基于光谱吸收的光纤瓦斯气体传感系统分析

摘要： 根据瓦斯气体在一定波段对光有吸收的特性，通过对煤矿瓦斯气体吸收光谱的分析，研究了一种光纤传感瓦斯气体系统。

Abstract: According to the characteristics that methane gas absorbs light in a certain band, the paper studied a kind of optical fiber sensing gas system through the analysis of absorption spectra for the coal mine methane gas.

关键词： 吸收光谱；煤矿瓦斯；光纤传感瓦斯气体

Key words: absorption spectra；coal mine methane；optical fiber sensing gas

中图分类号：TD5文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）24-0021-01

0引言

近年来瓦斯爆炸事故频繁发生，成为安全生产的最大障碍。因此，对矿井下的甲烷气体的浓度进行检测是十分重要的。科技工作者找到了一种新的检测方法：光学检测。由于光纤气体传感器具有传输功率损耗小，信息传输容量大，抗干扰能力强，且耐高温、高压，易于实现远距离在线实时遥测和良好的气体选择性等优点。

1瓦斯气体光谱吸收检测原理

利用光谱检测瓦斯气体主要是利用气体对光谱的吸收程度的测量来确定其浓度，每种气体的红外线吸收光谱都是特定的，二者吻合时就化产生共振，而气体浓度影响对光谱的吸收程度。采用分布反馈式（DFB）激光器可用于这类的传感器作为激发，它能够很容易的被调谐而与气体吸收线相匹配，甲烷气体的倍频（2v3）和复合频（v2+2v3）分别位于1.64um和1.34um附近，通过光纤传感瓦斯信号，气室的气体浓度信息转换成电信号刻录在进入气室的光束上，光束包含的电信号经过前置放大等电路对信号进行处理，经过PCI数据采集卡采集各路信号，最后进入计算机，在计算机中用软件编写程序对采集信号进行信号处理和结果的显示。[3]

2光谱吸收的光纤瓦斯气体传感系统

光谱吸收的光纤瓦斯气体传感系统的框图如图1所示。系统采用1.3mm波段的激光器作为光源，该光源采用稳频措施前后两面均可发射激光，利用后向激光穿过气室，检测一次谐波信号，精确锁定激光器中心波长于气体吸收峰上。用低损石英光纤作远距离光源与信号传输的通道，利用多次反射取样吸收气室保证测量灵敏度。采用低噪声、灵敏度高的PIN光电二极管作为光电探测器，其波长响应范围在1.1mm～1.9mm，可以对瓦斯气体进行准确检测。信号处理模块有一核心部件，即锁相放大器，在检测过程中它可以有效屏蔽干扰噪音，使信号更加灵敏，通过它对基频和倍频信号进行监测，通过对驱动电路进行反馈消除基频信号。把直流和二次谐波测量的信号输入计算机，经计算机控制、数据采集、处理、存储及通讯，显示出瓦斯气体的浓度。测量瓦斯浓度时，将光传感技术和计算机技术有机结合，整个测量系统中光、机、电相统一，使光纤系统、计算机兼容和微电子电路三方优势充分发挥，实现了多功能及多参数。

3实验数据及结果分析

采用图1的检测系统，在常温下进行实验，选用密闭性良好的玻璃容器，将测试系统的吸收气室部分置于一定容积的玻璃容器内，采用不同浓度的氮气和甲烷配成的瓦斯气体分别注入气室中，进行测量，实验数据如表1所示。

在瓦斯气体浓度为0.30%时，测量二次谐波锁相放大后的输出信号。以光电检测电流-电压转换中的前置放大器为噪声源，根据锁相放大器的带宽，可以推算出经瓦斯气体吸收后其信噪比约为100。设置好锁相放大器的值，检测该系统的灵敏度约为10ppm。

把气室的气体配成标准瓦斯气体，测量系统的零点和测量范围上限，依次注入浓度在其间的标准气体，通入后记录实际值，进行系统的示值对比试验，推算出系统的示值相对误差约为0.11%。

系统的零点和上限点调整好之后，把1%的标准瓦斯气体注入气室，每隔一小时注入一次标注气体，分别记录仪表显示值，进行系统的稳定度测试。

通过以上的实验，系统的灵敏度、稳定度等指标达到了气体测量的要求。

4结论

理论与实验表明，对煤矿瓦斯气体进行检测时可以使用光纤瓦斯气体传感系统。在抑制噪音、削弱各种干扰时，可通过以下渠道：信号传输上利用光纤技术，光电探测器件使用光电二极管，采取锁相放大器对信号的检波。采用二次谐波检测技术，一定程度上抑制了传感器对环境光量变化、温度漂移的干扰。通过实验可以得到二次谐波信号最大值对应的调制幅度值的最佳值，有效地利用光纤传感器探测出微弱的气体浓度信号，在对煤矿井下瓦斯气体进行在线连续检测以及遥测时使用该系统可使本工作有效开展。该系统在煤矿瓦斯气体检测方面有广阔的发展空间。