一種雙波長差分甲烷濃度傳感器的制造方法
【專利摘要】本申請涉及一種雙波長差分甲烷濃度傳感器，包括光源，光處理模塊，信號處理模塊和信號分析模塊。其中光源用于發(fā)出光信號。光處理模塊包括一個光電探測器，光處理模塊用于過濾光源發(fā)出的光信號，使一組第一波長的光信號和一組第二波長的光信號通過，然后周期性的使上述兩組光信號分別經(jīng)過待測氣體傳送至光電探測器，再由光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。信號處理模塊用于對光處理模塊輸出的電信號進行濾波和放大。信號分析模塊用于分析信號處理模塊輸出的電信號。
【專利說明】一種雙波長差分甲烷濃度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請屬于安全生產(chǎn)領(lǐng)域，具體涉及一種基于紅外差分檢測原理的雙波長差分甲烷濃度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]甲烷是一種易燃易爆氣體，是礦井瓦斯及天然氣等多種氣體燃料的主要成分。它廣泛存在于地質(zhì)煤層中，是威脅煤礦安全的第一因素。因此，研究一種檢測方法，實時準(zhǔn)確地檢測甲烷濃度，對煤礦安全運行有重要意義。
[0003]到目前為止，檢測甲烷氣體濃度的方法有很多種，國內(nèi)使用的檢測方法主要有:催化元件法、熱傳導(dǎo)法、光干涉法和紅外光譜吸收法。
[0004]催化元件法是利用惠更斯電橋，甲烷在催化物質(zhì)作用下通過加熱使催化原件的電阻發(fā)生變化，從而改變了電橋平衡來測量甲烷濃度。這種方法存在著適用壽命短、測量范圍小，易中毒和穩(wěn)定度差這些缺點。
[0005]熱導(dǎo)原理是利用空氣與甲烷的熱導(dǎo)率不同來測定甲烷濃度。這種方法的缺點在于它對導(dǎo)熱率不同于空氣的氣體均敏感，在檢測甲烷時，某些背景氣體會帶來一定的誤差。
[0006]光干涉法是應(yīng)用光的折射率和測量氣體中甲烷的濃度有關(guān)來檢測甲烷氣體的濃度的。這種方法的弊端是選擇性差，受溫度變化和氣壓影響會帶來誤差，還有容易受其他氣體的影響等。
[0007]紅外光譜吸收法是近幾年來發(fā)展起來的一種新方法，它是由光譜分析技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。利用這種原理所研制的瓦斯傳感器可以克服現(xiàn)役傳感器固有的缺陷，實現(xiàn)反應(yīng)快、壽命長、調(diào)校周期長等技術(shù)目標(biāo)，目前該裝置已經(jīng)廣泛運用于甲烷濃度探測當(dāng)中。雙波長差分法為紅外光譜吸收法的一種，傳統(tǒng)的雙波長差分法由于使用了倆個光電探測器，其檢測結(jié)果必然會存在誤差，其采用的普通氣室也會存在雜質(zhì)粒子散射和氣室內(nèi)壁散射的問題，導(dǎo)致檢測結(jié)果的不準(zhǔn)確。
實用新型內(nèi)容
[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本申請?zhí)岢隽艘环N雙波長差分甲烷濃度傳感器，技術(shù)方案如下:
[0009]包括光源，光處理模塊，信號處理模塊和信號分析模塊；
[0010]其中
[0011]所述光源用于發(fā)出光信號；
[0012]所述光處理模塊包括一個濾光模塊、一個光電探測器、一個旋轉(zhuǎn)采光機和一個氣室;
[0013]所述濾光模塊用于過濾光源發(fā)出的光信號，使一組第一波長的光信號和一組第二波長的光信號通過；
[0014]所述氣室內(nèi)流通有待測氣體；[0015]所述旋轉(zhuǎn)采光機周期性的使上述兩組光信號分別經(jīng)過所述氣室傳送至所述光電探測器；
[0016]所述光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0017]所述信號處理模塊用于對所述光處理模塊輸出的電信號進行濾波和放大；
[0018]所述信號分析模塊用于分析所述信號處理模塊輸出的電信號。
[0019]進一步的，
[0020]所述光源是發(fā)光二極管LED或半導(dǎo)體激光器。
[0021]進一步的，
[0022]所述濾光模塊包括凸透鏡、圓柱體光室、上濾光片、下濾光片；
[0023]所述凸透鏡用于將光源發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)換為平行光信號；
[0024]所述上濾光片和下濾光片設(shè)置于所述圓柱體光室的光路徑中間截面；
[0025]所述上濾光片可以通過中心波長為第一波長的光信號；
[0026]所述下濾光片可以通過中心波長為第二波長的光信號；
[0027]所述旋轉(zhuǎn)采光機設(shè)置于所述圓柱體光室的末端；
[0028]所述旋轉(zhuǎn)米光機、氣室和光電探測器一起旋轉(zhuǎn)。
[0029]進一步的，
[0030]所述上濾光片和下濾光片的濾波系數(shù)相等。
[0031]進一步的，
[0032]采用步進電機驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)采光機、氣室和光電探測器旋轉(zhuǎn)；
[0033]所述旋轉(zhuǎn)米光機包括一個通光窗口 ；
[0034]所述旋轉(zhuǎn)米光機每轉(zhuǎn)動一圈，所述通光窗口有上下兩個停止位置；
[0035]當(dāng)停止于上面的停止位置時，所述第一波長的光信號從所述通光窗口穿過；
[0036]當(dāng)停止于下面的停止位置時，所述第二波長的光信號從所述通光窗口穿過。
[0037]進一步的，
[0038]所述氣室的入口、出口為楔形棱鏡；
[0039]所述氣室前后兩端為兩塊平面反射鏡；
[0040]所述氣室的上下兩端為防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
[0041]進一步的，
[0042]所述光電探測器是光電子發(fā)射探測器或光電導(dǎo)探測器或光伏探測器。
[0043]進一步的，
[0044]所述第一波長為1.650 μ m ;
[0045]所述第二波長為1.620 μ m。
[0046]本申請所提出的雙波長差分甲烷濃度傳感器，通過結(jié)構(gòu)的改進，消除了不同探測器特性差異帶來的誤差以及氣室散射帶來的問題，進一步提高了檢測的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]圖1為本申請雙波長差分甲烷濃度傳感器的基本結(jié)構(gòu)。
[0048]圖2為光處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0049]其中，附圖標(biāo)記依次為:凸透鏡201、圓柱體光室202、上濾光片203、下濾光片204、旋轉(zhuǎn)采光機205、氣室206、光電探測器207。
[0050]圖3為信號處理模塊濾波和放大電路示意圖。
【具體實施方式】
[0051]本申請?zhí)岢龅碾p波長差分甲烷濃度傳感器主要由光源，光處理模塊，信號處理模塊，信號分析模塊四部分組成，如圖1所示。
[0052]其中，光源用于發(fā)出光信號；
[0053]光處理模塊用于對光信號進行處理，并將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；
[0054]信號處理模塊用于對電信號進行處理；
[0055]信號分析模塊用于對電信號進行分析從而得到甲烷的濃度。
[0056]光源可以選擇發(fā)光二極管LED或半導(dǎo)體激光器LD。
[0057]圖2為光處理模塊的結(jié)構(gòu)示意圖，這是整個傳感器的核心模塊，由凸透鏡201、圓柱體光室202、上濾光片203、下濾光片204、旋轉(zhuǎn)采光機205、氣室206和光電探測器207組成。
[0058]光處理模塊對光進行處理的過程如下:由光源發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡201后轉(zhuǎn)換為平行光，平行光經(jīng)過圓柱體光室202，在圓柱體光室202的光路徑中間沿截面設(shè)置有兩塊濾光片203、204，上濾光片203可以通過中心波長為A1(LeSOym)的光線，下濾光片可以通過中心波長為λ 2(1.620 μπι)的光線，兩塊濾光片的濾光系數(shù)相等，上述兩種波長的光線可以穿過濾光片沿光路徑繼續(xù)傳輸，而除兩塊濾光片外，截面的其它部分不透光。光線經(jīng)過上、下濾光片后一分為二，剩余中心波長為A1(USOym)和λ 2 (1.620 μ m)的兩組光線。
[0059]在圓柱體光室202的末端設(shè)置有一個旋轉(zhuǎn)采光機205，由步進電機進行驅(qū)動，步進電機帶動旋轉(zhuǎn)采光機205、氣室206和光電探測器207 —起旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)采光機205包括一個通光窗口，旋轉(zhuǎn)采光機205每轉(zhuǎn)動一圈，通光窗口有上下兩個停止位置，當(dāng)停止于上面的停止位置時，波長為λ 光線從通光窗口穿過，當(dāng)停止于下面的停止位置時，波長為λ2的光線從通光窗口穿過，該旋轉(zhuǎn)采光機205用于將上述兩組波長不同的光線在不同的時間段傳送到氣室206，由同一個光電探測器207來進行檢測，從而消除由于光電探測器個體的特性不同給測量結(jié)果帶來的誤差。
[0060]氣室206中的待測氣體對光產(chǎn)生吸收作用。光線傳送到氣室206后，氣室206的入口為楔形棱鏡，有利于調(diào)整光線的入射角度。氣室前后兩端為兩塊平面反射鏡，通過調(diào)整光線的入射角度，利用反射鏡使光路在氣室中經(jīng)過多次反射，能夠增加光程，進而可以有效的提高檢測的靈敏度。圖2氣室206中的折線示出了光路。氣室206的上下兩端為防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，既有利于空氣的流通，又能避免空氣中粉塵對測量結(jié)果帶來的誤差。氣室206的出口也為楔形棱鏡。最后，光線從出口棱鏡中射出至光電探測器207，利用光電探測器207將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。
[0061]光電探測器207可以采用光電子發(fā)射探測器、光電導(dǎo)探測器或者光伏探測器。
[0062]信號處理模塊對光電探測器207輸出的電信號進行濾波、放大處理,信號處理模塊可以采用各種濾波和放大模塊，圖3只是示出了一種適用于本申請的濾波器和放大器結(jié)構(gòu)，信號(電信號)從左端輸入，經(jīng)濾波、放大后輸出。
[0063]最后，信號處理模塊將電信號輸出至信號分析模塊，由信號分析模塊根據(jù)測量到的電信號K，和預(yù)設(shè)的規(guī)則對甲烷濃度進行分析。
[0064]光電探測器207在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)接收到兩組光信號\、\，
【權(quán)利要求】
1.一種雙波長差分甲烷濃度傳感器，其特征在于: 包括光源，光處理模塊，信號處理模塊和信號分析模塊； 其中 所述光源用于發(fā)出光信號； 所述光處理模塊包括一個濾光模塊、一個光電探測器、一個旋轉(zhuǎn)采光機和一個氣室；所述濾光模塊用于過濾光源發(fā)出的光信號，使一組第一波長的光信號和一組第二波長的光信號通過； 所述氣室內(nèi)流通有待測氣體； 所述旋轉(zhuǎn)采光機周期性的使上述兩組光信號分別經(jīng)過所述氣室傳送至所述光電探測器； 所述光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號； 所述信號處理模塊用于對所述光處理模塊輸出的電信號進行濾波和放大； 所述信號分析模塊用于分析所述信號處理模塊輸出的電信號； 所述濾光模塊包括凸透鏡、圓柱體光室、上濾光片、下濾光片； 所述凸透鏡用于將光源發(fā)出的光信號轉(zhuǎn)換為平行光信號； 所述上濾光片和下濾光片設(shè)置于所述圓柱體光室的光路徑中間截面； 所述上濾光片可以通過中心波長為第一波長的光信號； 所述下濾光片可以通過中心波長為第二波長的光信號； 所述旋轉(zhuǎn)采光機設(shè)置于所述圓柱體光室的末端； 所述旋轉(zhuǎn)米光機、氣室和光電探測器一起旋轉(zhuǎn)； 所述旋轉(zhuǎn)米光機包括一個通光窗口； 所述旋轉(zhuǎn)采光機每轉(zhuǎn)動一圈，所述通光窗口有上下兩個停止位置； 當(dāng)停止于上面的停止位置時，所述第一波長的光信號從所述通光窗口穿過； 當(dāng)停止于下面的停止位置時，所述第二波長的光信號從所述通光窗口穿過。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 所述光源是發(fā)光二極管LED或半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 所述上濾光片和下濾光片的濾波系數(shù)相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 采用步進電機驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)采光機、氣室和光電探測器旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 所述氣室的入口、出口為楔形棱鏡； 所述氣室前后兩端為兩塊平面反射鏡； 所述氣室的上下兩端為防塵網(wǎng)結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 所述光電探測器是光電子發(fā)射探測器或光電導(dǎo)探測器或光伏探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長差分甲烷濃度傳感器，其中: 所述第一波長為1.650 μ m ； 所述第二波長為1.620 μ m。
【文檔編號】G01N21/3504GK203720078SQ201320656317
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月23日
【發(fā)明者】侯志文, 王啟銀, 王曉強, 劉秀卿, 姚學(xué)武, 安雷, 趙飛 申請人:國家電網(wǎng)公司, 山西省電力公司大同供電分公司