(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210928681.2 (22)申请日 2022.08.03 (71)申请人 中国电子科技 集团公司第四十八研 究所 地址 410111 湖南省长 沙市天心区新 开铺 路1025号 (72)发明人 金玉轩　曾世　曾佳慧　 (74)专利代理 机构 湖南兆弘专利事务所(普通 合伙) 43008 专利代理师 廖元宝 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种用于阀井室的激光甲烷传感器及甲烷 浓度检测方法 (57)摘要 本发明公开了一种用于阀井室的激光甲烷 传感器及甲烷浓度检测方法， 此传感器包括驱动 模块、 激光器、 接收模块和数据处理模块， 所述驱 动模块与所述激光器相连， 用于输出驱动电流来 驱动激光器； 所述接收模块用于接收经过气室的 激光并发送至数据处理模块， 所述数据处理模块 接收所述激光信号并转化为甲烷浓度； 其中激光 器采用可调谐半导体激光吸收光谱技术的垂直 腔面发射激光器。 本发明具有测量精度高、 功耗 低、 监测全面 等优点。 权利要求书1页 说明书5页 附图3页 CN 115389458 A 2022.11.25 CN 115389458 A 1.一种用于阀井室的激光甲烷传感器， 其特征在于， 包括驱动模块(1)、 激光器(2)、 接 收模块(3)和数据处理模块(4)， 所述驱动模块(1)与所述激光器(2)相连， 用于输出驱动电 流来驱动激光器(2)； 所述接收模块(3)用于接收经过气室的激光并发送至数据处理模块 (4)， 所述数据处理模块(4)接收所述激光信号并转化为甲烷浓度； 其中激光器(2)采用可调 谐半导体激光吸 收光谱技 术的垂直腔面发射激光器(2)。 2.根据权利要求1所述的用于阀井室的激光甲烷传感器， 其特征在于， 所述接收模块 (3)包括光电二极管(301)、 前置放大电路(302)和锁相放大电路(304)， 所述光电二极管 (301)、 前置放大电路(302)和锁相放大电路(304)依次相连， 所述锁相放大电路(304)的输 出端与所述数据处 理模块(4)相连。 3.根据权利要求2所述的用于阀井室的激光甲烷传感器， 其特征在于， 所述前置放大电 路(302)与锁相放大电路(3 04)之间设置有滤波电路(3 03)。 4.根据权利要求1或2或3所述的用于阀井室的激光甲烷传感器， 其特征在于， 还包括温 度控制模块(8)， 用于对激光器(2)的温度进行调节。 5.根据权利要求1或2或3所述的用于阀井室的激光甲烷传感器， 其特征在于， 还包括温 度传感器(6)和压力传感器(7)， 所述温度传感器(6)用于检测环境温度， 所述压力传感器 (7)用于检测环境压力。 6.一种基于权利要求1～5中任意一项所述的用于阀井室的激光甲烷传感器的甲烷浓 度检测方法， 其特 征在于， 包括 步骤： 所述驱动模块(1)产生正弦波和三角波叠加的调制电流信号， 来对激光器(2)的激光波 长进行调制， 使激光器(2)发出的激光波长控制在相对应的 甲烷气体吸 收峰处； 所述接收模块(3)接收经过气室的激光并发送至数据处理模块(4)， 所述数据处理模块 (4)接收所述激光信号并转 化为甲烷浓度。 7.根据权利要求6所述的甲烷浓度检测方法， 其特征在于， 在对激光器(2)的激光波长 进行调制时， 通过调节激光器(2)的环境温度来实现粗调， 通过调制电流信号 来实现细调。 8.根据权利要求6或7所述的甲烷浓度检测方法， 其特征在于， 所述接收模块(3)接收经 过气室的激光后， 进 行前置放大后， 再进 行滤波处理； 其中使用二阶数字滤波和限幅滤波的 混合滤波方式动态来调整滤波参数。 9.根据权利要求6或7所述的甲烷浓度检测方法， 其特征在于， 所述数据处理模块(4)接 收多次激光信号对应的浓度信号， 计算得到平均值， 再进行温度补偿和压力 补偿， 得到最 终 的甲烷浓度数据。 10.根据权利要求6或7所述的甲烷浓度检测方法， 其特征在于， 在激光开机前先检测外 界环境的温度， 并将环 境温度与激光器(2)所需的恒定温度进 行比对得到温差， 根据温差来 选择启动驱动激光器(2)的制冷器的电流； 其中温差越大， 启动制冷器的电流越大； 温差越 小， 启动制冷器的电流越小。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115389458 A 2一种用于阀井室的激光甲烷传感器及 甲烷浓度检测方 法 技术领域 [0001]本发明主要涉及燃气监测技术领域， 具体涉及一种用于阀井室的激光甲烷传感器 及甲烷浓度检测方法。 背景技术 [0002]天然气作为我国长期使用的主要能源之一， 其存储和运输过程的安全问题不容忽 视。 天然气的运输过程主要采用管道方式运输属于隐蔽工程， 随着时间的推移深埋在地下 的管道设备容易老化和腐蚀， 造成燃气的泄漏。 燃气的主要成分是 甲烷， 极易产生爆炸， 因 此燃气泄漏将严重威胁到周围人群的生命财产安全。 另外阀井室环境比较恶劣， 对传感器 要求标准较高， 需要 具有长时间内的稳定特性， 同时测量方面的精确度水平要足够高， 除此 之外， 还需要 具有比较低廉的成本以及比较低的能耗。 因此， 研制出一种实时准确的检测及 监测低功耗甲烷浓度 的设备系统， 在构建安全生产以及科学生产体系方面有着较大的价 值。 [0003]传统常用的监测燃气的传感器包括热催化式甲烷传感器、 红外式甲烷传感器和激 光甲烷传感器， 但是 上述传感器均存在或多或少的问题， 具体为： [0004]1)采用热催化元件的传感器， 利用甲烷在催化元件表面无焰燃生热量， 由测温元 件测量温度的变化得到甲烷浓度。 该传感器检测方面的范围较小， 获得的结果精度也不高， 还会在测量较高浓度甲烷时出现测量漂移现象， 结果出现误差； 采用红外原理的传感器， 利 用红外区中气 体具备的特征吸收峰， 在该吸收峰处进 行具体气 体的吸收状态检测能够获得 气体的准确浓度。 虽然测量范围宽、 精度高， 但受其 他可燃气体和水汽影响。 [0005]2)传统激光甲烷传感器功耗高， 不 适合在电池供电的场景 下长期使用。 [0006]3)传统的甲烷传感器只能监测甲烷气体浓度， 但天然气阀井室内环境恶劣， 监测 的参数更多能够更好的监测井室燃气泄漏等 安全问题。 发明内容 [0007]本发明要解决的技术问题就在于： 针对现有技术存在的问题， 本发明提供一种测 量精度高的用于阀井室的激光甲烷传感器及甲烷浓度检测方法。 [0008]为解决上述 技术问题， 本发明提出的技 术方案为： [0009]一种用于阀井室的激光甲烷传感器， 包括驱动模块、 激光器、 接收模块和数据处理 模块， 所述驱动模块与所述激光器相连， 用于输出驱动电流来驱动激光器； 所述接收模块用 于接收经过气室的激光并发送至数据处理模块， 所述数据处理模块接收所述激光信号并转 化为甲烷浓度； 其中激光器采用可调谐半导体激光吸 收光谱技 术的垂直腔面发射激光器。 [0010]作为上述 技术方案的进一 步改进： [0011]所述接收模块包括光电二极管、 前置放大电路和锁相放大电路， 所述光电二极管、 前置放大电路和锁相放大电路依次相连， 所述锁相放大电路的输出端与所述数据处理模块 相连。说　明　书 1/5 页 3 CN 115389458 A 3