、光開關(guān)控制模塊和傳感探頭網(wǎng)絡(luò)三部分組成。氣體檢測(cè)模塊可放置在監(jiān)控中心，遠(yuǎn)離監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，其中DFB激光器發(fā)出與相應(yīng)氣體吸收波長相對(duì)應(yīng)的激光到傳感探頭，并對(duì)采集回的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理以及顯示，微處理器I對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制整合等。光開關(guān)控制模塊可放置在靠近監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的安全區(qū)域，其主要是微處理器2通過RS232轉(zhuǎn)光纖器件2 (0PT232-2)與微處理器I通信，控制兩個(gè)IXN光開關(guān)同步切換。傳感探頭網(wǎng)絡(luò)放置在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，獲取氣體濃度信息。圖2是傳感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖，其為空腔圓柱結(jié)構(gòu)，光通過其中時(shí)被氣體吸收而使得光強(qiáng)衰減。傳感探頭兩端采用光纖準(zhǔn)直器2實(shí)現(xiàn)光路的準(zhǔn)直以及氣室I與光纖5的耦合，在準(zhǔn)直器的前端插入斜8°的玻璃窗3，以防止灰塵污染光路而影響傳感器的壽命，也便于清理沾附的灰塵。在兩個(gè)透氣孔6的端部加上兩個(gè)方向相反的導(dǎo)流柵4，以很好的將氣流引入氣室I內(nèi)部。氣體濃度檢測(cè)的具體實(shí)施過程如下當(dāng)微處理器I發(fā)出命令進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)時(shí)，其先控制選擇I X4光開關(guān)的一路導(dǎo)通(如檢測(cè)CH4的DFB激光器)，激光光譜就通過1#光纖傳輸?shù)焦忾_關(guān)控制模塊。與此同時(shí)，微處理器I通過RS232轉(zhuǎn)光纖器件I和RS232轉(zhuǎn)光纖器件2發(fā)出命令經(jīng)3#光纖傳輸給微處理器2，告知其控制兩個(gè)I XN光開關(guān)同步切換進(jìn)行氣體濃度檢測(cè)，當(dāng)成功切換到某一檢測(cè)點(diǎn)(如傳感探頭I)時(shí)，傳輸回的帶有氣體濃度信息的光信號(hào)就通過2#光纖被送至氣體檢測(cè)模塊進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理，以獲取CH4氣體濃度信息。然后，微處理器I控制I X 4光開關(guān)切換，選擇第2個(gè)激光器(如檢測(cè)C2H2的DFB激光器)輸出，同理，檢測(cè)出傳感探頭I處的C2H2氣體濃度。當(dāng)微處理器I控制1X4光開關(guān)切換，對(duì)傳感探頭2處的4種氣體濃度檢測(cè)完畢后，發(fā)出命令給微處理器2控制兩個(gè)I XN光開關(guān)切換至傳感探頭2處，進(jìn)行4種氣體濃度檢測(cè)。如此，依次循環(huán)進(jìn)行各個(gè)探頭處多種氣體的濃度檢測(cè)。本發(fā)明適用于煤礦、石油、石化、天然氣等行業(yè)中多組分氣體濃度的一體化檢測(cè)，也適用于其他環(huán)境下多種氣體的濃度檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種多組分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，其特征在于:它由氣體檢測(cè)模塊、光開關(guān)控制模塊和傳感探頭網(wǎng)絡(luò)三部分組成；所述的氣體檢測(cè)模塊包括微處理器I (MCU1)、1X4光開關(guān)、4種不同波長DFB激光器、光電二極管(PD)、I個(gè)RS232轉(zhuǎn)光纖器件I (0PT232-1)和信號(hào)處理電路，所述的光開關(guān)控制模塊包括I個(gè)RS232轉(zhuǎn)光纖器件2(0PT232-2)、微處理器2(MCU2)和2個(gè)IXN光開關(guān)，所述的傳感探頭網(wǎng)絡(luò)有N個(gè)傳感探頭布置在監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)；其中微處理器I(MCUl)—個(gè)接口接4種不同波長DFB激光器，一個(gè)接口接1X4光開關(guān)，微處理器I (MCUl)由3#光纖通過RS232轉(zhuǎn)光纖器件I (0PT232-1)及RS232轉(zhuǎn)光纖器件2 (0PT232-2)與微處理器2 (MCU2)通信，4種不同波長DFB激光器連接1X4光開關(guān)并由1#光纖與I個(gè)IXN光開關(guān)連通后再通過N芯光纜接N個(gè)傳感探頭一端，N個(gè)傳感探頭另一端由2#光纖通過另I個(gè)IXN光開關(guān)與光電二極管(PD)通信,信號(hào)處理電路輸入端接光電二極管(PD),輸出端接微處理器I (MCU1)，微處理器1 (MCUl)接有顯示器，微處理器2 (MCU2)輸出端接2個(gè)IXN光開關(guān)。
2.權(quán)利要求1所述的一種多組 分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，其特征在于:首先，微處理器I (MCUl)通過RS232轉(zhuǎn)光纖器件2 (0PT23-2)與微處理器2 (MCU2)通信，控制兩個(gè)I XN光開關(guān)同步切換，使得1#光纖和2#光纖與傳感探頭I兩端光纖連通，同時(shí)，控制I X 4光開光切換，依次讓不同中心波長DFB激光器發(fā)出的激光光譜分時(shí)進(jìn)入到1#光纖，送達(dá)傳感探頭1，并由2#光纖接收帶有氣體濃度信息的光信號(hào)，傳送回氣體檢測(cè)模塊進(jìn)行處理分析，從而實(shí)現(xiàn)在傳感探頭I處對(duì)多種氣體濃度的檢測(cè)；然后，微處理器I (MCUl)發(fā)出命令給微處理器2 (MCU2)控制兩個(gè)I XN光開關(guān)切換至傳感探頭2，進(jìn)行多種氣體濃度檢測(cè)；如此，依次循環(huán)進(jìn)行各個(gè)探頭處多種氣體的濃度檢測(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多組分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)，其特征是:所述的傳感探頭網(wǎng)絡(luò)中的傳感探頭為空腔圓柱結(jié)構(gòu)，其空腔為氣室(I)，兩端部各有I個(gè)透氣孔(6)，傳感探頭兩端裝有光纖準(zhǔn)直器(2)實(shí)現(xiàn)光路的準(zhǔn)直以及氣室與光纖的耦合，在準(zhǔn)直器的前端插有斜8°的玻璃窗(3)，在兩個(gè)透氣孔(6)的端部加有兩個(gè)方向相反的導(dǎo)氣柵(4)將氣流引入氣室內(nèi)部。
全文摘要
一種多組分氣體光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。包括微處理器1、1×4光開關(guān)、4種不同波長DFB激光器、光電二極管、2個(gè)RS232轉(zhuǎn)光纖器件、信號(hào)處理電路、微處理器2、2個(gè)1×N光開關(guān)和N個(gè)傳感探頭。其應(yīng)用是微處理器1通過RS232轉(zhuǎn)光纖器件與微處理器2通信，控制兩個(gè)1×N光開關(guān)同步切換，使1#光纖和2#光纖與傳感探頭1兩端光纖連通，同時(shí)，1×4光開關(guān)切換依次讓不同波長DFB激光器發(fā)出的激光光譜分時(shí)進(jìn)入到1#光纖送達(dá)傳感探頭1，由2#光纖接收氣體濃度信息光信號(hào)送回處理分析，實(shí)現(xiàn)傳感探頭1處對(duì)多種氣體濃度的檢測(cè)。然后依次循環(huán)切換至各個(gè)探頭處進(jìn)行多種氣體濃度檢測(cè)。本發(fā)明適用于易燃易爆環(huán)境下多組分氣體檢測(cè)，經(jīng)濟(jì)性好。
文檔編號(hào)G01N21/31GK103076295SQ20131000097
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者李政穎, 王洪海, 王立新, 譚玖, 孫文豐 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)