全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法，包括：1）激光器由恒流源驅動，周期間斷性的高頻正弦波信號A和低頻鋸齒波信號B疊加后驅動激光器；2）激光器輸出的光信號送入傳感氣室后經光電探測器轉換為電信號；3）將電信號分為兩路進行處理：一路依次經放大、低通濾波處理后，通過A/D轉換直接采樣分析處理；另一路經鎖相放大處理后，通過A/D轉換采樣分析處理。全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置，包括激光器、恒流源、微處理器、信號發生電路、驅動電路、傳感氣室、光電探測器、鎖相放大器和高濃度檢測模塊。本發明專利技術能夠克服現有光譜吸收式瓦斯檢測中靈敏度和檢測范圍的相互制約，實現全量程的高靈敏度瓦斯氣體濃度檢測，對煤礦的安全監測具有重要意義。
【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法，包括：1）激光器由恒流源驅動，周期間斷性的高頻正弦波信號A和低頻鋸齒波信號B疊加后驅動激光器；2）激光器輸出的光信號送入傳感氣室后經光電探測器轉換為電信號；3）將電信號分為兩路進行處理：一路依次經放大、低通濾波處理后，通過A/D轉換直接采樣分析處理；另一路經鎖相放大處理后，通過A/D轉換采樣分析處理。全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置，包括激光器、恒流源、微處理器、信號發生電路、驅動電路、傳感氣室、光電探測器、鎖相放大器和高濃度檢測模塊。本專利技術能夠克服現有光譜吸收式瓦斯檢測中靈敏度和檢測范圍的相互制約，實現全量程的高靈敏度瓦斯氣體濃度檢測，對煤礦的安全監測具有重要意義。【專利說明】全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法及裝置
本專利技術屬于檢測領域中氣體濃度的檢測，具體地指一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法及裝置。
技術介紹
隨著工業的發展，煤炭成為了必不可少的能源，但同時煤礦事故也不斷發生。瓦斯爆炸事故作為煤礦安全生產的重要威脅之一，近年來頻繁發生，因此，實時、準確地檢測瓦斯氣體濃度對煤礦安全生產和人民生命財產安全有著重要的社會和經濟意義。礦井瓦斯主要是煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體，容易引發爆炸和人員窒息死亡等事故。國外對高瓦斯礦井一般采取關停措施，而我國由于對煤炭依賴嚴重，在煤礦管理上尚有許多不完善之處，許多高瓦斯礦井仍用于煤炭開采。現有的瓦斯濃度檢測手段中，普遍采用的是基于熱催化原理的瓦斯傳感器，然而該傳感器存在測量范圍小、容易發生“中毒”現象和調校困難等缺點。此外，還有催化燃燒式瓦斯傳感器，但是它遇高濃度甲烷沖擊時元件的活性(靈敏度)會發生變化，致使讀數不準確，且存在輸出的雙值性，即當空氣中甲烷含量大于10%時，氧氣濃度下降，造成甲烷燃燒不完全，輸出值降低，出現兩種不同甲烷氣體濃度輸出同一信號的現象。如果把高濃度誤判為低濃度將十分危險。可調諧半導體激光吸收光譜技術作為目前應用廣泛的一種光譜吸收型氣體檢測技術，是利用半導體激光器的波長掃描和電流調諧特性對痕量氣體進行測量的一種技術。由于半導體激光器的高單色性，因此可以利用氣體分子的一條孤立吸收譜線對氣體的吸收光譜進行測量，從而方便地從混合污染成分中鑒別出不同的分子，避免光譜的干擾。與傳統傳感器相比，可調諧激光吸收光譜技術具有靈敏度高、鑒別能力強、穩定性高等優點，代表了氣體檢測技術的發展方向。然而，普通光譜吸收式瓦斯傳感器在做全量程檢測時，存在檢測靈敏度和檢測范圍的制約性，即:在進行全量程濃度檢測時，難以滿足低濃度瓦斯檢測的靈敏度要求；在進行低濃度高靈敏度檢測時，又由于電壓限制使得高濃度瓦斯無法測量。
技術實現思路
本專利技術所要解決的技術問題就是提供一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法及裝置，能夠克服現有光譜吸收式瓦斯檢測中靈敏度和檢測范圍的相互制約，實現全量程的高靈敏度瓦斯氣體濃度檢測，對煤礦的安全監測具有重要意義。為解決上述技術問題，本專利技術提供的一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法，包括如下步驟:I)激光器由恒流源驅動，信號A和信號B疊加后驅動激光器，對激光器的輸出波長進行調制，使激光器輸出的中心波長與甲烷一條吸收線一致；所述信號A為周期間斷性的高頻正弦波，信號B為低頻鋸齒波，疊加后的信號在一個周期內分為上升和下降兩部分，僅上升部分疊加有高頻正弦波，用于測量低濃度時的瓦斯氣體濃度，下降部分用于測量高濃度時的瓦斯氣體濃度；2)激光器輸出的光信號送入傳感氣室，穿過傳感氣室的光信號經光電探測器轉換為電信號；3)將光電探測器轉換后的電信號分為兩路進行處理:一路依次經放大、低通濾波處理后，通過A/D轉換直接采樣分析處理，用于獲取高濃度時的瓦斯氣體濃度信息；另一路經鎖相放大處理后，通過A/D轉換采樣分析處理，用于獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息。在上述技術方案的所述步驟3)中，鎖相放大處理的具體操作為:該路電信號首先進行放大、高通濾波處理，成為X(t)信號，x(t)信號與r(t)信號在乘法器電路中相乘后，進行低通濾波、放大處理；所述r(t)信號為x(t)信號二倍頻的方波信號，且x(t)信號與r(t)信號的相位為x(t)信號的每一個周期剛好對應r(t)信號的兩個周期。在上述技術方案的所述步驟3)中，高濃度和低濃度的臨界值設定為體積濃度4?10%。本專利技術提供的一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置，包括激光器、恒流源、微處理器、信號發生電路、驅動電路、傳感氣室、光電探測器、鎖相放大器和高濃度檢測模塊；所述恒流源與激光器連接，用于激光器的調諧；所述微處理器、信號發生電路、驅動電路和激光器依次連接，用于產生周期間斷性的高頻正弦波信號A和低頻鋸齒波信號B且疊加后對激光器的輸出波長進行調制；所述激光器的輸出端依次通過光纖與傳感氣室和光電探測器連接，分別用于實現瓦斯氣體對光的吸收和光電轉換；所述光電探測器的輸出端分別與鎖相放大器和高濃度檢測模塊連接，分別用于獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息和高濃度時的瓦斯氣體濃度信息，鎖相放大器和高濃度檢測模塊的信號輸出端分別與所述微處理器連接，用于信號處理和顯示。上述技術方案中，所述鎖相放大器包括依次連接的:第一放大電路，用于放大光電探測器的輸出信號；高通濾波電路，用于濾除低頻信號；乘法器電路,其另一輸入端與所述微處理器的一個輸出端相連，用于將放大、高通濾波后產生的x(t)信號與微處理器產生的x(t)信號的二倍頻方波信號r(t)相乘；第一低通濾波電路，用于濾除高頻信號；第二放大電路，用于放大低通濾波后的信號；以及第二 ADC采集電路，用于A/D轉換并輸出給微處理器。上述技術方案中，所述高濃度檢測模塊包括依次連接的:第三放大電路，用于放大光電探測器的輸出信號；第二低通濾波電路，用于濾除高頻信號；以及第一 ADC采集電路，用于A/D轉換并輸出給微處理器。與現有技術相比，利用本專利技術方法及裝置:當被測甲烷氣體濃度較高時，可直接通過放大濾波的方式檢測出氣體濃度；當被測甲烷氣體濃度較低時，甲烷氣體對光信號的吸收很微弱，則通過鎖相放大的方式檢測出氣體濃度，從而實現了全量程高靈敏度瓦斯氣體的檢測。本專利技術實現對高濃度和低濃度瓦斯氣體作準確測量的雙重功能，并且靈敏度高、鑒別能力強、穩定性好。【專利附圖】【附圖說明】圖1為本專利技術全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置一個實施例的結構框圖暨工作原理圖；圖2為圖1中激光器的驅動波形圖。【具體實施方式】以下結合附圖對本專利技術的具體實施例作進一步的詳細描述:如圖1和圖2所示，本專利技術提供的一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測裝置，包括激光器、恒流源、微處理器、信號發生電路、驅動電路、傳感氣室、光電探測器、鎖相放大器和高濃度檢測模塊。恒流源與激光器連接，用于激光器的調諧。微處理器、信號發生電路、驅動電路和激光器依次連接，用于產生周期間斷性的高頻正弦波信號A和低頻鋸齒波信號B且疊加后對激光器的輸出波長進行調制。激光器的輸出端依次通過光纖與傳感氣室和光電探測器連接，分別用于實現瓦斯氣體對光的吸收和光電轉換。光電探測器的輸出端分別與鎖相放大器和高濃度檢測模塊連接，分別用于獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息和高濃度時的瓦斯氣體濃度信息，鎖相放大器和高濃度檢測模塊的信號輸出端分別與微處理器連接，用于信號處理和本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種全量程高靈敏度瓦斯氣體檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：1）激光器由恒流源驅動，信號A和信號B疊加后驅動激光器，對激光器的輸出波長進行調制，使激光器輸出的中心波長與甲烷一條吸收線一致；所述信號A為周期間斷性的高頻正弦波，信號B為低頻鋸齒波，疊加后的信號在一個周期內分為上升和下降兩部分，僅上升部分疊加有高頻正弦波，用于測量低濃度時的瓦斯氣體濃度，下降部分用于測量高濃度時的瓦斯氣體濃度；2）激光器輸出的光信號送入傳感氣室，穿過傳感氣室的光信號經光電探測器轉換為電信號；3）將光電探測器轉換后的電信號分為兩路進行處理：一路依次經放大、低通濾波處理后，通過A/D轉換直接采樣分析處理，用于獲取高濃度時的瓦斯氣體濃度信息；另一路經鎖相放大處理后，通過A/D轉換采樣分析處理，用于獲取低濃度時的瓦斯氣體濃度信息。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：王洪海，李政穎，王安軍，
申請(專利權)人：武漢理工大學，
類型：發明
國別省市：
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