[发明专利]基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体浓度检测装置，属于气体浓度检测领域。

背景技术

近年来，我国煤矿井下瓦斯爆炸事故时有发生，造成了严重的人员伤亡和巨大的财产损失。煤矿井中瓦斯气体的主要成分为甲烷，其约占瓦斯气体总体积的85％～97％。因此，对煤矿井下甲烷气体的浓度进行实时检测能够有效地减少煤矿井下瓦斯爆炸事故的发生，是煤矿井下安全生产的重要保证。

现有的甲烷气体探测器主要分为手持式甲烷气体探测器和固装式甲烷气体探测器两种。手持式甲烷气体探测器虽然具有体积小巧、便于携带和灵活性高的优点，但也同时存在着探测精度低、因采用电池供电而有效工作时间短、需要人员下井探测和无法同时对多点进行探测的问题。与手持式甲烷气体探测器相比，固装式甲烷气体探测器的探测精度较高，通过在井下多个探测点设置固装式甲烷气体探测器，能够有效地解决现有手持式甲烷气体探测器存在的需要人员下井探测和无法同时对多点进行探测的问题。现有的固装式甲烷气体探测器通常采用供电电路进行供电，解决了现有手持式甲烷气体探测器有效工作时间短的问题。然而，现有的固装式甲烷气体探测器因采用有源气体传感器而可能对井下工作人员造成电击伤害。更为严重的是，有源气体传感器在工作过程中可能会产生电火花，这不利于煤矿井下的安全生产。

发明内容

本发明为解决现有的煤矿井下固装式甲烷气体探测器的安全性差的问题，提出了一种基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置。

本发明所述的基于光纤传感的分布式甲烷气体浓度检测装置包括激光光源、激光滤波及耦合单元、光纤隔离器、N个传感气室、N个输入侧耦合器、N个输出侧耦合器、激光滤波器、光电探测器、除法器、激光调制器和信号处理单元；

信号处理单元用于通过激光调制器对激光光源进行脉宽调制；

激光滤波及耦合单元用于对激光光源发出的激光进行滤波，得到波长1644nm的激光和波长1654nm的激光，并在将二者耦合后发射至光纤隔离器；

N个传感气室分别设置在N个甲烷气体浓度待测点，传感气室透气设置；

N个输入侧耦合器均为1×2耦合器，N个输出侧耦合器均为2×1耦合器；

光纤隔离器的输出端与第一输入侧耦合器的输入端相连；

对于第一输入侧耦合器～第N输入侧耦合器，前者的第一输出端与后者的输入端相连；

每个传感气室的激光输入端和激光输出端分别与同一序号的输入侧耦合器的第二输出端和同一序号的输出侧耦合器的第一输入端相连；

对于第一输出侧耦合器～第N输出侧耦合器，前者的第二输入端与后者的输出端相连；

激光滤波器用于过滤掉第一输出侧耦合器的出射激光中除波长1644nm的激光和波长1654nm的激光外的干扰光；

光电探测器用于将激光滤波器发来的波长1644nm的激光和波长1654nm的激光分别转换为第一电信号和第二电信号；

除法器用于获得第一电信号与第二电信号的比值；

信号处理单元还用于根据所述比值得到相应的甲烷气体浓度值，并根据所述比值对应的脉冲所在的时间序列以及所述检测装置的光路的总长度，确定该甲烷气体浓度值对应的传感气室。

优选的是，所述检测装置还包括第一放大器和第二放大器，第一放大器的输入端和输出端分别与光电探测器的第一电信号输出端和除法器的第一输入端相连，第二放大器的输入端和输出端分别与光电探测器的第二电信号输出端和除法器的第二输入端相连。

优选的是，激光光源为宽带光源，其输出激光的波长范围为1500nm～1700nm。

优选的是，所述检测装置的各个功能器件之间的光路均采用单模光纤实现。

优选的是，对于第一输入侧耦合器～第N输入侧耦合器，前者与后者之间的单模光纤的长度均相等，对于第一输出侧耦合器～第N输出侧耦合器，前者与后者之间的单模光纤的长度均相等，每个传感气室与同一序号的输入侧耦合器之间的单模光纤的长度均相等，每个传感气室与同一序号的输出侧耦合器之间的单模光纤的长度均相等。

优选的是，传感气室避光设置。

优选的是，输入侧耦合器的第一输出端与第二输出端的分光比为90:1。

优选的是，激光调制器为声光调制器。

优选的是，激光光源发出的激光脉冲信号的脉宽为10ns～50ns。