一种煤堆自然着火多组分气体激光监测预警装置和方法与流程

本发明涉及多组气体测量，具体为一种煤堆自然着火多组分气体激光监测预警装置和方法。

背景技术：

1、我国是个煤炭交易大国，在煤堆转运场地方存放大量的煤炭，当煤炭在露天情况下受到高温的影响，容易慢慢氧化，从而进一步自燃，产生的气体包括一氧化碳、甲烷、二氧化碳、乙炔、乙烯等多组分气体。由于煤堆厂的面积大，激光雷达能够对于这项煤堆厂的远程实时监测能够起到预警的作用。

2、然而，传统的激光雷达体积昂贵，且测量波段单一，目前市面仅只有二氧化碳激光雷达。对于多组分能够实现远距离遥感测量的系统尚未报道和研究。

技术实现思路

1、为解决上述的问题，本发明提供了一种煤堆自然着火多组分气体激光监测预警装置，包括控制系统、激光驱动器组、激光器组、光路开关系统、光束扩束传输系统和音叉探测器，

2、控制系统，用于生成若干种不同的高频锯齿波和正弦波相加的电压信号，并加载至所述激光驱动器组的各激光驱动器；还用于接收音叉探测器采集转换的电信号，进行锁相解调处理得到二次谐波信号，根据二次谐波信号获取气体浓度信息；

3、激光驱动器组，用于加载控制系统的电压信号，并产生激光器驱动调制信号，驱动各激光器进行发光；

4、激光器组，用于分别产生对应若干种气体光谱吸收波长的出射激光；

5、光路开关系统，用于控制激光器组各出射激光的光路通断；

6、光束扩束传输系统，用于对各出射激光进行扩束准直，减小其发散角使得各激光光束光斑一致，并进行最终合束入射至待检测煤堆；

7、音叉探测器，用于采集待检测煤堆反射后的各路激光器的光信号，检测所述光信号经气体吸收产生的共振吸收信号，并经压电转换实现光信号转换至电信号，并将电信号传输至控制系统进行信号解调。

8、其中，激光驱动器组包括甲烷激光驱动器、乙炔激光驱动器、乙烯激光驱动器、二氧化碳激光驱动器和一氧化碳激光驱动器；

9、激光器组包括dfb激光器、带间级联激光器一、量子级联激光器一、带间级联激光器二和量子级联激光器二；

10、甲烷激光驱动器与dfb激光器电连接，所述乙炔激光驱动器与带间级联激光器一电连接，所述乙烯激光驱动器与量子级联激光器一电连接，所述二氧化碳激光驱动器与带间级联激光器二电连接，所述一氧化碳激光驱动器与量子级联激光器二电连接。

11、光路开关系统包括mems开关和光阀；所述mems开关与光闸分别与控制系统电连接；所述dfb激光器与带间级联激光器二的输出端分别连接mems开关的输入端；所述带间级联激光器一、量子级联激光器一、量子级联激光器二的输出端各连接一个光闸。

12、光束扩束传输系统包括扩束镜、二色镜和反射镜；所述mems开关的输出端依次连接扩束镜和二色镜；所述带间级联激光器一与量子级联激光器一的光闸输出端依次连接扩束镜和二色镜，所述量子级联激光器二的光闸输出端经扩束镜入射至反射镜。

13、音叉探测器接收端前侧还设置有光学透镜，所述光学透镜用于汇聚待检测煤堆反射的激光器光信号。

14、另一方面提供了一种煤堆自然着火多组分气体激光监测预警方法，包括：

15、s1、基于煤堆待检测气体的光谱吸收波长，确定加载至激光驱动器组的各路高频锯齿波和正弦波；

16、s2、根据待检测煤堆的实际距离，基于光传播速度确定mems开关和光闸的时域分布测量信号，进行各路激光光束的切换测量；

17、s3、基于待检测气体的光谱吸收波长与各路激光器的激光光束，确定各路二色镜的排列顺序，及其反射波段与透射波段；

18、s4、根据时域分布测量信号依次对mems开关和光闸进行通断控制，采集音叉探测器的检测信号，获得各路激光器光信号的共振吸收信号；

19、s5、基于获得的共振吸收信号进行锁相解调，得到各路光信号的二次谐波信号电压值，从而获取每路待检测气体的浓度信息，根据预设阈值进行预警监测。

20、s1中所述锯齿波电压输出幅度为0-5v，对应的驱动电流为0-500ma，所述锯齿波频率为100hz，所述正弦波频率与音叉共振频率相同。

21、所述待检测气体的光谱吸收波长，具体为选择1.65μm作为甲烷气体光谱吸收波长，选择3.02μm作为乙炔气体光谱吸收波长，选择10μm作为乙烯气体光谱吸收波长，选择1.57μm作为二氧化碳光谱吸收波长，选择4.6μm作为一氧化碳光谱吸收波长。

22、s3中确定各路二色镜的设置顺序，并对各路激光光束进行合束，具体为：

23、设置最下端光路的光束扩束传输系统为反射镜，其余光路依次设置二色镜；

24、通过反射镜将所属光路的激光光束反射传递至上一级二色镜；二色镜对所属光路的激光光束进行反射，并对下级传递的激光光束进行透射，直至最上端光路的二色镜；

25、最上端光路的二色镜对所属光路的激光光束进行透射，并反射下级传递的激光光束完成合束。

26、有益效果：本发明为一种煤堆自然着火多组分气体激光监测预警装置和方法，通过光束扩束传输系统，能够实现多波段激光的远程遥感测量；采用高频的锯齿波与正弦波相加信号，提高了装置的灵敏度，并在远距离遥感测量中，利用各种气体吸收分子的光谱特性，选取特定波长以及特定波长的激光光源，利用光闸与mems开关实现多路激光光束的切换，解决了交叉干扰问题，实现了近红外、中红外多个波段的激光光源结合，大大提高了气体监测的灵敏度；同时，利用音叉探测器进行光声光谱信号的检测，减少了传统光电探测器光谱响应波段的需求影响。

技术特征：

1.一种煤堆自然着火多组分气体激光监测预警装置，其特征在于，包括控制系统、激光驱动器组、激光器组、光路开关系统、光束扩束传输系统和音叉探测器，

2.根据权利要求1所述的煤堆自然着火多组分气体激光监测预警装置，其特征在于，所述激光驱动器组包括甲烷激光驱动器、乙炔激光驱动器、乙烯激光驱动器、二氧化碳激光驱动器和一氧化碳激光驱动器；

3.根据权利要求2所述的煤堆自然着火多组分气体激光监测预警装置，其特征在于，所述光路开关系统包括mems开关和光阀；所述mems开关与光闸分别与控制系统电连接；所述dfb激光器与带间级联激光器二的输出端分别连接mems开关的输入端；所述带间级联激光器一、量子级联激光器一、量子级联激光器二的输出端各连接一个光闸。

4.根据权利要求3所述的煤堆自然着火多组分气体激光监测预警装置，其特征在于，所述光束扩束传输系统包括扩束镜、二色镜和反射镜；

5.根据权利要求1所述的煤堆自然着火多组分气体激光监测预警装置，其特征在于，所述音叉探测器接收端前侧还设置有光学透镜，所述光学透镜用于汇聚待检测煤堆反射的激光器光信号。

6.一种煤堆自然着火多组分气体激光监测预警方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的煤堆自然着火多组分气体激光监测预警方法，其特征在于，所述锯齿波电压输出幅度为0-5v，对应的驱动电流为0-500ma，所述锯齿波频率为100hz，所述正弦波频率与音叉共振频率相同。

8.根据权利要求6所述的煤堆自然着火多组分气体激光监测预警方法，其特征在于，所述待检测气体的光谱吸收波长，具体为选择1.65μm作为甲烷气体光谱吸收波长，选择3.02μm作为乙炔气体光谱吸收波长，选择10μm作为乙烯气体光谱吸收波长，选择1.57μm作为二氧化碳光谱吸收波长，选择4.6μm作为一氧化碳光谱吸收波长。

9.根据权利要求6所述的煤堆自然着火多组分气体激光监测预警方法，其特征在于，所述s3中确定各路二色镜的设置顺序，并对各路激光光束进行合束，具体为：

技术总结
本发明涉及多组气体测量技术领域，具体为一种煤堆自然着火多组分气体激光监测预警装置和方法，包括控制系统、激光驱动器组、激光器组、光路开关系统、光束扩束传输系统和音叉探测器。基于煤堆待检测气体的光谱吸收波长，确定加载至激光驱动器组的各路高频锯齿波和正弦波；根据待检测煤堆的实际距离，确定时域分布测量信号，进行各路激光光束的切换测量；采集音叉探测器的检测信号，获得各路激光器光信号的共振吸收信号；进行锁相解调，获取每路待检测气体的浓度信息，根据预设阈值进行预警监测。利用各种气体吸收分子的光谱特性，选取特定波长以及特定波长的激光光源，解决了交叉干扰问题，实现多波段激光的远程遥感测量。

技术研发人员：吕长刚,夏金宝,王舒惠,宋成祥
受保护的技术使用者：山东光安智能科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/8/26