基于光纤传感器的空气多参数检测系统的制作方法

本实用新型涉及一种空气检测技术领域，尤其是涉及一种基于光纤传感器的空气多参数检测系统。

背景技术：

随着全球经济的迅速发展，生活环境却不断恶化，各种有毒、有害，以及温室气体的排放，导致空气污染、雾霾等问题，严重影响了人们的生活和健康。

环境污染是世界工业不断发展带来的产物，也是发达国家和发展中国家所要共同面临的问题。空气污染的检测与治理更是与人类的生命健康息息相关，因而受到了广泛的重视。

目前，国内多数易燃、易爆等石化工业场所排放的空气中存在大量有毒、有害的，以及温室气体，但其依然采用传统的催化式传感器进行空气检测，催化式传感器容易受到周围环境影响，测量精度低，极易产生零点漂移，并且需要定时对其校准，增加维护成本的同时其检测的数据精度较低。另外传统的传感器容易出现催化剂中毒现象，导致其寿命缩短。

因此，如何对空气的环境进行检测，尤其是对空气中的二氧化碳 (CO₂)、甲烷(CH₄)、二氧化氮(NO₂)、一氧化碳(CO)、二氧化硫(SO₂)的检测是目前亟需解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于光纤传感器的空气多参数检测系统，能够对空气中的二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、二氧化氮(NO₂)、一氧化碳(CO)二氧化硫(SO₂) 等有害气体进行检测。

为实现上述目的，本实用新型提出如下技术方案：一种基于光纤传感器的空气多参数检测系统，包括

用于检测待测气体，获得携带待测气体浓度信息数据的气体检测模块；

用于对所述携带待测气体浓度信息数据进行处理，获得待测气体浓度的数据处理模块；以及

用于对所述待测气体浓度进行显示的显示模块；

所述气体检测模块与数据处理模块相连接，所述数据处理模块与显示模块相连接。

优选地，所述气体检测模块包括用于产生光强稳定的光的光源发生模块，用于检测待测气体并输出携带待测气体浓度信息的光的观测盒模块，以及用于将携带待测气体浓度信息的光转换为电信号的光探测器模块，所述光源发生模块与观测盒模块相连接，所述观测盒模块与光探测器模块相连接。

优选地，所述光源发生模块包括用于产生光的光源驱动电路模块，用于使光维持光强稳定的光功率稳定电路模块，以及使光源驱动电路模块产生一定强度光的光源偏置电路模块，所述光源偏置电路模块与光源驱动电路模块相连接，所述光功率稳定电路模块与光源驱动电路模块相连接。

优选地，所述观测盒模块包括复数斩波器，复数滤光片，耦合器，以及待测气体室，所述斩波器与滤光片相连接，所述滤光片与耦合器相连接，所述耦合器与待测气体室相连接。

优选地，所述数据处理模块包括进行数据通信的第一数据处理模块和第二数据处理模块，所述第一数据模块包括相连接的前置放大器模块、带通滤波器模块、锁相放大器模块和模数转换模块，所述第二数据处理模块为微处理器控制模块，所述前置放大器模块与光探测器模块相连接，模数转换模块与微处理器控制模块相连接。

优选地，所述系统还包括与数据处理模块、气体检测模块和显示模块相连接并为其提供电源的电源模块。

优选地，所述系统还包括与所述微处理器控制模块相通信、用于发送待测气体浓度至远程监控中心的GPRS通信模块。

优选地，所述电源模块包括相连接的用于进行电压转换、电路保护的电源管理电路模块，用于储存电能太阳能电池组，以及用于将太阳能转换为电能的太阳能板。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所述的基于光纤传感器的空气多参数检测系统，通过查询不同气体的光谱吸收峰，进而改变气体检测模块中光的中心波长来测量不同气体的浓度，具有灵敏度高，响应速度块、稳定性好、抗电磁干扰能力强的优点，能够有效的减少成本。

附图说明

图1是本实用新型的空气多参数检测系统结构框图；

图2是本实用新型的光源发生模块结构框图；

图3是本实用新型的光源驱动电路模块电路图；

图4是本实用新型的光功率稳定电路模块电路图；

图5是本实用新型的观测盒模块结构框图；

图6是本实用新型的气体浓度检测及处理流程图；

图7是本实用新型的GPRS通信模块的数据传输流程图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型的附图，对本实用新型实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

本实用新型所揭示的一种基于光纤传感器的空气多参数检测系统，能够测量不同的气体的浓度，如二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)、二氧化氮(NO₂)、一氧化碳(CO)二氧化硫(SO₂)等，应用于煤炭、石油化工等工业场所。

如图1所示，一种基于光纤传感器的空气多参数检测系统，包括数据处理模块，以及与所述数据处理模块相连接的气体检测模块和显示模块；

所述气体检测模块用于检测待测气体，获得携带待测气体浓度信息数据，并将所述携带待测气体浓度信息数据输入至数据处理模块，所述数据处理模块对接收到携带待测气体浓度信息数据进行处理，获得待测气体浓度，并将所述待测气体浓度信息在显示模块中进行显示。

具体的，所述气体检测模块通过利用光强稳定的光束来对被测气体进行浓度测量，通过改变所述光束的中心波长，能够测量空气中不同的气体，如二氧化碳、甲烷、二氧化氮等气体。

进一步地，所述气体检测模块包括光源发生模块，观测盒模块，以及光探测器模块，所述光源发生模块与观测盒模块相连接，所述观测盒模块中放置待测气体，所述光源发生模块产生光强稳定的光束，记为第一光束，并将所述第一光束输入至所述观测盒模块中，由于待测气体对所述第一光束进行部分吸收，所述观测盒模块输出被待测气体吸收的光束，记为第二光束，所述第二光束携带有待测气体浓度信息；所述观测盒模块与光探测器模块相连接，从观测盒模块中输出的第二光束进一步被光探测器模块接收，所述光探测器模块根据接收到的第二光束进行光电转换，产生电信号，所述电信号即为携带待测气体浓度信息的数据，光探测器模块将电信号输入至数据处理模块中进一步处理。

本实施例中，所述光源发生模块产生的光束覆盖待测气体的吸收光谱，光源发生模块产生光强稳定的光束通过待测气体后，光束中波长与待测气体的吸收波长相吻合的光会产生共振吸收，导致光的强度会产生衰减，所述光束的强度衰减和待测气体的浓度，以及光在待测气体中经过的路程有关，符合比尔-朗伯定律，通过测量待测气体后光强度的衰减，能够获得被测气体的浓度。

进一步地，结合图2、图3、图4所示，所述光源发生模块包括光源驱动电路模块，以及与所述光源驱动电路模块相连接的光功率稳定电路模块和光源偏置电路模块，所述光源偏置电路模块作用于光源驱动电路模块使其产生一定强度的光，所述光功率稳定电路模块使所述光保持为光强稳定的光。

如3图所示，光源驱动电路模块的电路图，输入信号电压Vc、输入信号电压Vdc和输入信号电压Vac分别经过一个10KΩ电阻加到运算放大器A1的反相输入端和地之间，运算放大器A1的输出电压端通过一10KΩ电阻反馈到其反相输入端，运算放大器A1的正相端通过一2.5KΩ电阻接地，运算放大器A1的输出电压端与运算放大器 A2的正相端相连接，且运算放大器A2正相端通过一100KΩ电阻接地，运算放大器A2的输出电压端通过一100Ω电阻与三级管的基极相连接，所述三极管的集电极与激光二极管相连接；Vdc作为光源的直流偏置输入电压信号，而Vac则是交流调制输入电压信号，Vdc和Vac经运算放大器A1叠加并经运算放大器A2放大后驱动三极管给发光二极管提供电流。

本实施例中，为了保证运算放大器A1在出现故障时能正常运作，在运算放大器A1的输出电压端和运算放大器A2的正相输入端设置一个10KΩ偏置电阻，进一步地，为了保护激光二极管，在其两端并联两个二极管，由于激光二极管的电压比二极管的穿电压高，所以不会被击穿，能较好的保护光源。

如图4所示，光功率稳定电路包括反相积分器A，以及与反相积分器相连接的低通滤波器、二极管，所述光功率稳定电路用于稳定光源驱动电路产生的光源的光功率，参考光信号经过光电转换为电压信号Vrs，Vrs通过低通滤波器和电阻加在反相积分器的正相输入端，输出电压为Vc。当光功率增大时Vrs减小，电压信号Vrs经过低通滤波器后也随着光功率增大而减小，使得光源的光功率减小，通过反向积分器A后随光功率增大而增大，从而使光源驱动电路中三级管的基极电压减小，使得光源的光功率减小，进而稳定光源。本实施例中，为了使光功率稳定电路调节范围在±0.7V之间，在电路中增加两个限幅的二极管。

如图5所示，所述观测盒模块包括复数斩波器，复数滤光片，耦合器，以及待测气体室，所述斩波器与滤光片相连接，所述滤光片与耦合器相连接，所述耦合器与待测气体室相连接。光源驱动电路模块驱动激光器光源产生的光束经过斩波器后，得到波长邻近但吸收系数相差很大的两束光，即波长为λ₁的第三光束和波长为λ₂的第四光束。本实施例中，第三光束经过被测气体后光的强度发生改变，第四光束经过被测气体后光的强度不发生改变，所述第四光束作为参考并且第三光束和第四光束同时避开其他气体分子的吸收，如在测量CO₂的浓度时，要避开其他气体(C₂H₂，NH₃等)的吸收。由于斩波器、耦合器等光电器件产生的零点漂移相同，因此两路光信号的比值只和被测气体浓度有关，光源和光电器件产生的影响可以忽略不计。通过观测盒模块的气体被光探测器接收，转换为电信号。

结合图1所示，所述数据处理模块包括相连接的第一数据处理模块和第二数据处理模块，所述第一数据模块包括相连接的前置放大器模块、带通滤波器模块、锁相放大器模块和模数转换模块，所述第二数据处理模块为微处理器控制模块，所述前置放大器模块与光探测器模块相连接，模数转换模块与微处理器控制模块相连接，具体的，光探测器模块转换后的电信号经过前置放大电路模块进行放大，带通滤波器进行滤波，锁相放大器进行再次放大，最后通过模数转换模块转换为数字电信号，所述数字电信号经过微处理器控制模块进一步处理得到被测气体的浓度，通过驱动显示模块进行显示，优选地，所述微处理器控制模块选自型号为STM32F103ZET6的微处理器，所述 STM32F103ZET6微处理器包括3通道12位A/D转换器，无需另外使用A/D转换芯片，有效降低成本。

所述系统还包括电源模块，所述电源模块与数据处理模块，气体检测模块和显示模块相连接，为其提供电源。所述电源模块包括电源管理电路模块，太阳能电池组，以及太阳能板，所述太阳能板与所述太阳能电池组相连接，将太阳能转换为电能储存在太阳能电池中，所述电源管理电路模块进行电压转换、电路保护。

所述系统还包括GPRS通信模块和存储模块，通过GPRS通信模块能够将信息发送至远程终端，进行远程监测，所述存储模块用于存储被测气体浓度信息。

如图6所示，气体浓度检测及处理流程图，首先，初始化基于光纤传感器的空气多参数检测系统，系统自检并判断是否有外部中断，若有则处理外部中断，处理后再次判断是否存在中断，否则，进一步判断是否进行气体浓度检测，气体检测模块对待测气体进行检测，气体检测模块用于检测待测气体，将获得的携带待测气体浓度信息的数据输入至数据处理模块，所述数据处理模块对接收到携带待测气体浓度信息的数据进一步处理，获得待测气体的浓度信息，最终发送至 GPRS通信模块发送至远程监测中心，优选地，如浓度超过设定阈值还将发出报警信息通过GPRS通信模块发送至远程监测中心。

如图7所示，GPRS通信模块的数据传输流程图，GPRS传输模块负责传输数据到远程监测中心，具体的，当系统启动后，首先对各个模块进行初始化，启动定时器，设定气体检测和传输的时间间隔，将GPRS模块接入移动公司的网路，与远程监测中心的服务器进行连接，将检测到的浓度数据保存，打包成数据包，当到达设定的时间就向检测中心发送数据。

本实用新型所述的系统，解决了传统传感器出现催化剂中毒现象和使用寿命较短的问题，具有灵敏度高，响应速度块、稳定性好、抗电磁干扰能力强的优点，同时，本实用新型所述的系统通过查询不同气体的光谱吸收峰，进而改变气体检测模块中光的中心波长来测量不同气体的浓度，进一步减少成本。

本实用新型的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本实用新型的教示及揭示而作种种不背离本实用新型精神的替换及修饰，因此，本实用新型保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本实用新型的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。