專利名稱：氣體濃度檢測方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測環(huán)境中的氣體濃度的方法及裝置，尤其涉及基于 光譜學(xué)原理檢測環(huán)境中易燃易爆氣體的濃度的方法及裝置。
背景技術(shù)：
易燃易爆氣體，如甲烷，歷來是煤礦等的重要災(zāi)害之一，及時檢測所 述氣體的濃度對于環(huán)境安全及人身安全都是非常重要的。
目前檢測瓦斯氣體的一種方法基于催化燃燒，該方法在存在其它氣體 和濕度變化時非常容易出現(xiàn)誤差，并且由于其自身的測量原理而難于測量 高濃度的氣體。在另一種氣體濃度檢測方法中，使用基于光譜學(xué)原理的傳 感器，相比于常規(guī)的電離和電化學(xué)氣體傳感器，其具有靈敏度高、響應(yīng)速 度快、測量范圍大、不受其它氣體干擾等優(yōu)點，且沒有栽體催化型傳感器 中存在的"中毒"等缺陷，因而成為今后氣體傳感器的發(fā)展方向。
中國發(fā)明專利200510112136.2/〉開了 一種紅外半導(dǎo)體激光吸收式瓦斯 氣體檢測方法及其裝置，其中將紅外激光射入與礦內(nèi)瓦斯現(xiàn)場連通的諧振 氣室，并使其發(fā)生諧振，然后通過氣室內(nèi)的紅外吸收式氣體傳感器將測試 信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后傳輸給信號處理端，從而獲得氣體濃度。在該發(fā)明中， 諧振腔起到了多次反射光路而增加光程的作用，從而可以減小整個檢測裝 置的尺寸，但是諧振腔的制造安裝較為復(fù)雜，成本較高，其中的光線諧振 不可精確控制，即不可精確控制總光程，從而會影響測量精確度，另外， 光電轉(zhuǎn)換裝置、信號處理裝置等裝置靠近或位于測量現(xiàn)場，容易引起高濃 度甲烷氣體等易燃易爆氣體發(fā)生爆炸，存在安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，旨在提供一種結(jié)構(gòu)更簡單、 成本更低、精度更高、安全性更有保障的基于光鐠吸收的氣體濃度檢測方 法及其裝置。
本發(fā)明的一個方面包括一種用于檢測環(huán)境中氣體濃度的傳感器系統(tǒng)中
的傳感單元，包括光學(xué)頭，其包括兩端開口的柱形中空部件和設(shè)置在其 中的準直器，所述柱形中空部件的一端連接光纖；柱形筒，其一端與所述 光學(xué)頭的另一端耦合；多個形成在所述柱形筒側(cè)壁上的氣孔；以及至少一 個反射裝置，其位于所述柱形筒內(nèi)，用于反射所述光束以使所述光束射向 并通過所述準直器而重新進入所述光纖，其中，所述準直器將由所述光纖 傳輸?shù)墓馐詈先胨鲋瓮?，以使所述光束平行于所述柱形筒的軸向。
本發(fā)明還包括一種用于檢測環(huán)境中氣體濃度的傳感器系統(tǒng)，包括至少 一個上述傳感單元，所述傳感器系統(tǒng)還包括監(jiān)控中心，其包括如下裝置 光源，用于發(fā)射波長對應(yīng)于待測氣體的吸收帶的光束；電子處理裝置；以 及環(huán)行器，其連接第一、第二和第三光纖，所述環(huán)行器通過第一光纖接收 來自所述光源的光束、通過第二光纖將從第一光纖傳輸至環(huán)行器的所述光 束傳輸給所述傳感單元、以及通過第三光纖將從所述第二光纖返回至環(huán)行 器的所述光束傳輸給電子處理裝置。其中所述第二光纖通過快速光學(xué)開關(guān) 和多路復(fù)用器級連多個傳感單元。
本發(fā)明還包括一種利用上述傳感器系統(tǒng)檢測環(huán)境中的氣體濃度的方 法，包括以下步驟將所述傳感單元置于含待檢測氣體的環(huán)境中；從所述 光源發(fā)出光束，所述光束具有基本對應(yīng)于待測氣體的吸收帶的波長；通過 所述第 一光纖將所述光束傳輸?shù)剿霏h(huán)行器；通過所述第二光纖將通過第 一光纖傳輸至所述環(huán)行器的光束傳輸?shù)絺鞲袉卧?；通過所述第三光纖將 通過第二光纖返回至所述環(huán)行器的所述光束傳輸給電子處理裝置進行處 理，從而獲得氣體濃度。其中通過快速光學(xué)開關(guān)和多路復(fù)用器將多個傳感 單元級連到所述第二光纖。
在根據(jù)本發(fā)明的方案中，僅通過一根光纖在監(jiān)控中心和傳感單元之間傳輸信號，在待測氣體附近沒有電連接，因此消除了點燃易燃易爆氣體的
隱患，并且可以實現(xiàn)遠程檢測，裝置可靠性高并抗電磁輻射；本發(fā)明中的 傳感單元對光程的精確控制、以及光纖傳導(dǎo)的低損耗提供了更好的測量精 度、靈敏度以及信噪比；本發(fā)明的傳感單元的結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，并且 與傳導(dǎo)光纖的連接也足夠簡單，這大大降低了本發(fā)明的成本；同時本發(fā)明 的傳感單元的特別結(jié)構(gòu)允許其尺寸進一步減小，更實現(xiàn)了小型、便攜的要 求。
圖l;l:根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于傳感器系統(tǒng)中的傳感單元的結(jié)構(gòu)
示意圖2是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的用于傳感器系統(tǒng)中的傳感單元內(nèi)的 反射裝置的示意圖3是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的用于傳感器系統(tǒng)中的傳感單元的結(jié) 構(gòu)示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于檢測甲烷氣體濃度的傳感器系統(tǒng) 的結(jié)構(gòu)示意圖5是用于檢測氣體在多個位置的濃度分布的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)的示意 圖；以及
圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于檢測曱烷氣體濃度的傳感器系統(tǒng) 的測量結(jié)果曲線圖。
具體實施例方式
下面參照


本發(fā)明的實施例。應(yīng)當(dāng)理解，這些實施例只是說明 性的，而不是P艮制性的，本發(fā)明還包括本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明而可以 想到的其它修改、替換、組合等。
本發(fā)明基于如公式(1)所示的Beer-Lambert定律檢測氣體濃度，

其中l(wèi)O0表示波數(shù)為p的光波的出射光光強，1。(。表示入射光光強，L 是光通過氣體的有效光程，aOO表示光吸收系數(shù)，P氣體表示氣體的分壓 (atm)。從而，通過測量光以一定光程通過氣體之后的出射光強，即可 以根據(jù)上述Beer-Lambert定律測得氣體的濃度。
圖l示出了傳感單元的一個實例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，該傳感 單元101包括光學(xué)頭102，其包括兩端開口的柱形中空部件和設(shè)置在其 中的準直器103，柱形中空部件的左端連接光纖107、右端與柱形筒105 的左端整體形成，所述柱形筒105的右端可以是封閉的；多個穿透所述柱 形筒105的側(cè)壁的氣孔104，其使得將被檢測的氣體可以自由iiA所述筒， 氣孔104不限定于特定形狀和分布，只要其在保證傳感單元的機械強度的 同時可以允許足夠的氣體進入筒即可，例如，氣孔104可以是圓形、橢圓 形或者長條形或者其它規(guī)則或不規(guī)則的形狀；以及，反射鏡106，其可以 為鏡片或例如，金涂層或其它反射性材料的涂層，反射鏡106被設(shè)置在所 述柱形筒內(nèi)與準直器103相對的一端，用于將所述光束沿所述柱形筒的軸 向反射回所述準直器103并使其通過所述準直器103重新l所述光纖 107。所述準直器103可以為例如梯度折射率透鏡，其用于將由所述光纖 107傳輸?shù)墓怦頭^入所^形筒105以使其平行于所i^形筒的軸向，當(dāng) 然也可以采用其它形式的準直器。
在測量不同濃度的氣體的情況下，根據(jù)Beer-Lambert定律可以得出， 濃度越低的氣體，適宜使用越長的光程來測量，反之亦然。在該實施例中， 由于光線在傳感單元中經(jīng)過了 一次反射，因此有效光程是柱形筒長度的兩 倍。為了增加有效光程，可以通過改變柱形筒的長度實現(xiàn)。例如可以將柱 形筒設(shè)置為長度可調(diào)的構(gòu)造，以更方^更地直接適用于不同濃度的氣體測量， 從而可以進一步提高精度。所述構(gòu)造例如可以是自動的或手動的多層套管 的M構(gòu)造，套管與套管的重疊必須確保與外界連通的氣孔的通暢，并且 設(shè)置準直器及反射鏡，使光線在對應(yīng)于直徑最小的套管的截面內(nèi)傳輸，以 防止光線在套管內(nèi)射到管壁上而損耗。當(dāng)然，本發(fā)明并不限于此，本領(lǐng)域 技術(shù)人員可以想到多種其它方式，例如，可以通過螺釘螺母裝置連接多個套管而增加套管的總長度。圖2示出了本發(fā)明的另一個實施例。如圖2所示，傳感單元的構(gòu)造與圖l所示實施例基;M目同，不同之處在于，在傳感單元內(nèi)部設(shè)置了多個反射鏡，以進行多次應(yīng)Jt，從而進一步增加光程。如圖2所示，在柱形筒內(nèi) 部成角度設(shè)置反射鏡206、 206，和206"，使得光線經(jīng)過三次反射后又射回 準直器，這種設(shè)置可以進一步減小傳感單元的長度。當(dāng)然，根據(jù)柱形筒的 長度不同可以考慮設(shè)置不同數(shù)量的反射裝置，以達到增加有效光程的目的。 根據(jù)實際應(yīng)用的需要，傳感單元的長度可以為20mm至150mm，內(nèi)徑為4 -6mm，外徑為5-8mm，稍大的直徑有助于增大傳感單元的強度。這樣 尺寸的傳感單元小巧輕便，便于攜帶，也便于操作使用。圖3示出了本發(fā)明的另一個實施例。在該實施例中，傳感單元的構(gòu)造 與上述兩個實例基本相同，不同之處在于，光學(xué)頭與柱形筒是兩個分離的 部件，柱形筒被可拆卸地^^在光學(xué)頭上。如圖3所示，柱形筒305和光 學(xué)頭302通過連接端308相連。圖3的右側(cè)示出了連接端308的截面圖。 在該實例中，光學(xué)頭302和柱形筒305在彼此相對的端部都具有徑向延伸 超出柱形筒邊緣的連接端片，在連接端片上大于柱形筒半徑的圓周上等間 隔地i殳置若干個螺孔309,通過螺釘螺母裝置穿過所迷螺孔309將兩個連 接端片^在一起，從而將柱形筒305與光學(xué)頭302M在一起。這樣， 可以準備不同長度的柱形筒，在不同情況下通過卸下已有的柱形筒，而靈增加或減少有效光程的目的。當(dāng)然，對于可拆卸地M柱形筒與光學(xué)頭， 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其它多種方式，因此本發(fā)明并不限于這里所述的 方式。由于傳感單元用于地下礦井等苛刻的環(huán)境中，為了使傳感單元更加穩(wěn) 定耐用，使用耐待測氣體腐蝕的材料制成傳感單元，例如在測量曱烷氣體 的情況下使用不銹鋼。在例如礦井的環(huán)境中還充滿了灰塵和水蒸氣，為了保護傳感單元中的光學(xué)元件不受污染以使測量精度更高，還可以在傳感單 元上涂敷防水膜或防塵防濕涂層，例如在本發(fā)明中使用熱塑性聚氨酯(TPU)型防水膜。在所述膜或涂層外還可以覆有用于進一步防塵的微孔 金屬膜，其中所述膜、涂層和微孔金屬膜都允許空氣自由透過，例如，所 述膜具有5000g/m2/24小時至10000g/m2/24小時的氣體通過率。另外，通 過在準直器上涂敷增透層，以及使用成角度拋光連接器(APC)進行光纖 連接，可以顯著降低千涉噪音，從而增大測量精度。下面參照附圖，以對甲烷氣體的濃度進行檢測為例描述本發(fā)明的傳感 器系統(tǒng)，但是本發(fā)明并不限于檢測甲烷的氣體的濃度，而是還可以檢測其 它各種易燃易爆氣體的濃度，如C3H8、 <:2114等。眾所周知，甲烷的吸收 譜線覆蓋中紅外區(qū)(波長約為3微米)和近紅外區(qū)(約1.33微米和1.66 微米)。由于在近紅外區(qū)的光源比較容易從市場獲得，因此通常選擇近紅 外區(qū)的i普線來測量甲烷氣體的濃度，在本發(fā)明中優(yōu)選1.66微米的鐠線，因 為其吸收系數(shù)較大，i普線更寬，并且1.33微米鐠線與水的吸收線重合，使 用1.66微米的鐠線更有利于排除測量現(xiàn)場中存在的水對測量結(jié)果的影響。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的用于檢測甲烷氣體濃度的傳感器 系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用例如分布反饋(DFB)型半導(dǎo)體激光器作為光源，但本 發(fā)明并不限于使用DFB激光器，而是可以使用其它任何合適的激光器，例 如二極管激光器。DFB激光器的頻率可以通過調(diào)節(jié)溫度或電流來調(diào)節(jié)，在 本發(fā)明中，通過調(diào)節(jié)該激光器的輸入電流而正弦調(diào)節(jié)該激光器的頻率(波 長)，以發(fā)出近紅外激光束。通過光纖411將激光束傳輸?shù)饺谁h(huán)行器， 三端環(huán)行器的另外兩端分別通過光纖連接到根據(jù)本發(fā)明的傳感單元401和 電子處理裝置412，這里使用的光纖為單才莫低損耗光纖。傳感單元401^皮 置于含待測氣體的環(huán)境中，并與環(huán)境連通，從而在傳感單元中充滿待測氣 體，當(dāng)光束1傳感單元且1^射出傳感單元之后，傳感單元中的氣體對 相應(yīng)鐠線的光進行了吸收。環(huán)行器用于允許在單個光纖407中多#輸射 入和返回的光束，射入傳感單元的光束經(jīng)反射后射出并再次i^光纖407， 并到達環(huán)行器。環(huán)行器將從傳感單元返回的光束通過光纖傳輸?shù)诫娮犹幚?裝置中的光電檢測器，在此處利用光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并 利用前置放大器放大所述電信號。光電檢測器連接到處理電路，在此處從所述電信號獲得測量數(shù)據(jù)，其中，為了增加信噪比，可以使用例如差分檢 測、頻率調(diào)制等公知技術(shù)。最后利用嵌入式計算裝置從處理電路獲取數(shù)據(jù) 并進行數(shù)字處理，從而計算出曱烷氣體的濃度并顯示該濃度。在必要時， 根據(jù)計算獲得的甲烷氣體濃度值，可以觸發(fā)警報。從圖4可以看出，該系統(tǒng)中放入測量現(xiàn)場的部件可以只是光纖407和 傳感單元401，同時，圖中的其它部件可以都設(shè)置在遠離測量現(xiàn)場的監(jiān)控 中心410中，由于光纖407采用單模低損耗的光纖，因此可以實現(xiàn)遠程檢 測，并且其中的電子處理裝置位于遠離測量現(xiàn)場的監(jiān)控中心410中，這大 大加大了安全性，另外，該系統(tǒng)在測量現(xiàn)場進4亍的^Mt簡單易行，也大大 降低了檢測成本。所述系統(tǒng)可以變化為連接多個位于不同位置的傳感單元，從而可以檢 測一片區(qū)域的氣體濃度分布。如圖5所示，其中示出了一種網(wǎng)狀傳感器系 統(tǒng)，用于在多個位置同時測量氣體的濃度分布。在圖5所示的網(wǎng)狀傳感器 系統(tǒng)中，監(jiān)控中心510同樣可以包括光源、環(huán)行器以及計算裝置，該監(jiān)控 中心可以通過快速光學(xué)開關(guān)和多路復(fù)用器級連多個傳感單元。從而如圖5 所示，多根用于連接傳感單元501的光纖507上可以串聯(lián)或并聯(lián)多個傳感 單元，從而可以覆蓋大范圍區(qū)域并提供增加的信息。所述光學(xué)開關(guān)具有微 秒級的速度，其連續(xù)掃描連接到各個位置的多個傳感單元的光纖。所述多 路復(fù)用器例如為，波長分割多路復(fù)用器(WDM)、時間分割多路復(fù)用器 (TDM)或空間分割多路復(fù)用器(SDM)，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員所'i^的。 例如，在光源是脈沖激光的情況下，時間分割多路復(fù)用器可以是這樣的裝 置，其中通過在各個傳感單元與所述光纖的連接之間再連接不同長度的光 纖，而不同程度地延長傳輸時間，從而達到分時傳輸?shù)哪康?，在本發(fā)明的濃度檢測系統(tǒng)及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，還可以使用例如二極管激 光器的激光源、例如Fabry-Perot激光器的可調(diào)激光源或例如放大自發(fā)輻 射光源(ASE )、發(fā)光二極管(LED )或超發(fā)射發(fā)光二極管(SLED )的 寬帶光源，所述可調(diào)激光源和寬帶光源需結(jié)合帶寬小于lnm的窄帶濾光 器。通過選擇與待測氣體的吸收帶對應(yīng)的波長，從而可以監(jiān)測其它易燃易爆氣體，例如C3Hs、 C2H4、 C2H2、 CO、 C02、 02、和H;sS中的一種或多 種。在使用二極管激光器測量CH4氣體濃度的情況下，相關(guān)于近紅外譜帶 的振動分支，R支和P支相比于Q支具有窄得多的鐠線寬度，從而要求更 小的調(diào)諧范圍，很好地匹配了二極管激光器的電流調(diào)諧，因此，本發(fā)明優(yōu) 選采用波長在1645nm的R ( 6)振動線進行操作，同時由于該語線遠離水 蒸汽的吸收帶，從而還可以排除測量現(xiàn)場中的水蒸氣對測量結(jié)果的干擾。 因此，該鐠線的選擇增強了本發(fā)明傳感器系統(tǒng)的靈敏度。在具體操作中，二極管激光器的輸出波長可以由工作溫度和輸入電流 共同確定。通常保持溫度恒定而掃描輸入電流。在本發(fā)明中，通過精調(diào)激 光器的溫度和輸入電流，將二極管激光器的發(fā)射波長集中在CH4的R (6) 吸收線附近。在該情況中，將溫度保持在預(yù)設(shè)的工作溫度，利用給定的調(diào) 節(jié)振幅以給定的頻率周期性地調(diào)節(jié)輸入電流，其中的一個激;^式在每次 掃描中將掃過所述吸收線。為了〗更于信號處理，將吸》1^漠式調(diào)節(jié)為與調(diào)制 信號的最小電流點一致，從而，在吸收帶以外的光信號將非常強以至于充 滿處理電路并形成背景噪聲。利用本領(lǐng)域技術(shù)人員〃i^的噪聲抑制技術(shù)消 除該背景噪聲，從而獲得對由計算機記錄的吸收信號的準確而高精度的測 量，圖6示出了利用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)測得的光吸收強度與甲烷氣體濃度 的關(guān)系的曲線圖，并示出了根據(jù)Beer-Lambert定律繪出的指數(shù)圖，圖中 雖然只示出了低濃度的情況，但是本發(fā)明已經(jīng)證實適用于檢測0 - 100 %的 全范圍的氣體濃度。從圖6中可見，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)對氣體濃度的測量 與理論值基本符合，在該情況中，可檢測的最低濃度比率為0.1%，精度達 到0.01%,可見本發(fā)明的精確度非常高。雖然已經(jīng)在優(yōu)選實施例中說明了本發(fā)明的基本新穎特征，但是應(yīng)當(dāng)理 解，在不脫離本發(fā)明的精神下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對所述的裝置和方法 的形式和細節(jié)進行多種修改、省略或替代等。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測環(huán)境中氣體濃度的傳感器系統(tǒng)中的傳感單元，包括光學(xué)頭，其包括兩端開口的柱形中空部件和設(shè)置在其中的準直器，所述柱形中空部件的一端連接光纖；柱形筒，其一端與所述光學(xué)頭的另一端耦合；多個形成在所述柱形筒側(cè)壁上的氣孔；以及至少一個反射裝置，其位于所述柱形筒內(nèi)，用于反射所述光束以使所述光束射向并通過所述準直器而重新進入所述光纖，其中，所述準直器將由所述光纖傳輸?shù)墓馐詈先胨鲋瓮?，以使所述光束平行于所述柱形筒的軸向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的傳感單元，其中所述柱形筒可拆卸地接合在所述 光學(xué)頭上，且所述柱形筒的長度恒定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的傳感單元，其中所述柱形筒與所述光學(xué)頭整體形 成，且所述柱形筒的長度恒定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3之一的傳感單元，其中所述反射裝置由三個分離 的反射鏡構(gòu)成，其中 一個所述反射鏡被成角度地設(shè)置在所述柱形筒的靠近 準直器的一端、并與所述準直器在徑向上隔開，另外兩個所述>^射鏡被成 角度地設(shè)置在所述柱形筒的與所述光學(xué)頭相對的 一端并在徑向上彼此隔 開，從而使得所迷光束在經(jīng)過所述三個反射鏡的反射后射回所述準直器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的傳感單元，其中所述柱形筒與所述光學(xué)頭整體形 成，且所述柱形筒的長度可以自動或手動調(diào)節(jié)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 - 3和5中的任一項的傳感單元，其中所述柱形筒 的外壁上涂敷有防水膜或防塵防濕涂層，所述膜和涂層允許空氣自由透過。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4的傳感單元，其中所述柱形筒的外壁上涂敷有防水 膜或防塵防濕涂層，所述膜和涂層允許空氣自由透過。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的傳感單元，其中所述膜或涂層外i^A有用于進一 步防塵的孩i孔金屬膜，所述微孔金屬膜允許空氣自由透過。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7的傳感單元，其中所述膜或涂層外還覆有用于進一 步防塵的微孔金屬膜，所述微孔金屬膜允許空氣自由透過。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l-3、 5和8中任一項的傳感單元，其中所述反射 裝置為^1置在所述柱形筒內(nèi)的與所述光學(xué)頭相對的一端的反射鏡面。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6的傳感單元，其中所述反射裝置為設(shè)置在所述柱 形筒內(nèi)的與所述光學(xué)頭相對的一端的反射鏡面。
12. —種用于檢測環(huán)境中氣體濃度的傳感器系統(tǒng)，包括至少一個根據(jù) 權(quán)利要求1-ll之一的傳感單元，所述傳感器系統(tǒng)還包括監(jiān)控中心，所述 監(jiān)控中心包括光源，用于發(fā)射波長對應(yīng)于待測氣體的吸收帶的光束； 電子處理裝置；以及環(huán)行器，其連接第一、第二和第三光纖，所述環(huán)行器通過第一光纖接 收來自所述光源的光束、通過第二光纖將從第一光纖傳輸至環(huán)行器的所述 光束傳輸給所述傳感單元、以及通過第三光纖將從所述第二光纖返回至環(huán) 行器的所述光束傳輸給電子處理裝置。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12的傳感器系統(tǒng)，其中所述第二光纖通過快速光學(xué) 開關(guān)和多路復(fù)用器級連多個傳感單元。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13的傳感器系統(tǒng)，其中所述氣體是易燃易爆 的氣體，包括CH4、 C3H8、 C2H4、 C2H2、 CO、 C02、 02、和EbS中的一 種或多種。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12或13的傳感器系統(tǒng)，其中所述光源選自于如下 一種或多種二極管激光器、DFB激光器、帶有窄帶濾光器的Fabry-Perot 激光器、以及帶有窄帶濾光器的寬帶光源，所述窄帶濾光器具有小于lnm 的帶寬、并且其通過的光的波長對應(yīng)于待測氣體的吸收帶.
16. 根據(jù)權(quán)利要求15的傳感器系統(tǒng)，其中所述寬帶光源是選自于發(fā)光 二極管、^C射發(fā)光二極管和放大自發(fā)輻射光源中的一種或多種。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15的傳感器系統(tǒng)，其中在4吏用二極管激光器檢測 CH4氣體的濃度的情況下，選擇1645nm的譜線進行測量。
18. 根據(jù)權(quán)利要求12或13的傳感器系統(tǒng)，其中所述電子處理裝置包括光電檢測器，其包括光電二極管，其用于將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，和 前置放大器，用于放大所述電信號； 處理電路，用于從所述電信號獲得測量數(shù)據(jù)；以及 計算裝置，用于數(shù)字處理來自所迷處理電路的數(shù)據(jù)，并根據(jù) Beer-Lambert定律計算出氣體濃度，
19. 一種利用才艮據(jù)權(quán)利要求12 - 18之一的傳感器系統(tǒng)檢測環(huán)境中的氣 體濃度的方法，包括以下步驟將所述傳感單元置于^^待檢測氣體的環(huán)境中； 從所述光源發(fā)出光束，所述光束具有基本對應(yīng)于待測氣體的吸收帶的 波長；通過所述第 一光纖將所述光束傳輸?shù)剿霏h(huán)行器； 通過所述第二光纖將通過第一光纖傳輸至所述環(huán)行器的光束傳輸?shù)絺?感單元中；通過所述第三光纖將通過第二光纖返回至所述環(huán)行器的所述光束傳輸 給電子處理裝置進行處理，從而獲得氣體濃度。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的檢測環(huán)境中的氣體濃度的方法，其中通過快速 光學(xué)開關(guān)和多路復(fù)用器將多個傳感單元級連到所述笫二光纖。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19或20的檢測環(huán)境中的氣體濃度的方法，其中所 述氣體是易燃易爆的氣體，包括CH4、 C3H8、 C2H4、 C2H2、 CO、 C02、 02、和H2S中的一種或多種。
22. 根據(jù)權(quán)利要求19或20的檢測環(huán)境中的氣體濃度的方法，其中所 述光源選自于如下一種或多種二極管激光器、DFB激光器、帶有窄帶濾 光器的Fabry-Perot激光器、帶有窄帶濾光器的寬帶光源，所述窄帶濾光 器具有小于lnm的帶寬、并且其通過光波長對應(yīng)于待測氣體的吸收帶。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的傳感器系統(tǒng)，其中所述寬帶光源是選自于發(fā)光二極管、M射發(fā)光二極管和放大自發(fā)輻射光源中的一種或多種。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的檢測環(huán)境中的氣體濃度的方法，其中在使用二 極管激光器檢測CH4氣體的濃度的情況下，選擇1645nm的譜線進行測量。
全文摘要
一種用于檢測環(huán)境中氣體濃度的傳感器系統(tǒng)中的傳感單元，包括光學(xué)頭，其包括兩端開口的柱形中空部件和設(shè)置在其中的準直器，柱形中空部件的一端連接光纖；柱形筒，其一端與光學(xué)頭的另一端耦合；多個形成在柱形筒側(cè)壁上的氣孔；以及至少一個反射裝置，其位于柱形筒內(nèi)，用于反射光束以使光束射向并通過準直器而重新進入光纖，其中，準直器將由光纖傳輸?shù)墓馐詈先胫瓮玻允构馐叫杏谥瓮驳妮S向。本發(fā)明還包括用于檢測環(huán)境中氣體濃度的傳感器系統(tǒng)和利用上述傳感器系統(tǒng)檢測環(huán)境中的氣體濃度的方法。
文檔編號G01N21/39GK101319989SQ200710108590
公開日2008年12月10日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
發(fā)明者T·科什契察, 崔洪亮, 亞 李 申請人:派克森公司