针对甲烷气体的激光检测装置及其激光检测方法与流程

本发明涉及甲烷气体激光检测，尤其是涉及一种针对甲烷气体的激光检测装置及其激光检测方法。

背景技术：

1、甲烷广泛存在于天然气、沼气、煤矿坑井气之中，是优质气体燃料。当甲烷在密闭或半密闭空间中积聚并达到一定浓度时，很可能形成爆炸性混合物，对人身安全构成危险，因此有必要开发适合民用的甲烷气体检测装置。

2、目前，已研制出多种针对甲烷气体的激光光谱型传感器：

3、有的传感器包括to封装激光发射单元、to封装pin光电探测单元、多次反射气室，tdlas(可调谐半导体激光吸收光谱)信号处理电路及驱动控制电路等；激光发射单元发射的激光经精密准直光学扩束准直(将激光发散角控制在数毫弧度以内)后，经过多次反射气室汇聚在pin光电探测单元的光敏面上，以便检测气室中是否存在甲烷。但是，多次反射气室往往存在多个需要手工调校粘接的反射镜，而且激光收发光路也需要手工调校对准，否则会导致传感器失效。

4、有的传感器为了降低装配难度，对多次反射气室改为了单次反射气室，并简化了光路及电路结构，虽然大幅提高了制造效率，但也导致检测光程大幅缩短、检测灵敏度及检测覆盖面下降等诸多问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种针对甲烷气体的激光检测装置及其激光检测方法，以解决现有技术中存在的至少一种上述技术问题。

2、第一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种针对甲烷气体的激光检测装置，包括发射板及接收板；

3、所述发射板的上表面设置有激光发射部件及第一反光镜，用于使激光从激光发射部件出射后，入射至第一反光镜中；所述激光发射部件用于发射具有甲烷气体啁啾色散光谱(chirped laser dispersion spectroscopy,clads)波段的激光；

4、所述接收板的下表面设置有第二反光镜、双光楔机构、分束镜、校准部件及光电探测部件，用于使第一反光镜出射的激光，经过第二反光镜、双光楔机构及分束镜后，按照预设比例分别入射至校准部件及光电探测部件中；所述校准部件与所述双光楔机构电连接，用于根据校准部件的光斑位置数据，驱动双光楔机构，调整光路对准光电探测部件的靶心；所述光电探测部件，用于接收激光并进行针对甲烷气体的激光啁啾色散光谱检测；

5、所述双光楔机构包括若干个光楔组和转动器，所述光楔组由两块垂直面相对且同轴放置的光楔构成，所述转动器用于使所述光楔转动；根据光的折射原理，当光楔组中两个光楔的斜面不平行时，光线经过两个光楔后将发生偏折，而调节两个光楔的相对转角大小，就可以在一定范围内控制光线的偏折角度；同步转动两个光楔，可以实现光线扫描；异步转动两个光楔，可以调节光线的偏折角度；

6、所述发射板上还设置有控制部件，所述控制部件分别与激光发射部件、双光楔机构、校准部件及光电探测部件电连接，用于程序控制各部位运行。

7、通过上述装置，可以根据实际需要，灵活调整光路的长度，从而延长检测光程，提升检测效率；还可以通过闭环反馈的双光楔机构，自动调整光路对准光电探测部件的靶心，从而自动消除调整光路长度导致的对中误差，同时降低了该装置的装配复杂性，提升了装配效率。

8、在一种可行的实施方式中，所述发射板的两端对称地设置有伸缩机构；所述伸缩机构为平行四边形伸缩机构；所述平行四边形伸缩机构的一端铰接于发射板上，另一端铰接于接收板上，用于使接收板能够平行地靠近或远离发射板；这样可以在小范围内调整发射板与接收板之间的间距，从而平稳地调整检测光路长度。

9、在一种可行的实施方式中，所述发射板与接收板之间还可以设置有风琴保护罩，用于保护光路；所述风琴保护罩的内壁为吸光材料，从而降低激光在风琴保护罩上的反射，以免影响检测结果的准确性；所述风琴保护罩还开设有若干通气孔，从而形成半封闭的气室，从而适应有设备防护等级要求、自然环境恶劣等使用场景。

10、在一种可行的实施方式中，所述通气孔处设有防水透气膜，用于防止水汽和灰尘进入气室中。

11、在一种可行的实施方式中，所述平行四边形伸缩机构设置有锁紧螺母，设置于移动副的节点处，用于临时固定平行四边形伸缩机构的伸缩距离。

12、在一种可行的实施方式中，所述接收板上还设置有开口，便于观察装置内部的工作情况。

13、在一种可行的实施方式中，所述开口处还可设置进气风扇，便于将外界空气快速引入至激光的光路中，有助于尽早发现环境中的甲烷气体。

14、在一种可行的实施方式中，在所述双光楔机构与所述分束镜之间的光路上还可以设置有伽利略式扩束镜头，以便进一步改善激光发散角；所述伽利略式扩束镜头属于现有技术，由正透镜和负透镜组成，故没有内部焦点，因此不用进行内部对焦，从而避免引入误差。

15、在一种可行的实施方式中，所述激光发射部件与所述光电探测部件之间还可以设置激光隔档件，从而降低激光发射部件对光电探测部件的直接干扰。

16、在一种可行的实施方式中，所述发射板上还设置有气压传感器及温度传感器；二者分别与所述控制部件电连接，用于测量气室内的气压及温度，以便对检测结果进行校正。

17、在一种可行的实施方式中，所述校准部件包括依次设置的聚焦镜头及第一探测器；所述聚焦镜头，用于将接收到的激光汇聚至探测器的靶面上；所述第一探测器，用于探测并反馈激光的光斑在靶面上的位置，并通过调节双光楔机构的转动器，保持激光位于靶面的预设中心范围内，这样只要预先调整并固化第一探测器的靶心与光电探测部件的靶心之间的对应关系，就可以实现闭环控制的自动对心功能。

18、在一种可行的实施方式中，所述激光发射部件主要包括温度控制单元、电流控制单元、激光器及mzm(马赫-曾德尔调制器)；所述温度控制单元及所述电流控制单元的电路输出端与所述激光器的电路输入端电连接，所述激光器的光路输出端与所述mzm的光路输入端连接；

19、所述温度控制单元，用于将激光器的中心频率调整至甲烷气体啁啾色散光谱的吸收峰处；所述电流控制单元，用于将三角波作为调制信号，控制激光器的输出波长；

20、所述mzm，用于基于高频调制信号及bias(偏置电压)，对激光器输出的单频激光进行调制；

21、所述mzm的电路输入端还连接放大器及bias控制单元的电路输出端，所述放大器的电路输入端连接振荡器的电路输出端；所述振荡器用于制造高频调制信号；所述bias控制单元，用于产生偏置电压。

22、在一种可行的实施方式中，所述激光器可采用非球准直放大平凹透镜，用于将激光发散角压缩至0.5°～5°，从而降低成本。

23、在一种可行的实施方式中，所述光电探测部件主要包括第二探测器、参考源及clads测量单元；所述第二探测器的电路输出端连接参考源的电路输出端后导入至clads测量单元的电路输入端；

24、所述参考源，用于通过混频方式降低第二探测器的输出电信号频率，得到参考信号及测量信号；

25、所述clads测量单元包括锁相放大器，基于参考信号及测量信号，进行相位差测量，输出相位信号至控制部件进行甲烷气体浓度计算。

26、优选地，所述第二探测器为pin管，具有灵敏性均匀、动态范围宽及成本低等优点。

27、在一种可行的实施方式中，所述第二探测器还包括前置放大电路，所述前置放大电路通过agc两级自动增益控制，以便适应激光信号动态范围变化，保证光电探测部件输出信号稳定；所述agc两级自动增益控制属于现有技术，可随着输入信号的不断变化，使增益也随之变化。

28、在一种可行的实施方式中，所述激光检测装置还包括警报器，所述警报器与所述控制部件电连接，用于在甲烷气体浓度超过预设浓度阈值时，进行声光报警。

29、在一种可行的实施方式中，所述激光检测装置还包括反射镜云台及若干个接收板；所述反射镜云台，与所述控制部件电连接，用于通过反射镜沿若干个轴转动的方式，将第一反光镜出射的激光程控地反射入每个接收板的第二反光镜入射端；这样可以利用一个发射板轮巡向其他接收板发射激光，进行激光检测，从而节省了装置的成本；将若干接收板，根据实际需求进行灵活布设，从而扩大了检测光程及检测覆盖范围。

30、第二方面，基于相同的发明构思，本技术还提供了一种采用上述激光检测装置的激光检测方法，具体包括如下步骤：

31、步骤1、基于三角波，通过电流控制单元生成调制信号；采集环境温度，通过温度控制单元生成温度信号；利用调制信号及温度信号，控制激光器的输出波长，达到甲烷气体啁啾色散光谱波段；

32、步骤2、基于高频调制信号及bias偏置电压，通过马赫-曾德尔调制器，对激光器输出的单频激光进行调制，产生两个边带，二者的光频率分别为：ω0-ω1及ω0+ω1其中，ω0表示单频激光的光学角频率；ω1表示偏置角频率；

33、步骤3、使激光沿预设光路入射至探测器的光路输入端；

34、步骤4、基于参考源，通过混频方式降低探测器的输出电信号频率，得到参考信号及测量信号；

35、步骤5、基于参考信号及测量信号，通过锁相放大器，进行相位差测量，输出相位信号至控制部件；

36、步骤6、控制部件通过折射率公式，计算得到折射率，具体公式可以包括：

37、

38、

39、其中，表示相位差值；c表示光速；lgs表示光程距离，可以通过第二探测器的接收激光时间等现有技术进行计算；n(ω)表示甲烷气体对应频率ω的折射率，可以从hitran数据库中查询得到；sn表示甲烷气体的吸收线强，可以从hitran数据库中查询得到；δv表示甲烷气体吸收线的半峰全宽；ωc表示甲烷气体吸收线的中央光学角频率；n0表示非吸收区域的折射率，可取值为1；

40、通过折射率与甲烷气体浓度的对应关系，确定甲烷气体浓度；所述对应关系可以从hitran数据库中查询得到；

41、所述hitran数据库属于现有技术，具有逐行下载、过滤和处理分子和原子上的光谱数据的功能；

42、通过上述步骤，可以利用相敏式激光啁啾色散光谱方法，对甲烷气体浓度进行精确计算，并且具有极大的动态范围，在弱吸收环境及高吸收环境中均适用。

43、采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

44、本发明提供的一种针对甲烷气体的激光检测装置及其激光检测方法，通过可伸缩结构，可以灵活调整检测光路的长度，从而提升检测效率；通过闭环反馈的双光楔机构，可以自动调整光路对准光电探测部件的靶心，从而自动消除调整光路长度带来的对中误差，并降低了该装置的装配复杂性，提升了装配效率；通过相敏式激光啁啾色散光谱方法，可以对甲烷气体浓度进行精确计算，并且具有极大的动态范围，在弱吸收环境及高吸收环境中均适用。