本發(fā)明涉及光纖傳感技術領域，具體而言，涉及一種氣體濃度監(jiān)測方法、裝置及系統(tǒng)。

背景技術：

傳統(tǒng)的可燃性揮發(fā)氣體現(xiàn)場監(jiān)測技術手段有催化燃燒、電化學以及紅外吸收光譜等。這些技術方法相關的傳感器設備在監(jiān)測現(xiàn)場帶電運行，其本身即為構成火災與爆炸事故的誘因之一，屬于非本質安全的技術手段。并且上述技術手段需要定期重新標定，無法實現(xiàn)長期高靈敏度運行。可調諧半導體激光吸收光譜技術以半導體激光器輸出的紅外激光作為主動探測光源，可實現(xiàn)相應傳感設備的長期高效運行。同時該技術容易與光纖傳感技術相結合，可將紅外激光束遠距離傳輸至可燃性揮發(fā)氣體監(jiān)測現(xiàn)場，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場可燃性揮發(fā)氣體進行不帶電、本質安全的監(jiān)測。

當前，可調諧半導體激光吸收光譜技術與光纖傳感技術相結合，形成的相應傳感設備已經(jīng)被大量應用于工業(yè)氣體現(xiàn)場監(jiān)測領域中，但是這些應用主要是對單一組分氣體進行監(jiān)測(如甲烷、乙炔等氣體)，且相應氣體存在分立、明顯的特征吸收峰，非常便于識別提取并用于氣體的定量分析。而原油儲罐區(qū)可燃性揮發(fā)氣體是主要由丙烷和丁烷構成的混合組分氣體，且無論丙烷還是丁烷，其吸收光譜呈帶狀，并無完全分立、明顯的特征吸收峰，此時，采用傳統(tǒng)的傳感設備無法實現(xiàn)該可燃性揮發(fā)氣體的現(xiàn)場高精度定量監(jiān)測。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種氣體濃度監(jiān)測方法、裝置及系統(tǒng)，以改善上述問題。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)，包括激光產生裝置、氣體探頭、多個參考氣室、光電探測裝置以及微控制器。所述微控制器與所述光電探測裝置電連接。所述氣體探頭用于探測待測氣體，所述待測氣體包括多種氣體，每種所述氣體對應一個填充有該氣體的所述參考氣室。所述激光產生裝置用于輸出信號光和多束參考光。其中，所述多束參考光與所述多個參考氣室一一對應。所述信號光傳輸至所述氣體探頭內，一部分所述信號光被所述氣體探頭內的待測氣體吸收，另一部分所述信號光從所述氣體探頭輸出并傳輸至所述光電探測裝置。每束所述參考光均傳輸至與該參考光對應的參考氣室，一部分該參考光被該參考氣室內的氣體吸收，另一部分該參考光從該參考氣室輸出并傳輸至所述光電探測裝置。所述光電探測裝置用于將接收到的所述信號光和每束參考光均轉化為第一電信號發(fā)送至所述微控制器。所述微控制器用于處理所述第一電信號以得到所述待測氣體中各組分的濃度。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述激光產生裝置還用于產生基準光，所述激光產生裝置輸出的所述信號光與所述基準光的光強之間的差值的絕對值小于預設值。所述激光產生裝置輸出的每束參考光的光強與所述基準光的光強之間的差值的絕對值小于所述預設值。所述光電探測裝置還用于接收所述激光產生裝置輸出的基準光，將所述基準光轉換為第二電信號發(fā)送至所述微控制器。所述微控制器用于處理所述第一電信號和所述第二電信號以得到所述待測氣體中各組分的濃度。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述氣體探頭包括赫里奧特光學結構，入射到所述氣體探頭內的信號光經(jīng)所述赫里奧特光學結構多次反射后輸出，以使得一部分所述信號光被所述氣體探頭內的待測氣體吸收。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述多種氣體包括第一氣體和第二氣體，所述多束參考光包括第一參考光和第二參考光，所述多個參考氣室包括填充有所述第一氣體的第一參考氣室和填充有所述第二氣體的第二參考氣室。所述第一參考光傳輸至所述第一參考氣室，一部分所述第一參考光被所述第一參考氣室內的第一氣體吸收，另一部分所述第一參考光從所述第一參考氣室輸出并傳輸至所述光電探測裝置。所述第二參考光輸入所述第二參考氣室，一部分所述第二參考光被所述第二參考氣室內的第二氣體吸收，另一部分所述第二參考光從所述第二參考氣室輸出并傳輸至所述光電探測裝置。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述第一氣體為丙烷，所述第二氣體為丁烷，所述信號光和多束參考光的波長范圍均為1681.88nm-1685.6nm。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)還包括報警模塊，所述報警模塊與所述微控制器電連接。所述微控制器還用于當?shù)玫降拇郎y氣體的任一組分的濃度大于預設閾值時，發(fā)送報警指令至所述報警模塊；所述報警模塊用于接收到所述報警指令后進行報警。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述激光產生裝置包括激光器以及光纖分束器。所述激光器與所述微控制器電連接。所述激光器的輸出端與所述光纖分束器的輸入端耦合，所述激光器輸出的激光光束傳輸至所述光纖分束器，經(jīng)所述光纖分束器分束為所述信號光、所述多束參考光以及所述基準光輸出。

第二方面，本發(fā)明實施例還提供了一種氣體濃度監(jiān)測方法，應用于上述氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)。所述方法包括：根據(jù)獲取到的第一電信號得到第一吸收光譜以及多個第二吸收光譜，其中，所述第一吸收光譜對應于氣體探頭內的待測氣體對信號光的吸收量，每個所述第二吸收光譜對應于一個參考氣室內的氣體對參考光的吸收量；根據(jù)所述第一吸收光譜、所述多個第二吸收光譜以及第一預設規(guī)則，得到第一系數(shù)；根據(jù)所述第一系數(shù)以及所述多個第二吸收光譜分別獲得所述待測氣體的各氣體組分的第三吸收光譜；根據(jù)所述各氣體組分的第三吸收光譜以及第二預設規(guī)則，獲得所述待測氣體的各氣體組分的濃度。

第三方面，本發(fā)明實施例還提供了一種氣體濃度監(jiān)測裝置，運行于上述的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)中的微控制器，所述氣體濃度監(jiān)測裝置包括：獲取單元，用于根據(jù)獲取到的第一電信號得到第一吸收光譜以及多個第二吸收光譜，其中，所述第一吸收光譜對應于氣體探頭內的待測氣體對信號光的吸收量，每個所述第二吸收光譜對應于一個參考氣室內的氣體對參考光的吸收量。第一處理單元，用于根據(jù)所述第一吸收光譜、所述多個第二吸收光譜以及第一預設規(guī)則，得到第一系數(shù)。第二處理單元，用于根據(jù)所述第一系數(shù)以及所述多個第二吸收光譜，分別獲得所述待測氣體的各氣體組分的第三吸收光譜。第三處理單元，用于根據(jù)所述各氣體組分的第三吸收光譜以及第二預設規(guī)則，獲得所述待測氣體的各氣體組分的濃度。

本發(fā)明實施例提供的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)通過氣體探頭探測待測氣體，所述待測氣體包括多種氣體，每種所述氣體對應一個填充有該氣體的參考氣室。所述激光產生裝置輸出信號光和多束參考光。其中，所述多束參考光與多個所述參考氣室一一對應。通過設置多個所述參考氣室，光電探測裝置將接收到的所述信號光和每束參考光均轉化為第一電信號發(fā)送至微控制器，所述微控制器處理所述第一電信號以得到所述待測氣體中各組分的濃度，以此實現(xiàn)待測氣體，尤其針對吸收光譜呈帶狀，并無完全分立、明顯的特征吸收峰的氣體現(xiàn)場高精度定量監(jiān)測。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發(fā)明第一實施例提供的系統(tǒng)的結構框圖；

圖2為本發(fā)明第一實施例提供的系統(tǒng)的結構示意圖；

圖3為本發(fā)明第一實施例提供的氣體探頭的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明第一實施例提供的第一參考氣室的結構示意圖；

圖5為本發(fā)明第二實施例提供的氣體濃度監(jiān)測方法的一種流程圖；

圖6為本發(fā)明第二實施例提供的氣體濃度監(jiān)測方法的另一種方法流程圖；

圖7為本發(fā)明第二實施例提供的第一參考氣室內丙烷的光譜示意圖；

圖8為本發(fā)明第二實施例提供的第二參考氣室內丁烷的光譜示意圖；

圖9為本發(fā)明第二實施例提供的氣體探頭內的光譜示意圖；

圖10為本發(fā)明第三實施例提供的氣體濃度監(jiān)測裝置的結構示意圖。

圖中：10-氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)；11-激光產生裝置；111-激光器；112-光纖分束器；113-激光器驅動電路；114-激光器溫控電路；115-尾纖；12-氣體探頭；121-氣體探頭本體；122-透氣窗口；123-第一球面反射鏡；124-第二球面反射鏡；125-第一入射準直透鏡；126-第一光纖耦合透鏡；13-參考氣室；131-第一參考氣室；132-第二入射準直透鏡；133-第二光纖耦合透鏡；135-第二參考氣室；14-光電探測裝置；141-第一光電探測器；142-第二光電探測器；143-第三光電探測器；144-第四光電探測器；15-微控制器；16-數(shù)據(jù)采集電路；17-光纜；171-第一光纖；171a-第一入射端面；171b-第一出射端面；172-第二光纖；172a-第二入射端面；172b-第二出射端面；173-第三光纖；18-報警模塊；300-氣體濃度監(jiān)測裝置；310-獲取單元；320-第一處理單元；321-模型建立單元；322-系數(shù)獲得單元；330-第二處理單元；340-第三處理單元。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術語“中心”、“內”、“外”、“豎直向上”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發(fā)明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

此外，“輸出”、“經(jīng)過”、“傳輸”等術語應理解為是描述一種光學、電學變化或光學、電學處理。如“輸出”僅僅是指光信號或電信號通過該設備、儀器或裝置之后發(fā)生了光學上或電學上的變化，使得所述光信號或所述電信號受到處理，進而獲得實施技術方案或解決技術問題所需要的信號。

在本發(fā)明的具體實施例附圖中，為了更好、更清楚的描述該氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)內各設備、儀器及裝置的工作原理、表現(xiàn)所述系統(tǒng)中光信號及電信號的通行邏輯，只是明顯區(qū)分了各設備、儀器及裝置之間的相對位置關系，并不能構成對光路、電路方向及設備儀器大小、尺寸、形狀的限定。

傳統(tǒng)的氣體監(jiān)測設備主要為可調諧半導體激光吸收光譜技術與光纖傳感技術相結合，形成的傳感設備，主要應用對單一組分氣體進行監(jiān)測(如甲烷、乙炔等氣體)，且相應氣體存在分立、明顯的特征吸收峰，以便于氣體的定量分析。然而，對于吸收光譜呈帶狀，并無完全分立、明顯的特征吸收峰的可燃性揮發(fā)混合組分氣體，例如由丙烷和丁烷構成的混合組分氣體，上述傳統(tǒng)的氣體監(jiān)測設備難以應用。因此，對于吸收光譜呈帶狀，并無完全分立、明顯的特征吸收峰的可燃性揮發(fā)混合組分氣體的濃度監(jiān)測，尚缺乏安全性高且可長時間高精度運行的監(jiān)測設備。

有鑒于此，本發(fā)明實施例提供了一種氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效地實現(xiàn)吸收光譜呈帶狀，并無完全分立、明顯的特征吸收峰的可燃性揮發(fā)混合組分氣體的濃度監(jiān)測。

第一實施例

請參照圖1，本實施例提供一種氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10，其包括激光產生裝置11、氣體探頭12、多個參考氣室13、光電探測裝置14以及微控制器15。微控制器15分別與激光產生裝置11、光電探測裝置14電連接。

其中，激光產生裝置11用于產生基準光、信號光和多束參考光。請參照圖2，具體地，激光產生裝置11可以包括激光器111和光纖分束器112。激光器111的尾纖115與光纖分束器112的輸入端耦合，激光器111輸出的激光束傳輸至光纖分束器112，經(jīng)光纖分束器112可以分束為信號光、多束參考光以及基準光輸出。信號光與基準光的光強之間的差值的絕對值小于預設值，每束參考光的光強與基準光的光強之間的差值的絕對值小于所述預設值。其中，預設值為一個很小的值，接近于0。優(yōu)選地，信號光、基準光及多束參考光的光強均相等。通過光纖分束器112將激光器111輸出的激光進行多路分束，實現(xiàn)同時控制、驅動大范圍內多處監(jiān)測點的參考氣室13與氣體探頭12，使得整個氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10集成度高，從而便于安裝、維護且成本較低。

需要說明的是，作為一種實施方式，所述基準光的光強可以預先設置并存儲在微控制器15中，而此時激光產生裝置11不需要輸出基準光。例如，當已知光纖分束器112輸出的信號光和多束參考光均為1mW時，可以在微控制器15中預先存儲基準光的光強為1mW。當然，為了提高氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10的穩(wěn)定性，激光產生裝置11除了產生信號光、多束參考光以外，還需要產生基準光。

為了保證激光器111工作在合理溫度之下，激光產生裝置11還可以包括激光器溫控電路114。為了更進一步地便于操作以及智能化控制，激光產生裝置11還可以包括激光器驅動電路113，激光器111通過激光器驅動電路113與微控制器15電連接，激光器111通過激光器溫控電路114與微控制器15電連接。微控制器15控制激光器驅動電路113，激光器驅動電路113輸出的電壓驅動激光器111的尾纖115輸出激光束。激光器溫控電路114包括比較電路。例如設定激光器111的正常工作溫度為10-40℃，微控制器15控制激光器溫控電路114檢測激光器111的溫度，所述比較電路比較激光器111此時的溫度與設定點溫度值，若激光器111此時的溫度為8℃，則激光器溫控電路114會做調整，使得激光器111的溫度慢慢上升到正常工作溫度范圍內，也可以上升到預先設定的正常溫度T1；若激光器111此時的溫度為45℃，則激光器溫控電路114會做調整，使得激光器111的溫度慢慢下降到正常工作溫度范圍內，也可以下降到預先設定的正常溫度T2，這樣，保證激光器111工作在合理的溫度。

在本實施例中，激光器111可以為可調諧半導體激光器，優(yōu)選為(Vertical External Cavity Surface Emitting Laser，VECSEL)垂直外腔面發(fā)射激光器，VECSEL激光器作為主動探測光源，光譜掃描范圍寬，可以獲取較詳細的可燃性揮發(fā)氣體吸收光譜信息，較多的光譜掃描點降低了異常數(shù)據(jù)點出現(xiàn)的概率，有效提高了氣體定量分析的精度與穩(wěn)定性。

此外，在本實施例中，采用光纜17中的幾路光纖作為VECSEL激光器輸出的激光束的傳輸波導，實現(xiàn)探測信號遠距離傳輸?shù)耐瑫r，還保證了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，可以有效實現(xiàn)可燃性揮發(fā)氣體大區(qū)域、遠距離、多點同時監(jiān)測。

本實施例中，氣體探頭12用于探測待測氣體。待測氣體包括多種已知種類的氣體。例如，待測氣體可以是兩種氣體的混合氣體，也可以是三種氣體的混合氣體。具體的，氣體探頭12包括氣體探頭本體121以及在氣體探頭本體121開設有透氣窗口122。優(yōu)選地，透氣窗口122可以為銅制冶金粉末透氣窗口，便于監(jiān)測地點的待測氣體通過透氣窗口122進入氣體探頭本體121內，同時，銅制冶金粉末的良好流動性在制造工藝上足以避免在拐彎處產生裂紋，更容易形成透氣窗口122，且密封性好。

請參照圖3，氣體探頭本體121包括赫里奧特(Herriott)光學結構。其包括第一球面反射鏡123、第二球面反射鏡124、第一入射準直透鏡125以及第一光纖耦合透鏡126。第一球面反射鏡123和第二球面反射鏡124的曲率半徑都可以為100mm，且第一球面反射鏡123和第二球面反射鏡124光軸重合并球面相向放置。第一球面反射鏡123和第二球面反射鏡124之間的距離L1可以為90mm。以第一球面反射鏡123的中心點為原點o，以第一球面反射鏡123的中心點與第二球面反射鏡124的中心點之間的連線為z軸，并以靠近第二球面反射鏡124的方向為z軸正方向，以豎直向上為y軸正方向,以垂直于yoz平面向里為x軸正方向，則第一入射準直透鏡125位于x軸方向-6.7mm，y軸方向-7.1mm處，第一入射準直透鏡125的光軸位于yoz平面內且與z軸夾角為8.57°。經(jīng)光纖分束器112分束的信號光經(jīng)過光纜17的第一光纖171入射到第一入射準直透鏡125。第一光纖171的第一入射端面171a位于第一入射準直透鏡125的焦點處，其數(shù)值孔徑與第一入射準直透鏡125的相對孔徑相匹配，保證光纖端面出射的激光束經(jīng)過第一入射準直透鏡125準直后的光束在x軸正方向6.7mm，y軸正方向7.1mm處入射氣體探頭12內，且其方向與第一入射準直透鏡125的光軸一致。

以第二球面反射鏡124的中心點為原點o，以第一球面反射鏡123的中心點與第二球面反射鏡124的中心點之間的連線為z軸，并以靠近第二球面反射鏡124的方向為z軸正方向，以豎直向上為y軸正方向，以垂直于yoz平面向里為x軸正方向則第一光纖耦合透鏡126位于x軸正方向6.7mm，y軸正方向7.1mm處，第一光纖耦合透鏡126光軸位于yoz平面內且與z軸夾角為8.57°。第一光纖171的第一出射端面171b放置在第一光纖耦合透鏡126的焦點處，且其數(shù)值孔徑與第一光纖耦合透鏡126相對孔徑相匹配。光纖分束器112分束的信號光經(jīng)過光纜17的第一光纖171入射到第一入射準直透鏡125，經(jīng)過第一入射準直透鏡125準直后的光束在赫里奧特光學結構內經(jīng)過第一球面反射鏡123和第二球面反射鏡124多次反射，光程累計達到3m，一部分被氣體探頭12內的待測氣體吸收，另一部分所述信號光并最終入射到第一光纖耦合透鏡126處?？蓪手边^后的光束耦合進入第一光纖171內，離開氣體探頭12并繼續(xù)傳輸。

在本實施例中，多個參考氣室13的具體數(shù)量與待測氣體的組分數(shù)量一致。每個參考氣室13中填充有一種參考氣體，多個參考氣室13內的參考氣體與待測氣體的各組分一一對應。例如，當待測氣體包括三種氣體組分，分別為第一氣體組分、第二氣體組分、第三氣體組分時，參考氣室13的數(shù)量為三個，分別為A參考氣室、B參考氣室以及C參考氣室，其中，A參考氣室對應填充有第一氣體組分，B參考氣室對應填充有第二氣體組分，C參考氣室對應填充有第三氣體組分。

在本發(fā)明實施例提供的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10的一種具體實施方式中，當待測氣體為包括兩種已知種類的氣體的混合氣體時，則多個參考氣室13包括第一參考氣室131和第二參考氣室135。第一參考氣室131填充有第一氣體組分，第二參考氣室135填充有第二氣體組分。相應地，上述多束參考光包括第一參考光和第二參考光。例如，第一氣體組分可以為丙烷，第二氣體組分可以為丁烷?？梢岳斫獾氖?，丙烷和丁烷的吸收光譜線型都呈帶狀分布，而具有非分立的吸收峰。

此時，第一參考氣室131填充有已知體積比的丙烷標準氣體和氮氣，以氮氣作為氣壓平衡氣體，內部氣壓為一個大氣壓。同理，第二參考氣室135填充有已知體積比的丁烷標準氣體和氮氣，以氮氣作為氣壓平衡氣體，內部氣壓為一個大氣壓。其中，丙烷標準氣體和丁烷標準氣體的具體濃度可以根據(jù)需要設置，例如，丙烷標準氣體的濃度(體積比)可以為2.2％，丁烷標準氣體濃度(體積比)為1.8％。需要說明的是，氮氣是對稱分子，偶極矩為0，正負電荷中心始終重疊，吸收光譜的強度接近于0，是非紅外活性的，所以氮氣在可見光區(qū)是不吸收的，不吸收紅外光，不會吸收激光器111輸出的激光束。此時，在本發(fā)明實施例中，VECSEL激光器掃描輸出激光束的波長范圍為1681.88nm-1685.6nm，在該波段內，丙烷與丁烷的吸收光譜滿足以下特征：(1)吸收光譜線型都呈帶狀分布，而非分立的吸收峰；(2)兩吸收光譜線型特征差別明顯，易于區(qū)分、識別；(3)不同濃度的丙烷、丁烷對應的吸收光譜矩陣具有較強的共線性。

進一步地，第一參考氣室131和第二參考氣室135的結構可以相同，可以都是準直透鏡與光纖耦合透鏡構成的透光式光路結構。下面以第一參考氣室131來舉例說明參考氣室13的結構，請參照圖4，第一參考氣室131包括第二入射準直透鏡132和第二光纖耦合透鏡133，第二入射準直透鏡132和第二光纖耦合透鏡133的結構相同，但球面相向放置。第二入射準直透鏡132和第二光纖耦合透鏡133之間的距離L2可以為300mm。經(jīng)光纖分束器112分束的多束參考光包括第一參考光，所述第一參考光通過光纜17的第二光纖172入射到第二入射準直透鏡132，第二光纖172的第二入射端面172a位于第二入射準直透鏡132的焦點處，且數(shù)值孔徑與第二入射準直透鏡132相對孔徑相匹配。第二光纖172的第二出射端面172b位于第二光纖耦合透鏡133的焦點處，且數(shù)值孔徑與第二光纖耦合透鏡133相對孔徑相匹配。從第二光纖172的第二入射端面172a出射的第一參考光經(jīng)過第二入射準直透鏡132準直之后，經(jīng)過第二光纖耦合透鏡133會聚再次被耦合進入第二光纖172內，離開第一參考氣室131并繼續(xù)傳輸。需要說明的是，第二入射準直透鏡132和第二光纖耦合透鏡133之間的光程可以達到300mm，第一參考光在第一參考氣室131的傳輸中，一部分被第一參考氣室131內的丙烷吸收，剩余的另一部分由第一參考氣室131出射。

可以理解的是，第二參考氣室135與第一參考氣室131最主要的區(qū)別在于其里面填充的氣體組分不相同，第二參考氣室135與第一參考氣室131結構相同，涉及的原理也一致，這里不再贅述。

光電探測裝置14包括多個光電探測器，優(yōu)選為紅外光電探測器。例如，在氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10中需要監(jiān)測氣體探頭12內的待測氣體的濃度，所述待測氣體包括M種氣體，相應地，多個參考氣室13至少包括M個參考氣室13，則多個光電探測器至少包括M+1個光電探測器。優(yōu)選的，多個光電探測器包括M+2個光電探測器。

多個光電探測器分別用于接收基準光、由氣體探頭12輸出的信號光以及每個參考氣室13輸出的參考光。將接收到的信號光以及參考光分別轉化為第一電信號發(fā)送至微控制器15，將接收到的基準光轉換為第二電信號發(fā)送至微控制器15。

可以理解的是，當待測氣體包括兩種氣體組分時，多個光電探測器具體包括第一光電探測器141、第二光電探測器142、第三光電探測器143和第四光電探測器144，第一電信號包括第一子信號、第二子信號和第三子信號。其中，第一光電探測器141用于接收由氣體探頭12輸出的信號光，并將接收到的信號光轉換為第一子信號。第二光電探測器142用于接收由第一參考氣室131輸出的第一參考光，并將接收到的第一參考光轉換為第二子信號。第三光電探測器143用于接收由第二參考氣室135輸出的第二參考光，并將接收到的第二參考光轉換為第三子信號。第四光電探測器144用于接收光纖分束器112輸出的基準光，并將接收到的基準光轉換為第二電信號。

氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10還可以包括數(shù)據(jù)采集電路16，數(shù)據(jù)采集電路16分別與微控制器15、光電探測裝置14電連接。在微控制器15的控制下，數(shù)據(jù)采集電路16將光電探測裝置14接收到的信號光、多束參考光、基準光轉換為第一電信號和第二電信號，并發(fā)送到微控制器15。

進一步地，氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10還包括報警模塊18，報警模塊18與微控制器15電連接。微控制器15還用于當?shù)玫降拇郎y氣體的任一組分如丙烷或丁烷的濃度大于預設閾值時，發(fā)送報警指令至所述報警模塊18；報警模塊18接收到所述報警指令后進行報警。其中，預設閾值可以根據(jù)每種組分的濃度閾值設置。例如，報警模塊18可以是語音報警或聲光報警。

此外，氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10還可以包括顯示模塊，顯示模塊與微控制器15電連接。顯示模塊可以用于顯示氣體探頭12內的待測氣體中各組分的濃度。微控制器15經(jīng)過處理第一電信號和第二電信號以得到氣體探頭12內的待測氣體中各組分的濃度，再發(fā)給顯示模塊。在本實施例中，顯示模塊可以顯示氣體探頭12內的丙烷和丁烷各組分的濃度。

本發(fā)明實施例提供的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10的工作原理如下：

激光器111輸出的激光束經(jīng)光纖分束器112分束的信號光傳輸至氣體探頭12內，一部分所述信號光被氣體探頭12內的待測氣體如丙烷和丁烷混合氣體吸收，另一部分所述信號光從氣體探頭12輸出并傳輸至第一光電探測器141。第一光電探測器141將接收到光纜17中第一光纖171輸出的光信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集電路16轉化為第一子信號發(fā)送到微控制器15。

激光器111輸出的激光束經(jīng)光纖分束器112分束的第一參考光傳輸至第一參考氣室131內，一部分所述第一參考光被第一參考氣室131內的丙烷吸收，另一部分所述第一參考光從第一參考氣室131輸出并傳輸至第二光電探測器142。第二光電探測器142將接收到光纜17中第二光纖172輸出的光信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集電路16轉化第一子信號發(fā)送到微控制器15。

激光器111輸出的激光束經(jīng)光纖分束器112分束的第二參考光傳輸至第二參考氣室135內，一部分所述第二參考光被第二參考氣室135內的丁烷吸收，另一部分所述第二參考光從第二參考氣室135輸出并傳輸至第三光電探測器143。第三光電探測器143將接收到光纜17中第三光纖173輸出的光信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集電路16轉化為第一子信號發(fā)送到微控制器15。

激光器111輸出的激光束經(jīng)光纖分束器112分束的基準光，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集電路16轉換為第二電信號發(fā)送到微控制器15。

微控制器15處理獲取到的第一電信號和第二電信號得到第一吸收光譜以及多個第二吸收光譜，其中，所述第一吸收光譜對應于氣體探頭12內的待測氣體對信號光的吸收量，每個所述第二吸收光譜對應于一個參考氣室13內的氣體對參考光的吸收量；根據(jù)所述第一吸收光譜、所述多個第二吸收光譜以及第一預設規(guī)則，得到第一系數(shù)；根據(jù)所述第一系數(shù)以及所述多個第二吸收光譜分別獲得所述待測氣體的各氣體組分的第三吸收光譜；根據(jù)所述各氣體組分的第三吸收光譜以及第二預設規(guī)則，獲得所述待測氣體的各氣體組分的濃度。此外，微控制器15還用于當?shù)玫降拇郎y氣體的任一組分如丙烷或丁烷的濃度大于預設閾值時，發(fā)送報警指令至報警模塊18，報警模塊18接收到所述報警指令后進行報警，從而實現(xiàn)對待檢測混合氣體組分進行高精度定量分析、監(jiān)測，且具有可長時間穩(wěn)定運行和本質安全的重要特征。

本發(fā)明實施例提供的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10通過氣體探頭12探測待測氣體，所述待測氣體包括多種氣體，每種所述氣體對應一個填充有該氣體的參考氣室13。激光產生裝置11輸出信號光和多束參考光。其中，所述多束參考光與多個所述參考氣室13一一對應。通過設置多個所述參考氣室13，光電探測裝置14將接收到的所述信號光和每束參考光均轉化為第一電信號發(fā)送至微控制器15。微控制器15處理獲取到的第一電信號得到第一吸收光譜以及多個第二吸收光譜；根據(jù)所述第一吸收光譜、所述多個第二吸收光譜以及第一預設規(guī)則，得到第一系數(shù)；根據(jù)所述第一系數(shù)以及所述多個第二吸收光譜分別獲得所述待測氣體的各氣體組分的第三吸收光譜；根據(jù)所述各氣體組分的第三吸收光譜以及第二預設規(guī)則，獲得所述待測氣體的各氣體組分的濃度。本發(fā)明實施例實現(xiàn)了待測氣體，尤其針對吸收光譜呈帶狀，并無完全分立、明顯的特征吸收峰的氣體現(xiàn)場高精度定量監(jiān)測。

第二實施例

本發(fā)明實施例提供了一種氣體濃度監(jiān)測方法，應用于上述第一實施例提供的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10。請參照圖5，該氣體濃度監(jiān)測方法包括：

步驟S200：根據(jù)獲取到的第一電信號得到第一吸收光譜以及多個第二吸收光譜，其中，所述第一吸收光譜對應于氣體探頭內的待測氣體對信號光的吸收量，每個所述第二吸收光譜對應于一個參考氣室內的氣體對參考光的吸收量；

作為一種實施方式，氣體探頭12內的待測氣體包括多種混合氣體，例如可以包括丙烷和丁烷，第一參考氣室131填充有已知濃度為2.2％的丙烷標準氣體，并以氮氣作為氣壓平衡氣體，內部氣壓為一個大氣壓。同理，第二參考氣室135填充有已知濃度為1.8％的丁烷標準氣體，并以氮氣作為氣壓平衡氣體，內部氣壓為一個大氣壓。其中，丙烷標準氣體和丁烷標準氣體的具體濃度可以根據(jù)需要設置，例如，丙烷標準氣體的濃度(體積比)可以為2.2％，丁烷標準氣體濃度(體積比)為1.8％。在本實施例中，選擇VECSEL激光器掃描輸出激光束的波長范圍為1681.88nm-1685.6nm，在該波段內，丙烷與丁烷的吸收光譜滿足以下特征：(1)吸收光譜線型都呈帶狀分布，而非分立的吸收峰；(2)兩吸收光譜線型特征差別明顯，易于區(qū)分、識別；(3)不同濃度的丙烷、丁烷對應的吸收光譜矩陣具有較強的共線性。

VECSEL激光器輸出的激光束經(jīng)過光纖分束器112分束為基準光、信號光、第一參考光以及第二參考光。信號光、第一參考光、第二參考光以及基準光的光強之間的差值的絕對值小于預設值。其中，預設值為一個很小的值，接近于0。優(yōu)選地，信號光、基準光、第一參考光以及第二參考光的光強均相等。在本實施例中，基準光通過傳輸直接照射到第四光電探測器144上，微控制器15獲取基準光直接照射到第四光電探測器144而產生的第二電信號強度A1；信號光經(jīng)過氣體探頭12內丙烷和丁烷混合氣體吸收后照射到第一光電探測器141而產生的第一子信號強度A2；第一參考光經(jīng)過第一參考氣室131內丙烷吸收后照射到第二光電探測器142而產生的第二子信號強度A3；第二參考光經(jīng)過第二參考氣室135內丁烷吸收后照射到第三光電探測器143而產生的第三子信號強度A4。

將獲取到的基準光直接照射到第四光電探測器144而產生的第二電信號強度A1與第一參考光經(jīng)過第一參考氣室131內丙烷吸收后照射到第二光電探測器142而產生的第二子信號強度A3的比值即A1/A3，A1/A3定義為第一參考氣室131內丙烷的吸收光譜強度I_丙烷參考。

同理，將獲取到的基準光直接照射到第四光電探測器144而產生的第二電信號強度A1與第二參考光經(jīng)過第二參考氣室135內丁烷吸收后照射到第三光電探測器143而產生的第三子信號強度A4的比值即A1/A4，A1/A4定義為第二參考氣室135丁烷的吸收光譜強度I_丁烷參考。

將獲取到的基準光直接照射到第四光電探測器144而產生的第二電信號強度A1與信號光經(jīng)過氣體探頭12內丙烷和丁烷混合氣體吸收后照射到第一光電探測器141而產生的第一子信號強度A2的比值即A1/A2，A1/A2定義為氣體探頭12內待測混合揮發(fā)氣體的吸收光譜強度I_待測氣體。

不同波長處的吸收光譜強度集合起來就是吸收光譜。將不同波長處的I_待測氣體集合統(tǒng)稱為第一吸收光譜，將多個不同波長處的I_丙烷參考、I_丁烷參考集合統(tǒng)稱為多個第二吸收光譜。

請結合參照圖5和圖6，步驟S210：根據(jù)所述第一吸收光譜、所述多個第二吸收光譜以及第一預設規(guī)則，得到第一系數(shù)；

步驟S211：根據(jù)所述第一吸收光譜、所述多個第二吸收光譜以及第一預設規(guī)則，建立吸收光譜模型；

步驟S212：通過最小二乘法對所述吸收光譜模型進行擬合，得到第一系數(shù)。

氣體探頭12內的可燃性揮發(fā)氣體是主要由丙烷和丁烷構成的混合氣體，其吸收光譜強度由其內丙烷組分和丁烷組分各自的吸收光譜I_丙烷、I_丁烷以及光譜背景B疊加而成，可由公式(1)表示：

I_待測氣體＝I_丙烷+I_丁烷+B (1)

由于掃描吸收光譜范圍內丙烷與丁烷吸收光譜矩陣的共線性，氣體探頭12內丙烷和丁烷組分吸收光譜強度分別為第一參考氣室131內丙烷的吸收光譜強度的K_丙烷倍和第二參考氣室135內丁烷的吸收光譜強度的K_丁烷倍，其關系可有公式(2)、公式(3)表示：

I_丙烷＝K_丙烷I_丙烷參考 (2)

I_丁烷＝K_丁烷I_丁烷參考 (3)

所以，氣體探頭12內可燃性揮發(fā)氣體的吸收光譜強度可進一步用公式(4)表示：

I_待測氣體＝K_丙烷I_丙烷參考+K_丁烷I_丁烷參考+B (4)

在監(jiān)測現(xiàn)場，可同時獲取第一參考氣室131內丙烷的I_丙烷參考、第二參考氣室135內丁烷的I_丁烷參考以及氣體探頭12內待檢測的可燃性揮發(fā)氣體的I_{揮發(fā)氣體}。以公式(4)為依據(jù)，此時，公式(4)為第一預設規(guī)則，將I_丙烷參考與I_丁烷參考分別乘以未知倍數(shù)K_丙烷與K_丁烷，并加上未知的光譜背景值B；然后，將計算所得光譜數(shù)據(jù)與氣體探頭12內待檢測的可燃性揮發(fā)氣體的吸收光譜I_待測氣體通過最小二乘法原理求解公式(4)的線性方程擬合，通過擬合計算可以得到未知倍數(shù)K_丙烷、K_丁烷以及未知的光譜背景值B。具體地，獲得n組不同波長i處的吸收光譜數(shù)據(jù)I_{丙烷參考i}、I_{丁烷參考i}、I_{待測氣體i}組成線性方程組，i＝1,……,n，即建立的吸收光譜模型為：

此處的K_丙烷、K_丁烷以及B定義為第一系數(shù)。

作為一種實施方式，設定氣體探頭12內的丙烷濃度為1100ppm、丁烷濃度6300ppm的可燃性揮發(fā)氣體，求得出，K_丙烷為0.029，K_丁烷為0.228，B為0.064。

步驟S220：根據(jù)所述第一系數(shù)以及所述多個第二吸收光譜分別獲得所述待測氣體的各氣體組分的第三吸收光譜；

基于計算出的K_丙烷為0.029以及獲取的第一參考氣室131內丙烷的I_丙烷參考，根據(jù)公式(2)，可以實時獲得氣體探頭12內丙烷的吸收光譜I_丙烷，此時，定義為丙烷組分的第三吸收光譜。同理可得，基于計算出的K_丁烷為0.228以及獲取的第二參考氣室135內丁烷的I_丁烷參考根據(jù)公式(3)，可以實時獲得氣體探頭12內丁烷的吸收光譜I_丁烷，此時，定義為丁烷組分的第三吸收光譜。

步驟S230：根據(jù)所述各氣體組分的第三吸收光譜以及第二預設規(guī)則，獲得所述待測氣體的各氣體組分的濃度。

對于丙烷、丁烷組分各自吸收光譜中的掃描點，其強度值分別與丙烷、丁烷組分的濃度C_丙烷、C_丁烷成線性關系。同時，由于掃描吸收光譜范圍內丙烷與丁烷吸收光譜矩陣的共線性，對于不同的掃描點，其強度值與相應氣體組分濃度之間線性關系的系數(shù)相同。因此，丙烷與丁烷組分各自吸收光譜的強度I_丙烷、I_丁烷與其相應濃度C_丙烷、C_丁烷的線性關系，可用公式(5)、(6)表示：

I_丙烷＝a_丙烷C_丙烷+b_丙烷 (5)

I_丁烷＝a_丁烷C_丁烷+b_丁烷 (6)

其中，a_丙烷、b_丙烷、a_丁烷、b_丁烷為已知常數(shù)。

將所得吸收光譜的強度I_丙烷、I_丙烷光譜中掃描中心點的強度值代入公式(5)與公式(6)中，即可以得到探頭內可燃性揮發(fā)氣體中丙烷與丁烷組分的實時濃度，見公式(7)、公式(8)，此時，公式(7)定義為獲得丙烷組分的第二預設規(guī)則，公式(8)定義為獲得丁烷組分的第二預設規(guī)則。

以丙烷為例：其吸收光譜中共有n個掃描點，對于濃度為C_丙烷1的丙烷氣體，其吸收光譜中各掃描點所對應的強度值為I_丙烷11、I_丙烷12……I_丙烷1n，對于濃度為C_丙烷2的丙烷氣體，其吸收光譜中各掃描點所對應的強度值為I_丙烷21、I_丙烷22……I_丙烷2n，以此類推。對于共有m個濃度的丙烷氣體樣本組，得到吸收光譜矩陣為：

該矩陣具有較強的共線性。類似的，對于不同濃度的丁烷氣體樣本，其吸收光譜矩陣同樣具有較強的共線性。

作為一種實施方式，不同濃度的丙烷對應的吸收光譜矩陣具有較強的共線性，所以在已知濃度的丙烷氣體下，僅選取丙烷掃描吸收光譜中的一個掃描點為標定點，優(yōu)選地，所述標定點可以為掃描吸收光譜的中心掃描點，通過獲取多個已知濃度的丙烷氣體樣本的掃描吸收光譜中心掃描點的強度值并進行關于丙烷氣體組分濃度的線性回歸，可以準確得到上述常數(shù)值即a_丙烷、b_丙烷。

不同濃度的丁烷對應的吸收光譜矩陣具有較強的共線性，同理可以得到，所以在已知濃度的丁烷氣體下，僅選取丁烷掃描吸收光譜中的一個掃描點為標定點，優(yōu)選地，所述標定點可以為掃描吸收光譜的中心掃描點，通過獲取多個已知濃度的丁烷氣體樣本的掃描吸收光譜中心掃描點強度值并進行關于丁烷氣體組分濃度的線性回歸，可以準確得到上述常數(shù)值即a_丁烷、b_丁烷。

作為一種實施方式，在氣體探頭12內先通入已知不同濃度的丙烷氣體，采用最小二乘法對掃描光譜中心點的強度值和丙烷濃度值進行線性回歸，得到常數(shù)a_丙烷為729.267ppm，b_丙烷為1089.061ppm，并在微控制器15內進行存儲；同理，在氣體探頭12內先通入已知不同濃度的丁烷氣體，采用最小二乘法對掃描光譜中心點的強度值和丁烷濃度值進行線性回歸，得到常數(shù)a_丁烷為2072.698ppm，b_丁烷為6121.748ppm，并在微控制器15內進行存儲。

綜上得到，設定氣體探頭12內的丙烷濃度為1100ppm、丁烷濃度6300ppm的可燃性揮發(fā)氣體，丙烷組分濃度與丁烷組分濃度的誤差均小于真值的5％，分別為2.57％與4.34％，其中第一參考氣室131內丙烷與第二參考氣室135內丁烷的吸收光譜分別如圖7與圖8所示，氣體探頭12內的可燃性揮發(fā)氣體吸收光譜以及其內丙烷、丁烷組分的吸收光譜分解如圖9所示。在圖9中，橫坐標表示光譜掃描點，縱坐標表示吸收光譜，曲線D1表示的是氣體探頭12內的丙烷吸收光譜；曲線D2表示的是氣體探頭12內的丁烷吸收光譜；曲線D3表示的是氣體探頭12內混合氣體的實際吸收光譜；曲線D4表示的是氣體探頭12內混合氣體的擬合吸收光譜。曲線D4很好地跟隨曲線D3，效果很好。氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10以及應用的氣體濃度監(jiān)測方法消除了可燃性揮發(fā)氣體中丙烷與丁烷組分吸收光譜嚴重的交叉干擾現(xiàn)象，有效實現(xiàn)了揮發(fā)氣體中各組分的精確定量檢測，同時，氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10的電子設備遠離可燃性揮發(fā)氣體監(jiān)測點處，在現(xiàn)場并無帶電運行、操作，從本質上實現(xiàn)了可燃性揮發(fā)氣體的本質安全監(jiān)測。

所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，上述描述的氣體濃度監(jiān)測方法的具體工作過程，可以參考前述系統(tǒng)實施例中的對應過程，在此不再贅述。

本發(fā)明實施例提供了一種氣體濃度監(jiān)測方法，應用于上述第一實施例中的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10中，通過設置多個參考氣室13，且每個所述參考氣室13與待測氣體中的一種氣體一一對應，以此實現(xiàn)待測氣體，尤其針對吸收光譜呈帶狀，并無完全分立、明顯的特征吸收峰的氣體現(xiàn)場高精度定量監(jiān)測。

第三實施例

請參照圖10，本發(fā)明實施例提供了一種氣體濃度監(jiān)測裝置300，運行于上述第一實施例提供的氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)10中的微控制器15中，所述氣體濃度監(jiān)測裝置300包括：

獲取單元310，用于根據(jù)獲取到的第一電信號得到第一吸收光譜以及多個第二吸收光譜，其中，所述第一吸收光譜對應于氣體探頭12內的待測氣體對信號光的吸收量，每個所述第二吸收光譜對應于一個參考氣室13內的氣體對參考光的吸收量；

第一處理單元320，用于根據(jù)所述第一吸收光譜、所述多個第二吸收光譜以及第一預設規(guī)則，得到第一系數(shù)；

作為一種實施方式，第一處理單元320包括模型建立單元321和系數(shù)獲得單元322；

模型建立單元321，用于根據(jù)所述第一吸收光譜、所述多個第二吸收光譜以及第一預設規(guī)則，建立吸收光譜模型。

系數(shù)獲得單元322，用于通過最小二乘法對所述吸收光譜模型進行擬合，得到第一系數(shù)。

第二處理單元330，用于根據(jù)所述第一系數(shù)以及所述多個第二吸收光譜，分別獲得所述待測氣體的各氣體組分的第三吸收光譜；

第三處理單元340，用于根據(jù)所述各氣體組分的第三吸收光譜以及第二預設規(guī)則，獲得所述待測氣體的各氣體組分的濃度。

以上各單元可以是由軟件代碼實現(xiàn)，此時，上述的各單元可存儲于微控制器15中所包括的存儲器內。以上各單元同樣可以由硬件例如集成電路芯片實現(xiàn)。

本發(fā)明實施例提供的氣體濃度監(jiān)測裝置300，其實現(xiàn)原理及產生的技術效果和前述方法實施例相同，為簡要描述，裝置實施例部分未提及之處，可參考前述方法實施例中相應內容。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。