激光甲烷氣體傳感器的設(shè)計與實驗研究

成 程

（山西壽陽潞陽麥捷煤業(yè)有限公司，山西 晉中 031700）

引言

煤礦安全生產(chǎn)備受企業(yè)和作業(yè)人員的關(guān)注，瓦斯爆炸、井下透水、頂板冒頂?shù)染峭{煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。以瓦斯為例，煤炭開采時煤層中間的蘊藏的瓦斯會溢出，除了在開采前采取了預(yù)抽采技術(shù)降低了瓦斯的涌出量外，在實際開采期間還需采用通風系統(tǒng)稀釋工作面的瓦斯?jié)舛?，將瓦斯?jié)舛瓤刂圃凇睹禾堪踩?guī)程》的標準范圍之內(nèi)。對于通風系統(tǒng)而言，需根據(jù)工作面的瓦斯?jié)舛葘︼L量、風壓等參數(shù)進行調(diào)節(jié)，以保證瓦斯?jié)舛仍诤侠矸秶畠?nèi)，這就對精準、靈活、實時對工作面瓦斯?jié)舛冗M行測定。鑒于上述需求本文將設(shè)計激光甲烷氣體傳感器，具體闡述如下。

1 激光甲烷傳感器檢測原理

根據(jù)量子力學理論可知，分子在吸收特定頻率的光子之后會躍遷至更高的能級；反之，分子在釋放特定頻率的光子后會降低至更低的能級。對于不同的氣體而言，尤其其成分和結(jié)構(gòu)不同，導致其在能級躍遷方面存在較大的差異性；而且對于不同的氣體而言其所能夠吸收光的頻率也不同。因此，可根據(jù)不同氣體可通過其對應(yīng)吸收光譜的不同對待測氣體進行定性分析[1]。

對于煤礦綜采工作面的瓦斯而言，其主要成分為甲烷，其對應(yīng)的吸收峰最強烈的譜線在3 000 mm～4 000 mm 之間。

基于不同分子氣體對光譜的吸收選擇性，實現(xiàn)對瓦斯氣體的檢測是可行的。目前，可應(yīng)用的檢測方法包括有固定波長檢測法和可諧調(diào)半導體激光光譜吸收法；兩種檢測方向相對比可知，可諧調(diào)半導體激光光譜吸收法可在很大程度上對噪聲信號進行抑制，從而提升氣體的檢測精度；同時，該種檢測方法對應(yīng)的檢測裝置的結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)對瓦斯氣體更加穩(wěn)定、可靠的檢測。

因此，根據(jù)不同氣體對光譜吸收的選擇性原理，并采用可諧調(diào)半導體激光光譜吸收法設(shè)計甲烷傳感器實現(xiàn)對綜采工作面瓦斯?jié)舛鹊母呔?、高可靠性以及高穩(wěn)定性的檢測。

2 激光甲烷傳感器的設(shè)計

在上述檢測原理和檢測方法研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計的激光甲烷傳感器的總體方案框圖，如圖1 所示。

圖1 激光甲烷傳感器總體方案框圖

如圖1 所示，從整個上分析激光甲烷傳感器包括有監(jiān)控和傳感器兩部分；監(jiān)控和傳感器之間通過串口、以太網(wǎng)和USB 實現(xiàn)通信。為保證所設(shè)計的激光甲烷傳感器的性能滿足綜采工作面瓦斯?jié)舛鹊臋z測需求，需重點對光源的波長進行調(diào)制，并對所接收的諧波進行檢測[2]。結(jié)合相關(guān)理論基礎(chǔ)完成光源、光接收器的選型和氣室?guī)缀纬叽绲脑O(shè)計；最后完成傳感器相關(guān)軟硬件的設(shè)計。

2.1 光源的選擇

可用于激光傳感器的光源分為非相干光源和相干光源兩部分。其中，非相干光源包括有白熾燈光源、發(fā)光二極管；相干光源主要指的是各類型的激光器，包括氣體、液體、固體以及半導體類的激光器[3]。

對于半導體激光器而言，布拉格光柵僅對特定頻率的光波進行反射。也就是說以半導體激光器作為光源的傳感器具有更高的測量精度、更快的響應(yīng)速度以及更高的穩(wěn)定性等。因此，本方案選用半導體激光器作為激光甲烷氣體傳感器的光源。

2.2 氣室的設(shè)計

氣室作為激光甲烷傳感器探頭，探頭的設(shè)計對于保證傳感器的檢測精度、靈敏度十分重要。因此，所設(shè)計的氣室需滿足以下條件：所設(shè)計氣室的長度應(yīng)大于半導體激光器所發(fā)射激光的相干波長；保證氣室具有足夠的空間使其能夠?qū)崿F(xiàn)合理的對流，從而保證的響應(yīng)時間；保證氣室不能夠引入其他噪聲影響傳感器的檢測精度[4]。

目前，可應(yīng)用于傳感器探頭的氣室包括有球面透鏡構(gòu)成的透射性氣室、反射性氣室以及小型漸變折射率透鏡構(gòu)成的透射性氣室。其中，球面透鏡構(gòu)成的透射性氣室、反射性氣室的穩(wěn)定性容易受溫度的影響，而且其抗震性能也較差。因此，傳感器采用小型漸變折射率透鏡構(gòu)成的透射性氣室作為其探頭，氣室結(jié)構(gòu)的加工難度較大，可能會影響傳感器的測量靈敏度。因此，需要為該結(jié)構(gòu)的氣室配套合理的諧波檢測技術(shù)和信號提取技術(shù)以降低對傳感器測量靈敏度的影響。

根據(jù)激光甲烷氣體傳感器的特點，所選擇半導體激光器的相干波長為3 cm，考慮一定的冗余，設(shè)計氣室的長度為5 cm。

2.3 激光甲烷氣體傳感器系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在上述核心硬件類型及其結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，根據(jù)激光甲烷氣體傳感器的功能需求，要求所設(shè)計的激光甲烷氣體傳感器的包括波形發(fā)生、信號采集、顯示控制以及功能設(shè)置四部分。信號采集與處理部分為傳感器的核心[5]。

3 激光甲烷氣體傳感器的檢測

本節(jié)重點對上述所設(shè)計的激光甲烷氣體傳感器的檢測性能進行試驗分析。具體闡述如下：

3.1 單純甲烷氣體濃度的檢測精度

在常溫常壓的環(huán)境下，對甲烷理論濃度（體積分數(shù)，下同）值為0.51%、1.53%、3.47%、7.52%以及9.47%的氣體采用上述所設(shè)計的傳感器進行檢測，檢測結(jié)果，如表1 所示。

表1 單純甲烷氣體檢測精度 %

如表其所示，當甲烷氣體濃度低于1%時，該傳感器的測試誤差為0.06%；當甲烷氣體濃度大于1%時，該傳感器檢測的誤差為真實值的6%左右。

3.2 甲烷氣體濃度的穩(wěn)定性試驗

自常溫常壓的的環(huán)境下，對甲烷氣體濃度為2%的氣體在不同測試次數(shù)下進行采集測試的結(jié)果進行對比，對比結(jié)果，如表2 所示。

表2 傳感器測試穩(wěn)定性試驗

分析表2 中的測試數(shù)據(jù)可知，在整個測量過程中，所測得甲烷氣體濃度的誤差值不超過0.12%，滿足檢測儀表的相關(guān)規(guī)定。

4 結(jié)語

煤礦安全生產(chǎn)備受企業(yè)和人員的關(guān)注，當工作面瓦斯?jié)舛瘸瑯藭r會嚴重威脅工作面的安全生產(chǎn)。因此，對開采前采取相應(yīng)的瓦斯預(yù)抽采操作，并根據(jù)對工作面瓦斯?jié)舛鹊膶崟r監(jiān)測對通風系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)以保證瓦斯?jié)舛葷M足《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)規(guī)范是十分有必要的。為此，本文基于不同氣體對光譜吸收選擇性的原理，設(shè)計了激光甲烷氣體傳感器，經(jīng)過測試可知：所設(shè)計的傳感器不論是在測試精度還是在穩(wěn)定性方面均滿足要求。