专利名称：一种温控半导体激光波长扫描光纤测量煤矿瓦斯方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种煤矿瓦斯测量方法。
背景技术：
瓦斯是一种无色、无味、易燃、易爆的气体，它的主要成分是甲烷。瓦斯爆炸需要同时满足一定浓度的瓦斯、高温火源的存在和充足的氧气等三个条件，瓦斯的爆炸界限是5% 16%。在我国，因瓦斯爆炸而引起的事故给人民的生命安全造成了巨大的损害，因此减少或避免瓦斯爆炸事故成为一项迫切的任务。准确、快速、实时地对瓦斯气体的浓度进行监测和预警，对煤矿的安全生产、人身安全以及环境保护有着重要的作用。目前，用于监测瓦斯气体浓度的方法有多种，主要包括光学法、电化学法、半导体法、接触燃烧法等。光纤传感器具有稳定可靠、抗电磁干扰能力强、电绝缘性好、防爆、可远距离长期在线测量、传感单元结构简单、易于组成光纤传感网络等特点，适宜恶劣危险环境 下的瓦斯浓度的测量。光纤传感瓦斯测量方法根据检测原理还可分为差分吸收和谐波检测等方式。相比之下，差分吸收具有结构简单、使用方便和可靠性高等优势，因此受到广泛重视。对此，中国科学院上海光学精密机械研究所赵浩等提出了专利差分吸收式光纤甲烧气体传感器(申请号200310108619. 6),给出了一种用同一个宽带光源并米用光纤光栅作为滤波器得到窄带光信号，进而对甲烷进行检测的传感器。因此具有结构简单、成本低以及消除背景噪声的干扰等优点，但是其精度不高。山东省科学院激光研究所刘统玉等提出了专利矿用光纤瓦斯监测转换装置(申请号200910020240. 7)，给出了一种采用周期性改变半导体分布式反馈(DFB)激光器的注入电流同时控制其温度在一个恒定值的办法调制激光器波长，进而实现瓦斯气体监测转换装置的方案。这种检测方式提高了测量精度和稳定性，但是DFB激光器输出的光强会随着注入电流的改变而变化，对后端数据的测量及其处理等带来不便。安徽中科瀚海光电技术发展有限公司陈玖英等提出了专利分布式激光甲烷监测系统(申请号201120284513. 1)，给出了一种依托可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术，利用光缆将DFB激光器发出的激光传输到位于井下的激光甲烷传感器进而对信号进行采集、分析、处理、监测的系统。TDLAS技术同样是利用可调谐半导体激光器输出波长随注入电流的改变而改变的特性。中国科学院安徽光学精密机械研究所何莹等提出了专利一种光纤分布式多点瓦斯实时监测仪及监测方法(申请号200810100549. 2)，给出了一种利用谐波检测的方式对瓦斯进行监测的方法。其采用中心波长为1653nm的近红外半导体DFB激光器作为检测光源，并将信号发生电路产生的50Hz的锯齿波信号和5KHz的正弦波信号同时叠加在激光器的驱动电流上，对激光器的输出波长进行调制，最终实现了对瓦斯的实时监测。但这种方法结构复杂，对电路及整个系统的设计提出了更高的要求。
发明内容
本发明的目的是通过一种温控半导体激光波长扫描光纤测量煤矿瓦斯方法以弥补现有技术之不足，本方法是用恒流源驱动半导体DFB激光器，并利用温度扫描电路控制激光器输出扫描的波长。为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下
一种温控半导体激光波长扫描光纤测量煤矿瓦斯方法，其特征是
a.恒流源驱动DFB激光器，使半导体DFB激光器输出功率恒定；
b.利用温度扫描电路控制半导体DFB激光器的输出波长，使输出波长的波动范围在5nm范围内；
c.半导体DEF激光器输出的光进入光纤环形器的输入端后经输出端进入气室后，再从 气室返回，最后从光纤环形器反射端输出到光电探测器；在此步骤中，从气室返回的光中就带有气室内瓦斯气体浓度信息；
d.光电探测器将带有气室内瓦斯气体浓度信息的光信号转化为电信号，再由A/D采集卡将电信号采集，通过信号处理系统计算出瓦斯的浓度。所述的半导体DFB激光器中心波长为1653nm,通过温度扫描电路控制的输出波长为从1651nm扫描到1656nm。所述的恒流源的恒定电流为80mA，半导体DFB激光器输出功率恒定为5mW。本发明的积极效果在于本发明使用的半导体DFB激光器由恒流源进行驱动，能够保持光源功率稳定；用温度扫描电路控制半导体DFB激光器输出扫描变化的波长，可以得到超过5nm的波长扫描范围；由于是采用波长扫描探测技术，瓦斯吸收波长的光和没有吸收的参考波长光通过了完全相同的传输路径，抗干扰能力强，信噪比高，探测灵敏度高；由于是直接探测光功率，信号解调简单，系统成本低和可靠性高。
图I为本发明实施例的原理图。图2为本发明实施例的光谱示意图。
具体实施方式
实施例
本发明的原理，请参见图I :系统由恒流源，半导体DFB激光器，温度扫描电路，光纤环形器，气室，光电探测器，A/D米集卡和信号处理系统组成。本发明米用中心波长为1653nm的半导体DFB激光器，用恒定电流进行驱动，使其输出光强不变，并利用温度扫描电路控制激光器的输出波长，使得波长扫过5nm的范围,激光器输出的光进入光纤环形器、气室,并由气室返回，带有瓦斯气体浓度信息的光就由光纤环形器的反射端输出到光电探测器，光电探测器将光信号转化为电信号，再由A/D采集卡采集到信号处理系统，由差分吸收的原
理，用公式
权利要求
1.一种温控半导体激光波长扫描光纤测量煤矿瓦斯方法，其特征是 a.恒流源驱动半导体DFB激光器，使半导体DFB激光器输出功率恒定； b.利用温度扫描电路控制半导体DFB激光器的输出波长，使输出波长的波动范围在5nm范围内； c.半导体DEF激光器输出的光进入光纤环形器的输入端后经输出端进入气室后，再从气室返回，最后从光纤环形器反射端输出到光电探测器；在此步骤中，从气室返回的光中就带有气室内瓦斯气体浓度信息； d.光电探测器将带有气室内瓦斯气体浓度信息的光信号转化为电信号，再由A/D采集卡将电信号采集，通过信号处理系统计算出瓦斯的浓度。
2.如权利要求I所述的半导体DFB激光器中心波长为1653nm，那通过温度扫描电路控制的输出波长为从1651nm扫描到1656nm。
3.如权利要求I所述的恒流源的恒定电流为80mA，半导体DFB激光器输出功率恒定为5mW。
全文摘要
本发明公开了一种温控半导体激光波长扫描光纤煤矿瓦斯测量技术，其特点是用恒流源驱动半导体DFB激光器，半导体DFB激光器的输出波长在瓦斯吸收峰附近，并通过改变半导体DFB激光器的工作温度来扫描半导体DFB激光器的输出波长；半导体DFB激光器输出的光注入被测气体室，气体室的输出光携带有瓦斯气体浓度信息，用光电探测器将光信号转化为电信号，再由A/D采集卡采集到信号处理系统。温度扫描将导致半导体DFB激光器的波长扫描，在这个波长扫描范围内，存在着瓦斯气体的吸收峰，通过比较吸收峰位置的光功率和没有吸收峰位置的光功率，就可以计算出瓦斯的浓度。该传感系统结构简单、灵敏度高。
文档编号G01N21/39GK102841074SQ20121034798
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者肖尚辉, 李庆, 江毅, 汤俊 申请人:宜宾学院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
