[发明专利]全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于检测领域中气体浓度的检测，具体地指一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法及装置。

背景技术

随着工业的发展，煤炭成为了必不可少的能源，但同时煤矿事故也不断发生。瓦斯爆炸事故作为煤矿安全生产的重要威胁之一，近年来频繁发生，因此，实时、准确地检测瓦斯气体浓度对煤矿安全生产和人民生命财产安全有着重要的社会和经济意义。

矿井瓦斯主要是煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，容易引发爆炸和人员窒息死亡等事故。国外对高瓦斯矿井一般采取关停措施，而我国由于对煤炭依赖严重，在煤矿管理上尚有许多不完善之处，许多高瓦斯矿井仍用于煤炭开采。现有的瓦斯浓度检测手段中，普遍采用的是基于热催化原理的瓦斯传感器，然而该传感器存在测量范围小、容易发生“中毒”现象和调校困难等缺点。此外，还有催化燃烧式瓦斯传感器，但是它遇高浓度甲烷冲击时元件的活性（灵敏度）会发生变化，致使读数不准确，且存在输出的双值性，即当空气中甲烷含量大于10%时，氧气浓度下降，造成甲烷燃烧不完全，输出值降低，出现两种不同甲烷气体浓度输出同一信号的现象。如果把高浓度误判为低浓度将十分危险。

可调谐半导体激光吸收光谱技术作为目前应用广泛的一种光谱吸收型气体检测技术，是利用半导体激光器的波长扫描和电流调谐特性对痕量气体进行测量的一种技术。由于半导体激光器的高单色性，因此可以利用气体分子的一条孤立吸收谱线对气体的吸收光谱进行测量，从而方便地从混合污染成分中鉴别出不同的分子，避免光谱的干扰。与传统传感器相比，可调谐激光吸收光谱技术具有灵敏度高、鉴别能力强、稳定性高等优点，代表了气体检测技术的发展方向。然而，普通光谱吸收式瓦斯传感器在做全量程检测时，存在检测灵敏度和检测范围的制约性，即：在进行全量程浓度检测时，难以满足低浓度瓦斯检测的灵敏度要求；在进行低浓度高灵敏度检测时，又由于电压限制使得高浓度瓦斯无法测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法及装置，能够克服现有光谱吸收式瓦斯检测中灵敏度和检测范围的相互制约，实现全量程的高灵敏度瓦斯气体浓度检测，对煤矿的安全监测具有重要意义。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测方法，包括如下步骤：

1）激光器由恒流源驱动，信号A和信号B叠加后驱动激光器，对激光器的输出波长进行调制，使激光器输出的中心波长与甲烷一条吸收线一致；所述信号A为周期间断性的高频正弦波，信号B为低频锯齿波，叠加后的信号在一个周期内分为上升和下降两部分，仅上升部分叠加有高频正弦波，用于测量低浓度时的瓦斯气体浓度，下降部分用于测量高浓度时的瓦斯气体浓度；

2）激光器输出的光信号送入传感气室，穿过传感气室的光信号经光电探测器转换为电信号；

3）将光电探测器转换后的电信号分为两路进行处理：一路依次经放大、低通滤波处理后，通过A/D转换直接采样分析处理，用于获取高浓度时的瓦斯气体浓度信息；另一路经锁相放大处理后，通过A/D转换采样分析处理，用于获取低浓度时的瓦斯气体浓度信息。

在上述技术方案的所述步骤3）中，锁相放大处理的具体操作为：该路电信号首先进行放大、高通滤波处理，成为x(t)信号，x(t)信号与r(t)信号在乘法器电路中相乘后，进行低通滤波、放大处理；所述r(t)信号为x(t)信号二倍频的方波信号，且x(t)信号与r(t)信号的相位为x(t)信号的每一个周期刚好对应r(t)信号的两个周期。

在上述技术方案的所述步骤3）中，高浓度和低浓度的临界值设定为体积浓度4～10%。

本发明提供的一种全量程高灵敏度瓦斯气体检测装置，包括激光器、恒流源、微处理器、信号发生电路、驱动电路、传感气室、光电探测器、锁相放大器和高浓度检测模块；所述恒流源与激光器连接，用于激光器的调谐；所述微处理器、信号发生电路、驱动电路和激光器依次连接，用于产生周期间断性的高频正弦波信号A和低频锯齿波信号B且叠加后对激光器的输出波长进行调制；所述激光器的输出端依次通过光纤与传感气室和光电探测器连接，分别用于实现瓦斯气体对光的吸收和光电转换；所述光电探测器的输出端分别与锁相放大器和高浓度检测模块连接，分别用于获取低浓度时的瓦斯气体浓度信息和高浓度时的瓦斯气体浓度信息，锁相放大器和高浓度检测模块的信号输出端分别与所述微处理器连接，用于信号处理和显示。

上述技术方案中，所述锁相放大器包括依次连接的：

第一放大电路，用于放大光电探测器的输出信号；