论文部分内容阅读
摘要：对煤矿井下瓦斯浓度的检测一直是煤矿安全生产的前提条件。在粉尘密布、环境嘈杂的井下，如何能够精确检测出瓦斯气体的浓度是安全工作的重中之重。光纤气体传感器是一种新式的传感器，在工程测试中，能及时、准确地对易燃、易爆、有毒、有害气体进行检测。通过研究，采用了一种基于谐波检测的光谱吸收型光纤气体传感器。光源采用DFBLD，用谐波比值来消除误差。实验表明：该种传感器性能稳定，灵敏度高，适用于气体浓度测量。
关键词：矿井 瓦斯浓度 谐波检测 光纤气体传感器
中图分类号：TD214
1 引言
随着科技进步，近年来我国采取了许多措施来确保煤矿安全生产，但生产事故仍旧不断发生，瓦斯爆炸事故频发。如何能够较为准确地检测出瓦斯浓度，这成为了安全生产的首要问题。本文重点介绍了瓦斯浓度检测系统的构成，瓦斯传感器的选用，对光谱吸收式光纤气体传感器做了浅入的研究。
2 瓦斯浓度检测系统整体结构
整个检测系统的系统框图如图1所示。
图1 系统框图
瓦斯传感器将气体浓度转成相应大小的模拟信号，信号放大后经A/D转换后送入控制器中进行数据处理。一旦瓦斯浓度超标，主控制装置将会立即发出蜂鸣报警。
3 光纤气体传感器
该检测系统中传感器选用光谱吸收式光纤气体传感器，该类型光纤气体传感器具有诸多优势：结构简单，稳定可靠，有长距离测量、灵敏度好、抗干扰性强等特点。以下将对其工作基本原理、传感器系统组成及实验结果进行介绍。
3.1 基本原理
首先，根据Beer-Lambert定律，當一束光通过气室时，设该光强度为I0，若光源光谱覆盖一个或者多个气体吸收线，光通过该种气体的时候就有一个衰弱。假设气体的浓度为α（v），气体体积分数为c，通过L长的吸收路径时发光强度I（t）为：
I（t）=I0exp[-α（v）dL ] （1）
因DFB激光器输出频率是注入电流的函数，当光源谱分布带宽小于气体吸收带宽时，对光注入电流正弦调制后，激光器输出的频率也会受到相应的调制，有：
V=V0+Vmsinωt （2）
I0??（t）=I0[1+ηsinωt] （3）
式中：
V0是未经调制的频率，Vm是调制的幅度；η系数，且η<<1；
ω=2πf，f为电流调制频率。
把（2）、（3）式带入（1）中，得：
I（t）= I0[1+ηsinωt-α（V0+Vmsinωt）dL ] （4）
用Lovenz曲线描述气体分子吸收谱线型
（5）
式中Vg和δv分别为线中心频率和吸收线半宽。设x=Vm/δv，当光源波长在气体吸收峰上时，
（6）
则对（6）傅氏变换后得：
（7）
依照（7）可得：
（8）
由此可见，二次谐波分量含有气体浓度的信息。故此，我们可以用二次谐波和一次谐波的比值做系统的输出。
值得指出的是，该比中不存在I0项，这样的话可以消除输出中发光强度波动等因素带来的干扰。
3.2 传感器系统组成
系统光源采用DFB激光器，波长为1.33μm。其输出光经过分路器后分两路：一路光通过体积分数固定且与被测气体类似的参考气体，经处理使其中心波长对准气体吸收峰，然后作为反馈送入DFB激光器；另一路光经过各气室吸收后通过延迟阵列，在经过光纤的传输后进入光电探测器，再经放大、滤波、再放大后采集谐波信号，从而根据公式进行处理，所得到的数据可实现气体浓度的监控。图2为瓦斯传感器系统组成。
图2 瓦斯传感器系统组成
在环境比较恶劣的煤矿井下，可以把光源置于井外，气室置于井内，通过单模光纤的长距离传输功能可将信号实现远程传输。
4 实验
按图2所示的系统进行实验。采用的光电探测器波长为1.10～1.65μm，光纤采用2Km单模光纤。经检测，该光纤在1.3～1.5μm波长内传输损耗较低，为0.3dB/Km。气室长度为30mm，不吸收红外线、化学性能稳定且不与瓦斯气体反应。
当气体渐入气室时，气体体积分数与信号幅度的关系如图3所示。
图3 气体体积分数与信号幅度的关系
该图表示传感器的响应值和瓦斯气体的体积分数近似呈线性关系。在相同条件下，经过多次测试，信号间的偏差小于2%，稳定性良好。
5 结语
本文主要介绍了用光纤气体传感器检测瓦斯浓度。用一种基于谐波检测的方法，利用光谱吸收二次谐波与一次谐波的比值来作为系统的输出。此方法用光纤作为传输通道，故而不受电磁干扰，较为稳定。通过实验表明，其灵敏度较高，可用于瓦斯气体浓度的检测。
参考文献
[1]KNPU I C，IROMASA I，HUMIO I Remomte sensing system for nearminfrared differential Absorption of CH4 gas using low-loss optical fiber link App lied，1984，23（19）：3425-3419.
[2]王玉田，郭增辉，王丽田等.透射式光纤甲烷气体传感器的研究.传感器技术学报，2001，22（2）：147-149
[3]刘文琦，牛德芳.透射式光纤气体传感器的研究.仪表技术与传感器，1998（1）：4-6
[4]陆婉珍.现代近红外光谱分析技术.北京：中国石化出版社.2000：14-18
[5]王书涛，车仁生.光谱吸收式甲烷气体传感器及其信号处理方法.光电工程2006；33（1）：112-115
关键词：矿井 瓦斯浓度 谐波检测 光纤气体传感器
中图分类号：TD214
1 引言
随着科技进步，近年来我国采取了许多措施来确保煤矿安全生产，但生产事故仍旧不断发生，瓦斯爆炸事故频发。如何能够较为准确地检测出瓦斯浓度，这成为了安全生产的首要问题。本文重点介绍了瓦斯浓度检测系统的构成，瓦斯传感器的选用，对光谱吸收式光纤气体传感器做了浅入的研究。
2 瓦斯浓度检测系统整体结构
整个检测系统的系统框图如图1所示。
图1 系统框图
瓦斯传感器将气体浓度转成相应大小的模拟信号，信号放大后经A/D转换后送入控制器中进行数据处理。一旦瓦斯浓度超标，主控制装置将会立即发出蜂鸣报警。
3 光纤气体传感器
该检测系统中传感器选用光谱吸收式光纤气体传感器，该类型光纤气体传感器具有诸多优势：结构简单，稳定可靠，有长距离测量、灵敏度好、抗干扰性强等特点。以下将对其工作基本原理、传感器系统组成及实验结果进行介绍。
3.1 基本原理
首先，根据Beer-Lambert定律，當一束光通过气室时，设该光强度为I0，若光源光谱覆盖一个或者多个气体吸收线，光通过该种气体的时候就有一个衰弱。假设气体的浓度为α（v），气体体积分数为c，通过L长的吸收路径时发光强度I（t）为：
I（t）=I0exp[-α（v）dL ] （1）
因DFB激光器输出频率是注入电流的函数，当光源谱分布带宽小于气体吸收带宽时，对光注入电流正弦调制后，激光器输出的频率也会受到相应的调制，有：
V=V0+Vmsinωt （2）
I0??（t）=I0[1+ηsinωt] （3）
式中：
V0是未经调制的频率，Vm是调制的幅度；η系数，且η<<1；
ω=2πf，f为电流调制频率。
把（2）、（3）式带入（1）中，得：
I（t）= I0[1+ηsinωt-α（V0+Vmsinωt）dL ] （4）
用Lovenz曲线描述气体分子吸收谱线型
（5）
式中Vg和δv分别为线中心频率和吸收线半宽。设x=Vm/δv，当光源波长在气体吸收峰上时，
（6）
则对（6）傅氏变换后得：
（7）
依照（7）可得：
（8）
由此可见，二次谐波分量含有气体浓度的信息。故此，我们可以用二次谐波和一次谐波的比值做系统的输出。
值得指出的是，该比中不存在I0项，这样的话可以消除输出中发光强度波动等因素带来的干扰。
3.2 传感器系统组成
系统光源采用DFB激光器，波长为1.33μm。其输出光经过分路器后分两路：一路光通过体积分数固定且与被测气体类似的参考气体，经处理使其中心波长对准气体吸收峰，然后作为反馈送入DFB激光器；另一路光经过各气室吸收后通过延迟阵列，在经过光纤的传输后进入光电探测器，再经放大、滤波、再放大后采集谐波信号，从而根据公式进行处理，所得到的数据可实现气体浓度的监控。图2为瓦斯传感器系统组成。
图2 瓦斯传感器系统组成
在环境比较恶劣的煤矿井下，可以把光源置于井外，气室置于井内，通过单模光纤的长距离传输功能可将信号实现远程传输。
4 实验
按图2所示的系统进行实验。采用的光电探测器波长为1.10～1.65μm，光纤采用2Km单模光纤。经检测，该光纤在1.3～1.5μm波长内传输损耗较低，为0.3dB/Km。气室长度为30mm，不吸收红外线、化学性能稳定且不与瓦斯气体反应。
当气体渐入气室时，气体体积分数与信号幅度的关系如图3所示。
图3 气体体积分数与信号幅度的关系
该图表示传感器的响应值和瓦斯气体的体积分数近似呈线性关系。在相同条件下，经过多次测试，信号间的偏差小于2%，稳定性良好。
5 结语
本文主要介绍了用光纤气体传感器检测瓦斯浓度。用一种基于谐波检测的方法，利用光谱吸收二次谐波与一次谐波的比值来作为系统的输出。此方法用光纤作为传输通道，故而不受电磁干扰，较为稳定。通过实验表明，其灵敏度较高，可用于瓦斯气体浓度的检测。
参考文献
[1]KNPU I C，IROMASA I，HUMIO I Remomte sensing system for nearminfrared differential Absorption of CH4 gas using low-loss optical fiber link App lied，1984，23（19）：3425-3419.
[2]王玉田，郭增辉，王丽田等.透射式光纤甲烷气体传感器的研究.传感器技术学报，2001，22（2）：147-149
[3]刘文琦，牛德芳.透射式光纤气体传感器的研究.仪表技术与传感器，1998（1）：4-6
[4]陆婉珍.现代近红外光谱分析技术.北京：中国石化出版社.2000：14-18
[5]王书涛，车仁生.光谱吸收式甲烷气体传感器及其信号处理方法.光电工程2006；33（1）：112-115