專利名稱：多組分氣體光纖傳感網絡的制作方法
技術領域：
本發明屬于氣體濃度檢測技術領域，具體是一種多組分氣體光纖傳感網絡，適用于工業環境中多種氣體濃度的實時檢測。
背景技術：
工業生產過程中所排放的有毒有害、易燃易爆氣體，對環境污染和生產安全造成嚴重的威脅，為了盡可能地減輕這一危害，就必須對多種氣體進行實時檢測，及時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。現有的氣體濃度檢測技術種類很多，傳統的電化學氣體濃度測量方法存在壽命短、精度低、響應慢、穩定性差、調校困難及對氣體選擇性差等缺點，而且傳感器自身帶電，在易燃易爆等工業環境中應用時存在安全隱患。光學氣體傳感技術是一種新興的氣體檢測技術，該技術利用氣體的光學特性來檢測氣體濃度，按機理可劃分為熒光型、折射率變化型、倏逝場型、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，具有很高的測量靈敏度，極高的氣體鑒別能力和快速的響應能力等優點。可調諧激光吸收光譜技術是目前應用最為廣泛的一種光譜吸收型氣體檢測技術，其是利用半導體激光器可調諧和窄線寬的特性，使激光器波長掃描通過目標氣體的吸收峰，由探測得到的氣體高分辨吸收譜線并利用郎伯比爾(Beer-Lambert)定律推算出待測氣體濃度。與傳統傳感器相比，可調諧激光吸收光譜技術結合光纖傳感技術可使無源檢測探頭與有源儀表分離實現無源布置，具有靈敏度高、鑒別能力強、抗電磁干擾、本質安全等優點，可實現多點遠程測量，代表了氣體檢測技術發展的方向。然而，由于檢測不同氣體需要不同波長的激光器，因此現有光纖氣體傳感器多獨自成系統，即檢測不同氣體使用不同的傳感探頭，而且自享一套信號處理系統，這種分離式的檢測方法不具備經濟性，而且安裝現場復雜，不利于現場的簡易化、規模化。特別是在復雜工況環境下(如煤礦井下)，多種氣體各自傳感檢測的操作難度大，多點、遠距離傳輸檢測更是加大了前期的投入成本(如鋪設數量眾多的光纜)和后期的管理難度(如傳感器的調校維護)。因此開發高集成度，多種氣體一體化測量的光纖傳感網絡顯得意義重大，而且具有非常高的經濟效益和實用性。
發明內容
本發明的目的是提供一種多組分氣體光纖傳感網絡，實現多種氣體一體化測量，簡化多點、多種氣體傳感檢測系統的復雜度，提高多點、多種氣體檢測的系統共享度，實現多種氣體傳感的集約性、經濟性。本發明所采用的技術方案是—種多組分氣體光纖傳感網絡，它由氣體檢測模塊、光開關控制模塊和傳感探頭網絡三部分組成；所述的氣體檢測模塊包括微處理器1、1X4光開關、4種不同波長DFB (分布反饋式半導體)激光器、光電二極管、I個RS232轉光纖器件I和信號處理電路，所述的光開關控制模塊包括I個RS232轉光纖器件2、微處理器2和2個I X N光開關，所述的傳感探頭網絡有N個傳感探頭布置在監測現場；其中微處理器I 一個接口接4種不同波長DFB激光器，一個接口接1X4光開關，微處理器I由3#光纖通過RS232轉光纖器件I及RS232轉光纖器件2與微處理器2通信，4種不同波長DFB激光器連接1X4光開關并由1#光纖與I個I XN光開關連通后再通過N芯光纜接N個傳感探頭一端，N個傳感探頭另一端由2#光纖通過另I個I XN光開關與光電二極管通信，信號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IXN光開關。本發明的一種多組分氣體光纖傳感網絡的應用方法，首先，微處理器I通過RS232轉光纖器件2與微處理器2通信，控制兩個I XN光開關同步切換，使得1#光纖和2#光纖與傳感探頭I兩端光纖連通，同時，控制I X 4光開光切換，依次讓不同中心波長DFB激光器發出的激光光譜分時進入到1#光纖，送達傳感探頭1，并由2#光纖接收帶有氣體濃度信息的光信號，傳送回氣體檢測模塊進行處理分析，從而實現在傳感探頭I處對多種氣體濃度的檢測；然后，微處理器I發出命令給微處理器2控制兩個I XN光開關切換至傳感探頭2，進行多種氣體濃度檢測；如此，依次循環進行各個探頭處多種氣體(CO，CO2, CH4, C2H2)的濃度檢測。本發明中傳感探頭網絡中的傳感探頭為空腔圓柱結構，其空腔為氣室，兩端部各有I個透氣孔，傳感探頭兩端裝有光纖準直器用以實現光路的準直以及氣室與光纖的耦合，在準直器的前端插有斜8°的玻璃窗，在兩個透氣孔的端部加有兩個方向相反的導氣柵將氣流引入氣室內部。本發明中氣體檢測模塊主要實現3個功能①驅動檢測不同氣體的各個不同中心波長的DFB (分布反饋式半導體)激光器，并控制1X4光開關輪流輸出各個波長的激光接收帶有氣體濃度信息的光信號，進行分析處理，獲取氣體濃度值；③利用RS232 口轉光纖器件2控制光開關控制模塊，實現多個傳感探頭的輪流檢測。光開關控制模塊通過RS232口轉光纖器件2接收氣體檢測模塊的控制信息，實現兩個IXN光開關的同步切換。傳感探頭網絡布置在監測現場，獲取多個位置、多種氣體的濃度信息，并反饋給氣體檢測模塊進行處理。本發明的有益效果是該設計系統集成度、共享度高，簡化了多種氣體一體化測量的復雜度，可實現遠程測量，操作簡單易實施，經濟性好。
圖1是多組分氣體光纖傳感網絡設計原理圖。圖2是傳感探頭的結構示意圖。圖中1_氣室,2-準直器,3-斜8 °的玻璃窗,4-導氣柵,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轉光纖器件1，0PT232-2為RS232轉光纖器件2。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。如圖1所示，多組分氣體光纖傳感網絡由氣體檢測模塊、光開關控制模塊和傳感探頭網絡三部分組成。氣體檢測模塊可放置在監控中心，遠離監測現場，其中DFB激光器發出與相應氣體吸收波長相對應的激光到傳感探頭，并對采集回的光信號進行光電轉換、信號處理以及顯示，微處理器I對整個系統的運行進行控制整合等。光開關控制模塊可放置在靠近監測現場的安全區域，其主要是微處理器2通過RS232轉光纖器件2 (0PT232-2)與微處理器I通信，控制兩個IXN光開關同步切換。傳感探頭網絡放置在監測現場，獲取氣體濃度信息。圖2是傳感探頭的結構示意圖，其為空腔圓柱結構，光通過其中時被氣體吸收而使得光強衰減。傳感探頭兩端采用光纖準直器2實現光路的準直以及氣室I與光纖5的耦合，在準直器的前端插入斜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。在兩個透氣孔6的端部加上兩個方向相反的導流柵4，以很好的將氣流引入氣室I內部。氣體濃度檢測的具體實施過程如下當微處理器I發出命令進行氣體濃度檢測時，其先控制選擇I X4光開關的一路導通(如檢測CH4的DFB激光器)，激光光譜就通過1#光纖傳輸到光開關控制模塊。與此同時，微處理器I通過RS232轉光纖器件I和RS232轉光纖器件2發出命令經3#光纖傳輸給微處理器2，告知其控制兩個I XN光開關同步切換進行氣體濃度檢測，當成功切換到某一檢測點(如傳感探頭I)時，傳輸回的帶有氣體濃度信息的光信號就通過2#光纖被送至氣體檢測模塊進行光電轉換和信號處理，以獲取CH4氣體濃度信息。然后，微處理器I控制I X 4光開關切換，選擇第2個激光器(如檢測C2H2的DFB激光器)輸出，同理，檢測出傳感探頭I處的C2H2氣體濃度。當微處理器I控制1X4光開關切換，對傳感探頭2處的4種氣體濃度檢測完畢后，發出命令給微處理器2控制兩個I XN光開關切換至傳感探頭2處，進行4種氣體濃度檢測。如此，依次循環進行各個探頭處多種氣體的濃度檢測。本發明適用于煤礦、石油、石化、天然氣等行業中多組分氣體濃度的一體化檢測，也適用于其他環境下多種氣體的濃度檢測。
權利要求
1.一種多組分氣體光纖傳感網絡，其特征在于:它由氣體檢測模塊、光開關控制模塊和傳感探頭網絡三部分組成；所述的氣體檢測模塊包括微處理器I (MCU1)、1X4光開關、4種不同波長DFB激光器、光電二極管(PD)、I個RS232轉光纖器件I (0PT232-1)和信號處理電路，所述的光開關控制模塊包括I個RS232轉光纖器件2(0PT232-2)、微處理器2(MCU2)和2個IXN光開關，所述的傳感探頭網絡有N個傳感探頭布置在監測現場；其中微處理器I(MCUl)—個接口接4種不同波長DFB激光器，一個接口接1X4光開關，微處理器I (MCUl)由3#光纖通過RS232轉光纖器件I (0PT232-1)及RS232轉光纖器件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光開關并由1#光纖與I個IXN光開關連通后再通過N芯光纜接N個傳感探頭一端，N個傳感探頭另一端由2#光纖通過另I個IXN光開關與光電二極管(PD)通信,信號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IXN光開關。
2.權利要求1所述的一種多組 分氣體光纖傳感網絡的應用，其特征在于:首先，微處理器I (MCUl)通過RS232轉光纖器件2 (0PT23-2)與微處理器2 (MCU2)通信，控制兩個I XN光開關同步切換，使得1#光纖和2#光纖與傳感探頭I兩端光纖連通，同時，控制I X 4光開光切換，依次讓不同中心波長DFB激光器發出的激光光譜分時進入到1#光纖，送達傳感探頭1，并由2#光纖接收帶有氣體濃度信息的光信號，傳送回氣體檢測模塊進行處理分析，從而實現在傳感探頭I處對多種氣體濃度的檢測；然后，微處理器I (MCUl)發出命令給微處理器2 (MCU2)控制兩個I XN光開關切換至傳感探頭2，進行多種氣體濃度檢測；如此，依次循環進行各個探頭處多種氣體的濃度檢測。
3.根據權利要求1所述的一種多組分氣體光纖傳感網絡，其特征是:所述的傳感探頭網絡中的傳感探頭為空腔圓柱結構，其空腔為氣室(I)，兩端部各有I個透氣孔(6)，傳感探頭兩端裝有光纖準直器(2)實現光路的準直以及氣室與光纖的耦合，在準直器的前端插有斜8°的玻璃窗(3)，在兩個透氣孔(6)的端部加有兩個方向相反的導氣柵(4)將氣流引入氣室內部。
全文摘要
一種多組分氣體光纖傳感網絡。包括微處理器1、1×4光開關、4種不同波長DFB激光器、光電二極管、2個RS232轉光纖器件、信號處理電路、微處理器2、2個1×N光開關和N個傳感探頭。其應用是微處理器1通過RS232轉光纖器件與微處理器2通信，控制兩個1×N光開關同步切換，使1#光纖和2#光纖與傳感探頭1兩端光纖連通，同時，1×4光開關切換依次讓不同波長DFB激光器發出的激光光譜分時進入到1#光纖送達傳感探頭1，由2#光纖接收氣體濃度信息光信號送回處理分析，實現傳感探頭1處對多種氣體濃度的檢測。然后依次循環切換至各個探頭處進行多種氣體濃度檢測。本發明適用于易燃易爆環境下多組分氣體檢測，經濟性好。
文檔編號G01N21/31GK103076295SQ20131000097
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月4日 優先權日2013年1月4日
發明者李政穎, 王洪海, 王立新, 譚玖, 孫文豐 申請人:武漢理工大學