一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置和方法。由于受长距离光纤传感波段的限制，只能利用气体吸收线强较弱的近红外泛频带，对指标气体中典型的CO、CO2、C2H2、C2H4等烷烃类气体进行高灵敏实时在线监测。利用多频波长调制和新型长光程多次反射池技术实现多组分微弱信号检测，其装置包括激光器、激光控制器、信号发生器、新型多次反射池、光纤准直器、光束耦合器、光电探测器、锁相放大器、采集A/D及终端的信号处理系统、防爆机箱。该装置全光纤连接，无需人工取样，响应灵敏度高，可同时进行多种指标性气体的实时监测，操作简单，稳定性好，功率小，便于携带、安装和现场实验，动态量程大。
【专利说明】一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤炭自燃指标气体的光学分析装置领域，具体为一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置及方法。
【背景技术】
[0002]煤炭是我国的主要能源，煤炭生产在我国的国民经济中具有举足轻重的作用。我国煤矿中，自然发火情况非常严重，是我国许多煤矿的重大灾害之一。据统计，在我国的现有煤矿中，国有重点煤矿54.9 %的矿井有自然发火危险，地方国有煤矿年产3万吨以上的矿井中29.1 %有自然发火危险。煤矿的自燃火灾次数占火灾总数的90%以上。煤炭自燃火灾给国家和矿井带来了极大的危害及经济损失，其中有些自燃火区长期无法扑灭，大量煤炭资源被冻结，昂贵的生产设备毁于火区之中，严重威胁着矿井的正常生产和矿工的生命安全。我国煤矿共发生火灾94%的为自然发火，采空区自燃则占自燃火灾的60%，万吨发火率为0.76次。20世纪90年代之后，煤矿生产逐步向高产高效集约化发展，其火灾发生的严重性和危害性也随之升级，严重制约着采煤高产高效技术的发展。因此研究煤自燃早期测试和预报技术是成为扼制煤自燃事故发生的必然选择。
[0003]煤矿自燃监测，是通过监测影响自然发火的参数，如一氧化碳、温度等，来实时监测自然发火危险状况。上述这些参数借助于传感器、信号传输与处理系统，由计算机进行集中监测。国外研制矿井监控系统始于20世纪60年代，我国起步较晚，始于20世纪80年代初期。目前，我国煤矿中广泛应用着1^2、耵22、1^4、1^7、1^93、耵95等煤矿监控系统。这些监控系统主要进行一般的生产和安全监控，难以对自然发火危险性做出准确、可靠的监测和评价。
[0004]应用于早期监测预报煤炭自燃的主要方法是指标气体法。是根据煤炭自燃发火随氧化过程而释放出一系列的有毒有害气体产物，根据氧化气体产物的组成、浓度及其变化速率等特性，来确定煤炭自然发火的进程或预测煤炭自然发火的发展趋势的方法。通过气体指标法可对煤炭自然发火做出准确的预测预报，也是目前广泛使用的方法。俄罗斯、中国等主要产煤国家在实验室中在不同温度下对不同煤种、不同煤岩成分的煤进行氧化实验，以寻找煤炭自燃早期预报的灵敏指标气体，目前常用的有CO、CO2, C2H2, C2H4等。指标气体法在应用过程中受井下通风条件和检测仪器精度的制约。在现有检测仪器精度条件下，如何提高预报的准确性是至关重要的。煤炭自燃指标气体的检测主要有人工检测和矿井监测系统(包括束管监测系统和矿井安全与环境监测系统)。人工束管检测一直作为煤炭自燃指标气体的主要检测手段。它是在自燃的危险区域，人工取样，地面通过色谱议分析，给出指标气体的成分与浓度，以此判断煤的自然发火程度。该法适用性强、投入设备少，简单易行，但人工取样工作量大，间隔时间长，不能连续实时进行检测。目前，在装备条件好的大、中型矿井，一般都装备有安全与环境监测系统，该监测系统可以连续监测CO、CO2, C2H2, C2H4等环境参数，根据这些环境参数的变化可进行自燃的预报，但是由于传感器数量种类少、价格昂贵、布置范围小，没能发挥监测系统用于煤炭自燃预报应有的作用。
[0005]可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术利用半导体激光器可调谐、窄线宽特性，通过检测气体的一条振转吸收线实现气体浓度的快速检测，避免了气体取样和其它气体干扰，是一种具有高灵敏、高分辨、快速检测特点的气体在线监测技术，结合新型多次反射池技术，采用开放光路的多频波长调制TDLAS技术，通过近红外波段的光纤传输，对煤自燃过程中所释放出的CO、CO2, C2H2, C2H4等指标气体的浓度进行在线监测，为煤矿的安全生产提供有力的技术保证。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置和方法，以新型多次反射池和多频调制技术为基础，用高灵敏吸收光谱测量来解决现有束管技术中人工取样分析时间过长、灵敏度低、稳定性差等问题。设计了基于新型多次反射池和多频调制技术的监测装置，系统结构简单、紧凑，只要一个多次反射池，就可以同时测量煤炭自燃中典型指标气体的浓度。特别是新型多次反射池的使用，其小容积长光程保证了系统响应灵敏度和测量精度，而多频调制技术的使用，节约了系统成本，实现了多组分微量气体的测量。
[0007]本发明的技术方案如下:一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置，由长光程多次反射池8、多光纤准直器9、4*1光纤耦合器10、铠装光纤11和多频调制装置组成，其中多频调制装置包括以分布式反馈(DFB)激光器1、激光控制器2、探测器3、滤波放大器4、信号发生器5、锁相放大器6和信号处理系统7 ；
[0008]所述DFB激光器I为可调谐半导体激光器，由四种CO、CO2, C2H2, C2H4气体的DFB激光器构成，包括用于测CO气体的中心波长1567nm的DFB激光器，用于测CO2气体的中心波长1436nm的DFB激光器，用于测C2H4气体的中心波长1626nm的DFB激光器，以及用于测C2H2气体的中心波长1538nm的DFB激光器，四种DFB激光器I出射的激光经过4*1合束器耦合输出，与铠装双光纤11的输入芯线熔接；
[0009]所述激光控制器2由四组温度控制器和四组电流控制器组成，分别用于控制激光器I中的四种DFB激光器的输出功率和波长，注入电流改变功率，同时小范围改变波长，通过精确温度控制锁定波长，使四种激光器输出中心波长位于所测指标气体的吸收线上；
[0010]所述铠装光纤11为双芯光纤，用于传输由体激光器I发出的激光束通过光纤准直器9进入长光程多次反射池8内，同时将长光程多次反射池8的出射光通过、4*1光纤耦合器10耦合进铠装光纤11传输至探测器3 ；
[0011]所述光纤准直器9能够精细调节达到镜面上的光束角度，调节精度为I度，转动螺纹副，能够将入射光以精确角度入射到长光程多次反射池8内，保证反射池内光束传输次数和出射光斑质量；
[0012]所述长光程多次反射池8用于延长激光通过被测气体路径，反射池内光束经过多次来回反射极大地增强了吸收光程长度，出射端面的透射光束包含被测气体吸收信号，经过、4*1光纤耦合器10和铠装光纤11到达光电探测器3 ；
[0013]所述探测器3将光电信号转换后进入滤波放大器4，并将放大的信号分为五路并行输出，其中四路分别输入锁相放大器6中的四组锁相，用于解调吸多组分收信号的二次谐波；另一路经过低通滤波后输出三角波信号进入信号处理系统7，用于整个系统的光强修正；
[0014]所述锁相放大器6由四组锁相放大器组成，分别用于四种指标气体的解调，其输入参考信号与调制信号一致，即用于CO解调的锁相放大器的输入参考信号为5KHZ，用于CO2解调的锁相放大器的输入参考信号为1KHz,用于C2H2解调的锁相放大器的输入参考信号为15KHz通过解调放大,用于C2H4解调的锁相放大器的输入参考信号为20KHz,其输出的二次谐波信号进入信号处理系统7，用于反演指标气体浓度；
[0015]所述信号发生器5由四组信号发生器组成，用来产生低频扫描信号和高频调制信号；四组信号发生器输出30Hz锯齿波扫描信号，分别扫描四只DFB激光器的波长，使其产生测量目标气体的吸收谱线；同时，四组信号发生器分别输出5ΚΗζ，ΙΟΚΗζ, 15KHz和20KHz的高频正弦信号用于调制测量CO、CO2, C2H2, C2H4气体的激光器；每种高频调制信号分别引入所述锁相放大器6中的四组锁相放大器，作为参考信号对相应的调制信号解调；
[0016]所述信号处理系统7由多通道采集A/D和工控机组成，采集A/D用于接收所述锁相放大器6输出的多组分二次谐波信号和放大滤波器4输出的低频信号，经过模数转换后进入工控机，工控机用于以下几个方面的操作:(I)通过激光控制器2调节激光器I温度和注入电流，控制激光器I的输出波长和功率；(2)接收滤波放大器4的反馈信号，判断激光器I输出光功率在整个光路上的传输稳定性，对浓度反演结果进行光强修正；(3)将通过采集A/D接收到的多通道二次谐波信号首先做小波变换去噪处理，然后利用锯齿波幅值修正光强，接着用最小二乘法拟合标准信号反演浓度，最后利用Kalman滤波处理浓度数据已去除奇异波动值；另外，计算所测二次谐波的峰值位置，与标准谐波信号分支位置相比对，以此计算激光器波长漂移，通过激光器温度串口控制命令在线修正，完成波长锁定。
[0017]所述激光器1，激光控制器2，探测器3，滤波放大器4，信号发生器5，锁相放大器
6,信号处理系统7集成于防爆机箱12内。
[0018]所述长光程多次反射池8为由三个球面镜组成稳定谐振腔，长光程多次反射池的基长217mm，镜面直径60mm，镜面镀有532nm和1550nm的高反介质膜，膜层带宽土 150nm，反射率大于99%,长光程多次反射池体积0.5L ;用532nm的尾纤激光器调节反射池内的光斑分布，通过端面准直器改调节入射角度，使光斑均匀分布，同时调节螺纹副来改变光程长度，光程从8.8米至88米可调，另外用冶金粉末罩密封光路，具有防水防尘透气性，小容积长光程，有效减小系统响应时间，增强探测灵敏度。
[0019]所述激光器I调谐范围为lnm，线宽达到Κ^-ΙΟΛπΓ1数量级，用这样的窄线宽光源就可获得分子的一些谱线中的精细结构，提高测量分辨率，避免其他干扰气体的影响。
[0020]所述探测器为铟镓砷探测器。
[0021]一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测方法，实现步骤如下:
[0022](I)以分布式反馈激光器(DFB)作为光源，结构为尾纤输出的蝶形封装，输出功率大于lOmw，调谐范围±lnm，激光线宽2MHz，中心波长分别为1，2，3，4，通过激光控制器调节电流和温度以改变输出波长和功率，将四种DFB激光器中心波长调节到CO、CO2, C2H2, C2H4气体吸收波段，即已知的HITRAN数据库的吸收谱线位置；四组信号发生器输出30Hz锯齿波扫描信号，分别扫描四只DFB激光器的波长，同时，四组信号发生器分别输出5KHz, 1KHz,15KHz和20KHz的高频正弦信号用于调制测量CO、CO2、C2H2、C2H4气体的激光器；然后将调制扫描的四束激光器经过光纤合束器与铠装双光纤连接，经过数公里的传输至长光程多次反射池；
[0023](2)通过532nm的激光器调节多次反射池光路，光程长度为88米，其入射端接收铠装光纤传输来的四种激光调制信号，反射池内含有通过冶金粉末罩子渗透进来的气体，光束经过多次反射吸收后经过光纤耦合器输入铠装光纤的另一纤芯，经过长距离传输到达铟镓砷探测器；然后由放大滤波电路将含有四中调制频率的吸收信号放大后并行输入四个锁相放大器，锁相放大器用于解调的参考信号分别是相应波长的调制信号，解调出的二次谐波信号分别用于co、co2、c2H2、c2H4气体浓度的反演。另外经过放大后的信号经过电路低通滤波器，将高频调制信号去除，保留低频扫描信号，该信号幅值用于消除光强波动影响；
[0024](3)四路解调后的二次谐波信号和经过放大滤波后的扫描信号由采集卡模数转换后进入信号处理系统，信号处理系统输出多通道信号小波变换去噪处理、光强修正、最小二乘拟合标准信号反演浓度、Kalman滤波处理以及激光器波长漂移修正、激光器温度串口控制命令；
[0025](4)指标气体浓度的反演过程为:锁相放大器将对应调制频率的吸收信号解调出二次谐波信号，与事先标定的标准浓度二次谐波信号做最小二乘拟合，通过拟合系数乘以标准浓度值反演出监测空间的指标气体；
[0026](5)四种气体的监测共用一个长光程多次反射池和探测器，利用锁相放大器的解调属性，以及四种气体近红外吸收谱带间隔较窄的特点，实现煤炭自燃同一空间指标气体多组分远程监测，不仅节约了系统成本，在实际应用中操作更为简便。
[0027]本发明与现有技术相比的有益效果在于:本发明利用近红外波段的可调谐半导体激光吸收光谱技术测量煤炭自燃指标气体，通过长光程多次反射池的使用，增大了测量光程，小容积保证了响应灵敏度，镜面高反射膜层带宽较大保证了多组分气体同时测量。多频调制技术使各个DFB激光器经调制后的光束同时耦合进入一根光纤，由另一根光纤输出带有吸收的信号，即铠装双芯光纤就可满足系统需要，节约了光纤铺设成本，更重要的是通过调制解调将各组分浓度明确区分测量出来，实现煤炭自燃中多组分微量指标气体的在线远程监测。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明整体装置结构示意图；
[0029]图2为本发明为长光程多次反射池结构示意图；
[0030]图3为本发明光路光斑分布图；
[0031]图4为本发明所用冶金粉末密封罩的电镜扫描图。
【具体实施方式】
[0032]如图1所示，本发明的整体装置结构示意图，包括DFB激光器1，激光控制器2，探测器3,滤波放大器4,信号发生器5,锁相放大器6,信号处理系统7,长光程多次反射池8,光纤准直器9，4*1光纤耦合器10，铠装双芯光纤11，防爆箱12。其中:
[0033]激光器I为可调谐半导体激光器，具有可调谐、窄线宽等特性。组成部分包括用于测CO气体的中心波长1567nm的DFB激光器，用于测CO2气体的中心波长1436nm的DFB激光器，用于测C2H4气体的中心波长1626nm的DFB激光器，以及用于测C2H2气体的中心波长1538nm的DFB激光器，四种激光器出射的激光经过4*1光纤耦合束器耦合输出，与铠装光纤的输入芯线熔接。
[0034]激光控制器2由四组温度器和电流控制器组成，分别用于控制激光器I中的四只DFB激光器的输出功率和波长，通过注入电流改变功率，同时小范围改变波长，通过精确温度控制锁定波长，使四种激光器输出中心波长位于所测指标气体的吸收线上。
[0035]铠装光纤11为双芯光纤，用于传输由半导体激光器I发出的激光束通过光纤准直器9进入新型多次反射池8内，同时将多次反射池8的出射光通过4*1光纤耦合器10耦合进铠装光纤11传输至探测器3。
[0036]所述光纤准直器9可以精细调节达到镜面上的光束角度，调节精度为I度，转动螺纹副，能够将入射光以精确角度入射到长光程多次反射池8内，保证反射池内光束传输次数和出射光斑质量。
[0037]长光程多次反射池8用于延长激光通过被测气体路径，反射池内光束经过多次来回反射极大地增强了吸收光程长度，出射端面的透射光束包含被测气体吸收信号，经过4*1光纤耦合器10到达光电探测器3。
[0038]探测器3将光电信号转换后进入滤波放大器4，将其放大的信号分为五路并行输出，其中四路分别输入锁相放大器6中的四组锁相，用于解调吸多组分收信号的二次谐波；另一路经过低通滤波后输出三角波信号进入信号处理系统7，用于整个系统的光强修正。
[0039]锁相放大器6由四组锁相放大器组成，分别用于四种指标气体的解调，其输入参考信号与调制信号一致，即用于CO解调的锁相放大器的输入参考信号为5KHZ，用于CO2解调的锁相放大器的输入参考信号为1KHz,用于C2H2解调的锁相放大器的输入参考信号为15KHz通过解调放大，用于C2H4解调的锁相放大器的输入参考信号为20KHz，其输出的二次谐波信号进入信号处理系统7，用于反演指标气体浓度。
[0040]信号发生器5由四组信号发生器组成，用来产生低频扫描信号和高频调制信号。四组信号发生器输出30Hz锯齿波扫描信号，分别扫描四只DFB激光器的波长，使其产生测量目标气体的吸收谱线；同时，四组信号发生器分别输出5ΚΗζ，ΙΟΚΗζ, 15KHz和20KHz的高频正弦信号用于调制测量C0、C02、C2H2、C2H4气体的激光器。每种高频调制信号分别引入所述锁相放大器6中的四组锁相放大器，作为参考信号对相应的调制信号解调。
[0041]信号处理系统7由多通道采集A/D和工控机组成，采集A/D用于接收所述锁相放大器6输出的多组分二次谐波信号和放大滤波器4输出的低频信号，分辨率为14bits，经过模数转换后进入工控机程序，其主要用于以下几个方面的操作:(I)通过激光控制器2调节激光器I温度和注入电流，控制激光器I的输出波长和功率；(2)接收滤波放大器4的反馈信号，判断激光器I输出光功率在整个光路上的传输稳定性，对浓度反演结果进行光强修正；(3)将通过采集A/D接收到的多通道二次谐波信号首先做小波变换去噪处理，然后利用锯齿波幅值修正光强，接着用最小二乘法拟合标准信号反演浓度，最后利用Kalman滤波处理浓度数据已去除奇异波动值。另外，计算所测二次谐波的峰值位置，与标准谐波信号分支位置相比对，以此计算激光器波长漂移，通过激光器温度串口控制命令在线修正，完成波长锁定。
[0042]所述激光器I产生波长位于气体吸收的基频带，调谐范围为lnm，线宽可以达到1^-1O-8Cm-1数量级，用这样的窄线宽光源就可获得分子的一些谱线中的精细结构，提高测量分辨率，避免其他干扰气体的影响。
[0043]所述长光程多次反射池8由膜层反射率>99%的镜片组成(如图2所示)。图2为本发明中所用长光程多次反射池8结构示意图，其中三个球面镜镜片11、12、22组成稳定谐振腔，腔体基长为L，镜片11、镜片12和镜片22皆为平凹球面镜，曲率半径皆为R，与腔体长度L的关系满足稳定光学谐振腔条件，即0〈(1-L/R)2〈1 ;镜片21和镜片22单面高度抛光，反射面镀有反射率>99%的介质膜，膜层反射波长带宽±150nm。反射池基长在保证光程长度最大的同时保证传输光斑大小和质量(如图3所示)，图3是新型多次反射池典型的光斑分布形式，由入射角和光轴转动的角度决定，呈螺旋状分布，极大地增加测量气体的吸收光程长度，提高检测气体的灵敏度；反射池侧面由冶金粉末密封(如图4所示)；图4是电镜扫描下的冶金粉末颗粒，其颗粒直径为lOum，颗粒间隙lOOum，用于防尘防水透气。
[0044]所述防爆机箱12用于集成DFB激光器1，激光控制器2，探测器3，滤波放大器4，信号发生器5,锁相放大器6,信号处理系统7。
【权利要求】
1.一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置，其特征在于由长光程多次反射池、多光纤准直器、4*1光纤耦合器、铠装光纤和多频调制装置组成，其中多频调制装置包括以分布式反馈(DFB)激光器1、激光控制器、探测器、滤波放大器、信号发生器、锁相放大器和信号处理系统； 所述DFB激光器为可调谐半导体激光器，由四种CO、CO2、C2H2、C2H4气体的DFB激光器构成，包括用于测CO气体的中心波长1567nm的DFB激光器，用于测CO2气体的中心波长1436nm的DFB激光器，用于测C2H4气体的中心波长1626nm的DFB激光器，以及用于测C2H2气体的中心波长1538nm的DFB激光器，四种DFB激光器出射的激光经过4*1合束器耦合输出，与铠装双光纤的输入芯线熔接； 所述激光控制器由四组温度控制器和四组电流控制器组成，分别用于控制激光器中的四种DFB激光器的输出功率和波长，注入电流改变功率，同时小范围改变波长，通过精确温度控制锁定波长，使四种激光器输出中心波长位于所测指标气体的吸收线上； 所述铠装光纤为双芯光纤，用于传输由体激光器发出的激光束通过光纤准直器进入长光程多次反射池内，同时将长光程多次反射池8的出射光通过、4*1光纤耦合器耦合进铠装光纤传输至探测器； 所述光纤准直器能够精细调节达到镜面上的光束角度，调节精度为I度，转动螺纹副，能够将入射光以精确角度入射到长光程多次反射池8内，保证反射池内光束传输次数和出射光斑质量； 所述长光程多次反射池用于延长激光通过被测气体路径，反射池内光束经过多次来回反射极大地增强了吸收光程长度，出射端面的透射光束包含被测气体吸收信号，经过、4*1光纤耦合器和铠装光纤到达光电探测器； 所述探测器将光电信号转换后进入滤波放大器，并将放大的信号分为五路并行输出，其中四路分别输入锁相放大器中的四组锁相，用于解调吸多组分收信号的二次谐波；另一路经过低通滤波后输出三角波信号进入信号处理系统，用于整个系统的光强修正； 所述锁相放大器6由四组锁相放大器组成，分别用于四种指标气体的解调，其输入参考信号与调制信号一致，即用于CO解调的锁相放大器的输入参考信号为5KHz，用于CO2解调的锁相放大器的输入参考信号为1KHz,用于C2H2解调的锁相放大器的输入参考信号为15KHz通过解调放大，用于C2H4解调的锁相放大器的输入参考信号为20KHz，其输出的二次谐波信号进入信号处理系统7，用于反演指标气体浓度； 所述信号发生器由四组信号发生器组成，用来产生低频扫描信号和高频调制信号；四组信号发生器输出30Hz锯齿波扫描信号，分别扫描四只DFB激光器的波长，使其产生测量目标气体的吸收谱线；同时，四组信号发生器分别输出5ΚΗζ，ΙΟΚΗζ, 15KHz和20KHz的高频正弦信号用于调制测量CO、CO2, C2H2, C2H4气体的激光器；每种高频调制信号分别引入所述锁相放大器中的四组锁相放大器，作为参考信号对相应的调制信号解调； 所述信号处理系统由多通道采集A/D和工控机组成，采集A/D用于接收所述锁相放大器输出的多组分二次谐波信号和放大滤波器4输出的低频信号，经过模数转换后进入工控机，工控机用于以下几个方面的操作:(I)通过激光控制器调节激光器I温度和注入电流，控制DFB激光器的输出波长和功率；(2)接收滤波放大器的反馈信号，判断DFB激光器输出光功率在整个光路上的传输稳定性，对浓度反演结果进行光强修正；(3)将通过采集A/D接收到的多通道二次谐波信号首先做小波变换去噪处理，然后利用锯齿波幅值修正光强，接着用最小二乘法拟合标准信号反演浓度，最后利用Kalman滤波处理浓度数据已去除奇异波动值；另外，计算所测二次谐波的峰值位置，与标准谐波信号分支位置相比对，以此计算DFB激光器波长漂移，通过激光器温度串口控制命令在线修正，完成波长锁定。
2.根据权利要求1所述的煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置，其特征在于:所述DFB激光器，激光控制器，探测器，滤波放大器，信号发生器，锁相放大器，信号处理系统均集成于防爆机箱内。
3.根据权利要求1所述的煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置，其特征在于:所述长光程多次反射池为由三个球面镜组成稳定谐振腔，长光程多次反射池的基长217mm,镜面直径60mm，镜面镀有532nm和1550nm的高反介质膜，膜层带宽土 150nm，反射率大于99%,长光程多次反射池体积0.5L ;用532nm的尾纤激光器调节反射池内的光斑分布，通过端面准直器改调节入射角度，使光斑均匀分布，同时调节螺纹副来改变光程长度，光程从8.8米至88米可调，另外用冶金粉末罩密封光路，具有防水防尘透气性，小容积长光程，有效减小系统响应时间，增强探测灵敏度。
4.根据权利要求1所述的煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置，其特征在于:所述DFB激光器调谐范围为lnm，线宽达到Κ^-ΙΟΛπΓ1数量级，用这样的窄线宽光源就可获得分子的一些谱线中的精细结构，提高测量分辨率，避免其他干扰气体的影响。
5.根据权利要求1所述的煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测装置，其特征在于:所述探测器为铟镓砷探测器。
6.一种煤炭自燃指标气体多组分实时在线远程监测方法，其特征在于实现步骤如下: (1)以分布式反馈激光器(DFB)作为光源，结构为尾纤输出的蝶形封装，输出功率大于lOmw，调谐范围±lnm，激光线宽2MHz，中心波长分别为1，2，3，4共四种，通过激光控制器调节电流和温度以改变输出波长和功率，将四种DFB激光器中心波长调节到CO、CO2、C2H2X2H4气体吸收波段，即已知的HITRAN数据库的吸收谱线位置；四组信号发生器输出30Hz锯齿波扫描信号，分别扫描四只DFB激光器的波长，同时，四组信号发生器分别输出5KHz, 1KHz,15KHz和20KHz的高频正弦信号用于调制测量CO、CO2、C2H2、C2H4气体的激光器；然后将调制扫描的四束激光器经过光纤合束器与铠装双光纤连接，经过数公里的传输至长光程多次反射池； (2)通过532nm的激光器调节多次反射池光路，光程长度为88米，其入射端接收铠装光纤传输来的四种激光调制信号，反射池内含有通过冶金粉末罩子渗透进来的气体，光束经过多次反射吸收后经过光纤耦合器输入铠装光纤的另一纤芯，经过长距离传输到达铟镓砷探测器；然后由放大滤波电路将含有四中调制频率的吸收信号放大后并行输入四个锁相放大器，锁相放大器用于解调的参考信号分别是相应波长的调制信号，解调出的二次谐波信号分别用于CO、CO2, C2H2, C2H4气体浓度的反演；另外经过放大后的信号经过电路低通滤波器，将高频调制信号去除，保留低频扫描信号，该信号幅值用于消除光强波动影响； (3)四路解调后的二次谐波信号和经过放大滤波后的扫描信号由采集卡模数转换后进入信号处理系统，信号处理系统输出多通道信号小波变换去噪处理、光强修正、最小二乘拟合标准信号反演浓度、Kalman滤波处理以及激光器波长漂移修正、激光器温度串口控制命令； (4)指标气体浓度的反演过程为:锁相放大器将对应调制频率的吸收信号解调出二次谐波信号，与事先标定的标准浓度二次谐波信号做最小二乘拟合，通过拟合系数乘以标准浓度值反演出监测空间的指标气体； (5)四种气体的监测共用一个长光程多次反射池和探测器，利用锁相放大器的解调属性，以及四种气体近红外吸收谱带间隔较窄的特点，实现煤炭自燃同一空间指标气体多组分远程监测。
【文档编号】G01N21/39GK104237161SQ201410545356
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】夏滑, 吴边, 张志荣, 庞涛, 孙鹏帅, 韩荦, 崔小娟, 董凤忠 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院