基于TDLAS的煤礦用激光甲烷傳感器的設計

張 強

(山西晉煤集團技術研究院有限責任公司，山西 晉城 048006)

瓦斯事故嚴重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。甲烷傳感器是監(jiān)測煤礦瓦斯數(shù)據(jù)的重要設備。目前煤礦井下廣泛使用的甲烷傳感器存在精度低、穩(wěn)定性差、易受其他氣體干擾，調(diào)校周期短等缺點。激光甲烷傳感器采用TDLAS技術測量甲烷濃度，精度高，工作穩(wěn)定，抗其他氣體成分干擾，響應速度快，功耗低，無需調(diào)校，更好的滿足了現(xiàn)代煤礦對安全高效生產(chǎn)的需求。

1 TDLAS基本原理

TDLAS技術的基本原理是利用半導體紅外激光的可調(diào)諧特性和氣體的選擇性吸收性質來檢測待測氣體濃度[1]。

根據(jù)Lambert-Beer吸收定律，強度為I0，頻率為v的激光，通過長度L的吸收介質后，到達接收端的強度為[2]：

I(v)=I0(v)exp(-σ(v)cL)

(1)

σ為吸收界面，c為吸收氣體的分子數(shù)濃度，對于近紅外分子吸收，上式可近似為[3]：

I(v)=I0(v)(1-σ(v)cL)

(2)

即光吸收氣體后，其強度變化與所吸收的氣體濃度和光的傳播路徑呈線性關系。

TDLAS技術在激光噪聲帶寬的抑制方面可以通過選擇調(diào)制頻率來實現(xiàn)，同時利用諧波檢測技術產(chǎn)生的諧波信號與被測氣體的濃度成正比關系，在低噪聲的高頻處分析檢測頻率，對外部干擾和低頻噪聲起到了有效的抑制作用，可以極大的提高檢測靈敏度。與直接檢測相比，靈敏度可以提高100倍以上。

載波選擇高頻為f的正弦波，對低頻鋸齒波電流進行調(diào)制，通過分析得到激光發(fā)射頻率為[4]：

v=v0+a(v)cos(2πft)

(3)

式中，激光器的瞬時頻率為v，中心頻率為v0，調(diào)制幅度為a，t為時間[5]。

將式(3)帶入式(1)，通過傅里葉變換，在吸收度很小的情況下，二次諧波分量的表達式如下[6]：

在檢測過程中，提取出二次諧波分量及光強直流分量，可得出氣體濃度表達式[7]：

K為放大器增益，μ為二次諧波分量與光強直流分量的比值，當激光傳輸光路中的粉塵或視窗污染產(chǎn)生光強衰減時，二次諧波信號和光強直流信號會等比例下降，從而保持比值不變，因此粉塵和視窗污染對于儀器的測量結果沒有影響。

2 系統(tǒng)總體設計

激光甲烷傳感器主要由激光器及其控制電路、信號處理電路、顯示報警電路，RS485電路，頻率輸出電路和氣室等組成。工作原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 激光器及控制電路

激光器工作時的中心波長的確定很關鍵，主要根據(jù)甲烷的吸收光譜來選擇，選擇的關鍵因素為甲烷氣體在此處的吸收強度及其他氣體(水蒸氣、CO2)在此波長無明顯吸收。甲烷吸收強度越大，儀器的檢測靈敏度越高。在近紅外波段，甲烷的吸收強度較大，因此激光器的工作波長選擇1.6μm。

溫度對激光波長也存在影響。激光器發(fā)射的工作波長與管芯溫度成函數(shù)關系。工作時通常需要將管芯溫度控制在某一溫度點上，控溫精度和穩(wěn)定度要求非常高。因此采用數(shù)字PID溫控策略，結合激光器內(nèi)部的負溫度系數(shù)熱敏電阻和TEC器件，設計管芯溫控電路，實現(xiàn)對管芯溫度的精密調(diào)節(jié)，使其符合工作要求。

設計恒流源電路為激光器提供合適的偏置電流，通過注入電流調(diào)制技術對光強進行正弦調(diào)制，采用波長調(diào)制技術實現(xiàn)對激光中心波長的調(diào)諧。

激光器的工作波長選擇1.6μm，因此在激光二極管的選型上應該滿足兩個條件：第一，通過改變注入電流可以輸出1.6μm波長的激光；第二，輸出1.6μm波長的激光的功率大于5mW。同時激光器內(nèi)部集成了控溫元件、測溫元件和光功率測量單元，可以保障激光器工作時更加穩(wěn)定。激光器內(nèi)部功能如圖2所示。

圖2 激光器內(nèi)部功能框圖

溫控電路實時調(diào)節(jié)激光器管芯的溫度，恒流源實現(xiàn)對激光器電流的控制，共同組成激光器的驅動電路，其電路如圖3所示。同時由FPGA邏輯電路對激光器信號(如信號的調(diào)制、同步、掃描及二倍頻參考信號等)進行處理。FPGA硬件邏輯實現(xiàn)可以提高甲烷檢測動態(tài)調(diào)節(jié)能力，有利于主機長期穩(wěn)定工作。

圖3 激光器驅動電路框圖

3.2 光電轉換及前置放大電路

檢測環(huán)境中的表征氣體時，其吸收光譜的信號十分微弱，因此需要設計光電轉換及前置放大電路。檢測氣體經(jīng)光電探測器吸收后輸出的為光信號，光電轉換將其輸出信號轉換成電信號，但是在轉換過程中光信號的電流十分微弱，在信號轉換前，需要將光電流進行放大后再作處理，因此在光電轉換前需要設計放大電路，該放大電路的性能對傳感器的檢測精度有極大的影響[8]。

為了使放大器對微弱的光電流的放大精度更高，運算放大器輸入的偏置電流應盡可能的小，開環(huán)輸入電阻應盡可能的高，同時為了提高信噪比，盡可能的降低附加噪聲。在運算放大器的正反相輸入端接入PIN光電探測器，利用其虛短的特點，偏壓近似為零，從而使暗電流降至最低[9]。前置放大電路原理如圖4所示。

圖4 前置放大電路圖

3.3 RS485電路

采用ADM2587E進行隔離設計，為了保證輸入平穩(wěn)的電源信號，在VCC和GND間設計旁路電容進行去耦濾波。在面對煤礦井下的特殊環(huán)境中，在總線上設計TVS管等電子元器件，增強電路對較大的沖擊電流、電壓的防護能力[10]。RS485電路原理如圖5所示。

圖5 RS485電路原理圖

3.4 頻率信號電路

傳感器輸出200～1000Hz頻率信號，頻率信號電路原理如圖6所示。

圖6 頻率信號電路圖

4 系統(tǒng)軟件設計

傳感器軟件流程如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

開機后系統(tǒng)先進行串口、中斷等參數(shù)的初始化，同時傳感器對數(shù)碼管、信號輸出制式等進行自檢，自檢成功后，傳感器顯示當前甲烷濃度，通過紅外遙控器可對傳感器進行零點標定、精度標定、報警值設置及RS485地址設置等功能設定。設定好報警值后，當甲烷濃度超過報警值時，進行聲光報警。

5 實際應用

根據(jù)本文第一節(jié)推導的氣體濃度公式可知，只要提取二次諧波分量即可通過計算獲得氣體濃度大小。采用諧波檢測技術，可以有效的降低系統(tǒng)由于光源波動等產(chǎn)生的共模噪聲，極大的提高檢測精度。

分別對催化甲烷傳感器、紅外甲烷傳感器和激光甲烷傳感器通入3.5% CH4進行測量，激光甲烷傳感器的誤差僅為0.01，而催化傳感器和紅外傳感器的誤差較大(0.12和0.07)，如圖8所示。

圖8 誤差對比圖

分別對上述三種傳感器通入柴油車尾氣進行測量，激光傳感器不受交叉氣體的干擾，零點顯示值為0.00，而催化甲烷傳感器和紅外傳感器容易受到交叉氣體的干擾，零點顯示誤差為0.05和0.01，如圖9所示。

圖9 氣體干擾對比圖

目前該激光甲烷傳感器已通過國家安標中心的各類檢測，取得煤安證和防爆證，同時以科技項目的形式在晉煤集團坪上煤礦進行工業(yè)性試驗，并成功驗收。

6 結 語

本文介紹了基于TDLAS的激光甲烷傳感器的工作原理，給出了激光器及控制電路、光電轉換及前置放大電路、RS485電路、頻率信號電路的硬件設計原理圖以及系統(tǒng)軟件工作流程設計。通過實際應用表明傳感器能實現(xiàn)甲烷的檢測及報警功能，并且精度更高、工作更穩(wěn)定、響應速度更快、不受其他氣體干擾，能進一步滿足煤礦安全生產(chǎn)需求。