一种布放式气体检测装置及其工作方法
阅读说明：本技术 一种布放式气体检测装置及其工作方法 (Distributed gas detection device and working method thereof ) 是由 钱玮 徐骏 盛道斌 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种布放式气体检测装置,包括装置主体单元、装置外延单元、以及用于连接装置主体单元和装置外延单元的光纤,所述装置主体单元包括激光控制器、激光器、至少三个光纤转接器、光纤隔离器、光电探测器和数据采集系统,所述装置外延单元包括依次设置的光纤整形器、衰荡腔和光纤收集器。本发明采用光纤器件,具体包括布放光纤、光纤隔离器、光纤整形器、光纤收集器、光纤转接器,连接微/小型衰荡腔,可以在距离装置主体较远的位置对气体浓度进行精确测量。(The invention provides a distributed gas detection device which comprises a device main body unit, a device extension unit and optical fibers for connecting the device main body unit and the device extension unit, wherein the device main body unit comprises a laser controller, a laser, at least three optical fiber adapters, an optical fiber isolator, a photoelectric detector and a data acquisition system, and the device extension unit comprises an optical fiber shaper, a ring-down cavity and an optical fiber collector which are sequentially arranged. The invention adopts an optical fiber device, which specifically comprises a distribution optical fiber, an optical fiber isolator, an optical fiber shaper, an optical fiber collector and an optical fiber adapter, is connected with the micro/small ring-down cavity, and can accurately measure the gas concentration at a position far away from the main body of the device.)
技术领域
本发明涉及一种气体检测装置，具体涉及一种布放式气体检测装置及其工作方法。
背景技术
在城市环境监测、油气化工安全领域，痕量气体检测十分重要。腔衰荡光谱技术是一种具有高灵敏度、高精度的吸收光谱技术，利用具有高精细度的光学谐振腔，可以大幅提高测量光程，非常适合痕量气体测量。但是目前基于该技术的气体检测装置采用空间光束耦合的方式，使得整个装置只能在操作人员附近进行气体浓度测量，若使用较长的进气管进行气体样品采集，则会增长进样采集时间，降低测量效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种布放式气体检测装置及其工作方法，解决以往基于腔衰荡光谱技术的气体检测装置无法进行远程测量，只能在装置附近测量的问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种布放式气体检测装置，包括装置主体单元、装置外延单元、以及用于连接装置主体单元和装置外延单元的光纤，所述装置主体单元包括激光控制器、激光器、至少三个光纤转接器、光纤隔离器、光电探测器和数据采集系统，所述装置外延单元包括依次设置的光纤整形器、衰荡腔和光纤收集器；
其中一根光纤的一端依次串接有激光器、第一光纤转接器、光纤隔离器和第二光纤转接器，另一端与光纤整形器的端部相连，所述激光控制器与激光器控制连接；
另一根光纤的一端依次串接有光电探测器和第三光纤转接器，另一端与光纤收集器的端部相连，所述数据采集系统与光电探测器数据传输连接。
其中，所述激光器采用可调谐量子级联激光器。
优选的，所述光电探测器采用锑化铟探测器。
其中，所述衰荡腔由第一腔镜、第二腔镜和支撑网组成，所述支撑网设置于第一腔镜和第二腔镜之间。
优选的，所述第一腔镜和第二腔镜为尺寸、曲率半径相同的高反射率镜片。
本发明还提供一种布放式气体检测装置的工作方法，包括如下步骤：
S1、组建布放式气体检测装置
所述布放式气体检测装置包括装置主体单元、装置外延单元、以及用于连接装置主体单元和装置外延单元的光纤，所述装置主体单元包括激光控制器、激光器、至少三个光纤转接器、光纤隔离器、光电探测器和数据采集系统，所述装置外延单元包括依次设置的光纤整形器、衰荡腔和光纤收集器；
其中一根光纤的一端依次串接有激光器、第一光纤转接器、光纤隔离器和第二光纤转接器，另一端与光纤整形器的端部相连，所述激光控制器与激光器控制连接；
另一根光纤的一端依次串接有光电探测器和第三光纤转接器，另一端与光纤收集器的端部相连，所述数据采集系统与光电探测器数据传输连接；
S2、标定布放式气体检测装置
开启装置电源，激光器输出激光，通过激光控制器调节激光器输出波长λ0，使得输出波长为待测气体的非吸收峰；光电探测器接收激光，数据采集系统上显示出光电探测器接收到的光强信号；当光强信号达到触发阈值时，计为t01，激光控制器关断激光器的电流，此时激光器输出光强瞬时降为零，光电探测器接收光强呈e指数衰减，光强在t11时刻衰减到最大光强的1/e；
S3、布放装置外延单元
将布放式气体检测装置的装置外延单元布放至待测位置，并确保光纤处于松弛状态；
S4、测量待测气体浓度
通过激光控制器调节激光器的输出波长，使得输出波长λ1为待测气体的吸收峰；光电探测器接收激光，数据采集系统上显示出光电探测器接收到的光强信号；当光强信号达到触发阈值时，计为t02，激光控制器关断激光器的电流，此时激光器输出光强瞬时降为零，光电探测器接收光强呈e指数衰减，光强在t12时刻衰减到最大光强的1/e；
S5、计算气体浓度
在步骤S2的标定过程中，通过光电探测器接收光强形成的衰荡曲线可以得到，空腔衰荡时间表示为t11-t01；在步骤S4测量过程中，通过光电探测器接收光强形成的衰荡曲线可以得到，样品衰荡时间表示为t12-t02；
待测气体浓度Conc表示为：
Conc＝c-1·[(t12-t02)-1-(t11-t01)-1]·σ(λ1)-1；
其中，c为光速，σ(λ1)为待测气体在吸收波长λ1处的吸收截面。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
本发明利用光纤器件，实现了基于腔衰荡光谱技术的布放式气体检测装置可以在远离操作人员或者远距离位置进行痕量气体的实时在线浓度测量。相比于传统装置，这种装置在远程测量时具有一定优势，由于其装置外延单元为无源器件构成，特别适合石油化工煤炭等存在气体泄漏安全隐患的领域使用。
附图说明
图1为本发明的光路示意图；
图2为本发明中激光器输出光强与探测器接收光强随时间变化示意图。
附图标记说明：
1、激光控制器；2、激光器；3、第一光纤转接器；4、光纤隔离器；5、第二光纤转接器；6、第三光纤转接器；7、光电探测器；8、数据采集系统；9、装置主体单元；10、光纤；11、光纤整形器；12、第一腔镜；13、衰荡腔；14、第二腔镜；15、光纤收集器；16、装置外延单元。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，一种布放式气体检测装置，包括装置主体单元9、装置外延单元16、以及用于连接装置主体单元9和装置外延单元16的光纤10，所述装置主体单元9包括激光控制器1、激光器2、至少三个光纤转接器、光纤隔离器4、光电探测器7和数据采集系统8，所述装置外延单元16包括依次设置的光纤整形器11、衰荡腔13和光纤收集器15。
其中一根光纤10的一端依次串接有激光器2、第一光纤转接器3、光纤隔离器4和第二光纤转接器5，另一端与光纤整形器11的端部相连，所述激光控制器1与激光器2控制连接。
另一根光纤10的一端依次串接有光电探测器7和第三光纤转接器6，另一端与光纤收集器15的端部相连，所述数据采集系统8与光电探测器7数据传输连接。
其中，所述激光器2采用可调谐量子级联激光器，利用激光控制器1通过改变激光器温度，调节激光器输出波长。
第一光纤转接器3、第二光纤转接器5和第三光纤转接器6用于不同光纤器件连接，可采用FC/APC接头。
所述光纤隔离器4用于抑制衰荡腔13产生光反馈效应，减小反馈激光对激光器2的不利影响。
所述光电探测器7用于采集经衰荡腔13后的透射光强，可采用锑化铟探测器。
所述光纤整形器11用于输出激光准直和光斑整形(调节光斑尺寸和位置)，可采用几片球面透镜或非球面透镜实现。
所述衰荡腔13由第一腔镜12、第二腔镜14和支撑网组成，所述支撑网设置于第一腔镜12和第二腔镜14之间。所述第一腔镜12和第二腔镜14为尺寸、曲率半径相同的高反射率镜片，在4.6μm附近反射率优于0.9995。支撑网采用聚四氟乙烯材料与刚性金属材料相结合，用于过滤空气中的悬浮微粒。
所述光纤收集器15用于透射光强收集，并汇聚进光纤中。
本发明还提供一种布放式气体检测装置的工作方法，包括如下步骤：
S1、组建布放式气体检测装置
所述布放式气体检测装置包括装置主体单元、装置外延单元、以及用于连接装置主体单元和装置外延单元的光纤，所述装置主体单元包括激光控制器1、激光器2、至少三个光纤转接器、光纤隔离器4、光电探测器7和数据采集系统8，所述装置外延单元包括依次设置的光纤整形器11、衰荡腔13和光纤收集器15；
其中一根光纤的一端依次串接有激光器2、第一光纤转接器3、光纤隔离器4和第二光纤转接器5，另一端与光纤整形器11的端部相连，所述激光控制器1与激光器2控制连接；
另一根光纤的一端依次串接有光电探测器7和第三光纤转接器6，另一端与光纤收集器15的端部相连，所述数据采集系统8与光电探测器7数据传输连接。
S2、标定布放式气体检测装置
开启装置电源，激光器2输出激光，通过激光控制器1调节激光器2输出波长λ0，使得输出波长为待测气体的非吸收峰；光电探测器7接收激光，数据采集系统8上显示出光电探测器7接收到的光强信号；当光强信号达到触发阈值时，计为t01时刻，激光控制器1关断激光器2的电流，此时激光器2输出光强瞬时降为零，光电探测器7接收光强呈e指数衰减，光强在t11时刻衰减到最大光强的1/e。
S3、布放装置外延单元
将布放式气体检测装置的装置外延单元布放至待测位置，并确保光纤处于松弛状态。
S4、测量待测气体浓度
通过激光控制器1调节激光器2的输出波长，使得输出波长λ1为待测气体的吸收峰；光电探测器7接收激光，数据采集系统8上显示出光电探测器7接收到的光强信号；当光强信号达到触发阈值时，计为t02时刻，激光控制器1关断激光器2的电流，此时激光器2输出光强瞬时降为零，光电探测器7接收光强呈e指数衰减，光强在t12时刻衰减到最大光强的1/e。
S5、计算气体浓度
在步骤S2的标定过程中，通过光电探测器接收光强形成的衰荡曲线可以得到，空腔衰荡时间表示为(t11-t01)；在步骤S4测量过程中，通过光电探测器接收光强形成的衰荡曲线可以得到，样品衰荡时间表示为(t12-t02)；
待测气体浓度Conc表示为：
Conc＝c-1·[(t12-t02)-1-(t11-t01)-1]·σ(λ1)-1；
其中，c为光速，σ(λ1)为待测气体在吸收波长λ1处的吸收截面。
下面以一氧化碳气体浓度测量为例，进一步阐述本发明的技术方案。
检测步骤如下：
步骤一、组建布放式气体检测装置
根据步骤S1所述内容组建布放式气体检测装置，其中，激光器中心波长约为4.6μm。
步骤二、标定布放式气体检测装置
开启装置电源，激光器输出激光，通过激光控制器调节激光器输出波长λ0(4.67μm)，使得输出波长为待测气体的非吸收峰；光电探测器接收激光，数据采集系统上显示出光电探测器接收到的光强信号；当光强信号达到触发阈值时，计为t01时刻，激光控制器关断激光器的电流，此时激光器输出光强瞬时降为零，光电探测器接收光强呈e指数衰减，光强在t11时刻衰减到最大光强的1/e。
步骤三、布放装置外延单元
将布放式气体检测装置的装置外延单元布放至待测位置，并确保光纤处于松弛状态。
步骤四、测量待测气体浓度
通过激光控制器调节激光器的输出波长，使得输出波长λ1(4.61μm)为待测气体的吸收峰；光电探测器接收激光，数据采集系统上显示出光电探测器接收到的光强信号；当光强信号达到触发阈值时，计为t02时刻，激光控制器关断激光器的电流，此时激光器输出光强瞬时降为零，光电探测器接收光强呈e指数衰减，光强在t12时刻衰减到最大光强的1/e。
步骤五、计算气体浓度
在步骤S2的标定过程中，通过光电探测器接收光强形成的衰荡曲线可以得到，空腔衰荡时间表示为(t11-t01)；在步骤S4测量过程中，通过光电探测器接收光强形成的衰荡曲线可以得到，样品衰荡时间表示为(t12-t02)；
待测气体浓度Conc表示为：
Conc＝c-1·[(t12-t02)-1-(t11-t01)-1]·σ(λ1)-1；
其中，c为光速，σ(λ1)为待测气体在吸收波长λ1处的吸收截面。
本实施例中，待测气体为一氧化碳气体，λ0＝4.67μm，λ1＝4.61μm，激光器输出光强与探测器接收光强随时间变化示意图如图2所示。其中，图2(a)为t01时刻的光强示意图，图2(b)为t11时刻的光强示意图，图2(c)为t02时刻的光强示意图，图2(d)为t12时刻的光强示意图。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。