?！×?，李艷芳，劉　嘉，張婷婷，胡　杰，魏玉賓，劉統(tǒng)玉（.安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心，北京 000； 2.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 0008，.山東省光纖傳感重點實驗室，山東省科學(xué)院激光研究所，濟(jì)南　2500；.山東微感光電子有限公司，濟(jì)南 2500）

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激光甲烷傳感器及其交叉干擾實驗研究

常琳1，李艷芳2，3，劉嘉3，張婷婷3，胡杰4，魏玉賓3，劉統(tǒng)玉3
（1.安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心，北京 100013； 2.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081，3.山東省光纖傳感重點實驗室，山東省科學(xué)院激光研究所，濟(jì)南250014；4.山東微感光電子有限公司，濟(jì)南 250014）

基于激光光譜吸收的原理，研究了激光甲烷傳感器的測量原理和系統(tǒng)設(shè)計，開展了實驗室環(huán)境下水汽、一氧化碳和二氧化碳等氣體對甲烷測量結(jié)果的交叉干擾，給出了實驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行了相關(guān)分析。實驗證明激光甲烷傳感器具有測量準(zhǔn)確，穩(wěn)定性高，抗氣體交叉干擾等特性。

激光光譜吸收；交叉干擾；甲烷檢測

1　引言

TDLAS技術(shù)最早是于20世紀(jì)70年代由 Hinkley 和Reid 等人提出的[1]，隨著該項技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，可檢測氣體的種類越來越多，如大氣中含量較高的O2、H2O和大氣污染氣體CO，CO2，SO2，NOx和CH4等[2-5]，檢測靈敏度也越來越高。特別是近十年來隨著光電子技術(shù)和光通訊技術(shù)的快速發(fā)展，使得可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器具有體積小、壽命長和功率高的特點，進(jìn)一步促進(jìn)了TDLAS技術(shù)在工業(yè)、環(huán)境以及醫(yī)療科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用，使得該技術(shù)向著多組分氣體同時檢測以及系統(tǒng)小型化和開放式光程方向發(fā)展。

甲烷作為天然氣的主要成分，是一種無色無味，比空氣輕的氣體。它廣泛存在于我們的生活中，是溫室氣體的最主要成分之一[6]，它不但很容易就能引起爆炸，而且當(dāng)其含量太高時還會引起窒息，因此甲烷的檢測非常重要。為了驗證該波長自跟蹤氣體檢測技術(shù)的可行性，在實驗室選擇甲烷作為樣氣，設(shè)計了完整的檢測系統(tǒng)，并分別使用光程分別為（6±0.2）cm和（100±3.4）cm的吸收池對其進(jìn)行了試驗驗證，結(jié)果證明該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)氣體的檢測，并大大降低了TDLAS檢測技術(shù)的整體功耗。

2　測量原理與系統(tǒng)設(shè)計

2.1測量原理

對式（1）兩邊進(jìn)行對數(shù)運(yùn)算后在整個頻域內(nèi)進(jìn)行積分，則可得

因此，氣體濃度可以直接通過下式計算而得

在已知壓力、吸收線強(qiáng)度、光吸收氣體的有效長度等參數(shù)的情況下，將在頻域上的積分值帶入式（3）中，就可以最終得到氣體濃度值。在常溫常壓下，實際傳感器設(shè)計中一般先假設(shè)氣體的壓力和吸收線是一個常數(shù)，只需測量吸收前后光強(qiáng)的變化即可測得待測氣體的濃度。

2.2系統(tǒng)設(shè)計

1. 光源的選擇

確定設(shè)計系統(tǒng)所使用的吸收譜線是系統(tǒng)設(shè)計的第一步，也是關(guān)鍵一步。根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫（high一resolution transmission moleeular absorption database，高分辨率分子透射吸收數(shù)據(jù)庫），并分析譜線中甲烷的吸收強(qiáng)度和中心波長的偏離度等因素，結(jié)合光學(xué)器件的性能，可以看出選擇1650nm附近的吸收峰作為檢測線最為合適。

圖1　甲烷吸收譜線

如上圖所示，在系統(tǒng)設(shè)計時選用1650.9nm吸收譜線進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，所選擇的激光器在0-40℃下的某一溫度波下其波長能夠覆蓋該譜線。利用鋸齒波驅(qū)動激光器即可使得該激光器的輸出波長掃描該譜線。

2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于激光光譜吸收氣體檢測技術(shù)，設(shè)計了激光甲烷傳感器，其原理框圖如圖2所示，激光器由鋸齒波驅(qū)動電路驅(qū)動，并由溫控電路控制器波長對準(zhǔn)1650.9nm吸收譜線，其發(fā)出的光經(jīng)光分路器分成3束光，其中一束作為沒有任何吸收的功率參考信號；另一束光經(jīng)過透射氣室后與光電探測器相連，透射氣室中充入高濃度瓦斯氣體，該探測信號作為參考信號找到甲烷的吸收譜線所對應(yīng)的波長。第三束光經(jīng)傳感探頭（透射式氣室）輸出到光電探測器，這樣帶有瓦斯?jié)舛鹊男盘柦?jīng)轉(zhuǎn)換、濾波、放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入微處理器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法進(jìn)行信號處理，數(shù)據(jù)處理后所得的濃度通過微處理器進(jìn)行顯示和聲光報警。

3　交叉干擾數(shù)據(jù)測試

為了進(jìn)一步驗證煤礦激光甲烷傳感器是否受其他氣體的影響及影響程度，在常溫常壓下，選擇了煤礦環(huán)境中存在普遍存在H2O、CO和CO2進(jìn)行了氣體交叉干擾實驗。

3.1H2O交叉干擾實驗

影響礦井濕度的因素主要有以下兩個方面：季節(jié)性影響，冬季地面空氣溫度低，在礦井進(jìn)風(fēng)路線上因溫度升高而飽和能力加大，沿途會吸收井巷中的水分，進(jìn)風(fēng)巷顯得干燥。夏季地面空氣溫度升高，在空氣進(jìn)入井下后，因氣溫逐漸降低而飽和能力變小，礦井空氣中的一部分水會在支架或井壁上凝結(jié)成水珠，因而沿途井巷壁顯得潮濕。井下水影響，井下含水量大，有淋水濕度就大。實踐證明，井巷內(nèi)有淋水，能使框內(nèi)空氣濕度增值90%-100%，進(jìn)風(fēng)井巷有淋水即使在冬季也是潮濕的。

結(jié)合以上調(diào)研及實驗室現(xiàn)有測試條件，在初步測試實驗中，設(shè)定溫度37度、相對濕度為95%的水蒸氣作為初始測試值。隨機(jī)選取n（n>3）臺傳感器進(jìn)行試驗，儀器穩(wěn)定后，在傳感器顯示值0點進(jìn)行試驗，通入水蒸氣，分別在30s、60s和120s的時候記錄儀器的顯示值。結(jié)果如下：

表1　水蒸氣對甲烷的干擾測試結(jié)果

3.2一氧化碳?xì)怏w交叉干擾實驗

煤礦井下一氧化碳的來源主要有以下幾個方面：瓦斯、煤塵爆炸。當(dāng)瓦斯爆炸發(fā)生后，空氣中一氧化碳濃度高達(dá)2%-4%；當(dāng)煤塵爆炸發(fā)生后，空氣中一氧化碳濃度一般為2%-3%，個別高達(dá)8%；煤炭的氧化和火災(zāi)。當(dāng)發(fā)生煤炭氧化自燃及井下外因火災(zāi)時，空氣中一氧化碳濃度上升很快。在一般情況下，1kg煤燃燒生成2m3的一氧化碳。同時，用水進(jìn)行直接滅火時，也會生成大量的一氧化碳；采掘工作面的爆破作業(yè)。爆破后會生成大量一氧化碳。經(jīng)測定，每公斤硝銨炸藥爆炸能生成100L-300L一氧化碳。

《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定礦井空氣中一氧化碳的最高允許濃度為0.0024%。煤礦環(huán)境用一氧化碳濃度報警器的量程一般為0-1000ppm。結(jié)合以上調(diào)研和實驗室現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)氣體，在初步測試實驗中，設(shè)定一氧化碳的初始濃度值為1000ppm。隨機(jī)選取n（n>3）臺傳感器進(jìn)行試驗，儀器穩(wěn)定后，在傳感器顯示值0點進(jìn)行試驗，通入1000ppm的一氧化碳?xì)怏w，分別在30s、60s和120s的時候記錄儀器的顯示值。結(jié)果如下：

表2　一氧化碳對甲烷的干擾測試結(jié)果

3.3二氧化碳?xì)怏w交叉干擾實驗

煤礦井下二氧化碳主要來源有以下幾個方面：坑木腐朽變質(zhì)、煤炭及碳巖層緩慢氧化，這是最主要的來源；煤層中二氧化碳含量高，有時會發(fā)生煤（巖）與二氧化碳突出現(xiàn)象，在極短時間內(nèi)二氧化碳伴隨著煤（巖）突然大量突出；采掘工作面的爆破作業(yè)，爆破后會生成大量二氧化碳，經(jīng)測定，每公斤硝銨炸藥能生成150L二氧化碳；人的呼吸，一般情況下，人在井下從事勞動時，呼出的二氧化碳量為0.75-0.5L/ min；井下發(fā)生瓦斯、煤塵爆炸和火災(zāi)事故時也產(chǎn)生大量的二氧化碳。

《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定，采掘工作面進(jìn)風(fēng)流中，二氧化碳濃度不超過0.5%。礦井總回風(fēng)巷或一翼回風(fēng)巷中二氧化碳濃度超過0.75%時，必須立即查明原因，進(jìn)行處理。煤礦環(huán)境用二氧化碳濃度報警器的量程一般為0-5%。結(jié)合以上調(diào)研及實驗室現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)氣體，在初步測試實驗中，設(shè)定二氧化碳的初始濃度值為10%。隨機(jī)選取n（n>3）臺傳感器進(jìn)行試驗，儀器穩(wěn)定后，在傳感器顯示值0點進(jìn)行試驗，通入10%的二氧化碳?xì)怏w，分別在30s、60s和120s的時候記錄儀器的顯示值。結(jié)果如下：

表3　二氧化碳對甲烷的干擾測試結(jié)果

4　結(jié)語

試驗結(jié)果表明，所涉及的激光甲烷傳感器不受煤礦環(huán)境中的常見氣體水汽、CO和CO2的影響。該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)甲烷濃度的快速、準(zhǔn)確測量，具有測量精度高、不受氣體交叉干擾等優(yōu)點。對于一些煤礦上存在的H2S、C2H2等氣體的交叉干擾還需進(jìn)一步的驗證。此外，由于所采用的補(bǔ)償方法有待改進(jìn)，對于環(huán)境溫度、壓力、濕度等的變化對測量結(jié)果的影響需要進(jìn)一步做研究。同時實現(xiàn)利用該方法實現(xiàn)其他氣體，如一氧化碳、氧氣、乙炔等氣體的檢測是團(tuán)隊下一步研究的重點。

[1]Reid J， Shewchun J， Garside B， et al. High sensitivity pollution detection employing tunable diode lasers[J]. Applied optics， 1978， 17（2）：300-307

[2]Li Yanfang， Wei Yubin，et al. Fiber laser methane sensor with the function of self-diagnose. Third Asia Pacific Optical Sensors Conference 2012.

[3]葉險峰，湯偉中．CH4氣體光纖傳感器的研究[J].半導(dǎo)體光電，2000（3）：218-220．

[4]趙燕杰，王昌，劉統(tǒng)玉，等.基于光譜吸收的光纖甲烷監(jiān)測系統(tǒng)在瓦斯抽采中的應(yīng)用[J].光譜學(xué)與光譜分析， 2010，30 （10）：2857-2859.

[5]李寧.基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術(shù)的氣體在線檢測及二維分布重建研究[D]，杭州：浙江大學(xué)，2008．

[6]張可可，齊勇 等.基于TDLAS一次諧波的甲烷濃度檢測系統(tǒng)及溫度補(bǔ)償研究[J]. 山東科學(xué)，2014，27（1）：17-21.

（責(zé)任編輯：張萌）

Laser Methane Sensor and the Study of Cross Interference Experiments

CHANG Lin1，LI Yanfang2，3，LIU Jia3，ZHANG Tingting3，HU Jie4，WEI Yubin3，LIU Tongyu3
（1. Mining Products Safety Approval and Certification Center，Beijing100013；2. School of Optoelectronics of Beijing Institude of Technology，Beijing 100081；3. Shandong Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technologies， Jinan 250014；4. Shandong micro-sensor Photonics Ltd.，Jinan 250103）

Based on the laser spectrum absorption and the feature of Vertical Cavity Surface Emitting Laser （VCSEL）wavelength scanning range up to dozens of nanometer， the methane sensor system was designed. To verify the characteristic of anti-cross interference， we made some experiments and simply analyze of the empirical data to detect the affects to the measurement results of the gas such as the H2O， CO and CO2. The results prove that the laser methane sensor has the characteristics such as high stability， resistance to gas cross interference etc.

Laser spectrum absorption；Cross interference；Methane detection.

TE-9

A

10.3969/j.issn.1003-8256.2016.03.006

中國煤炭科工集團(tuán)有限公司青年基金項目（2014QN032）

常琳（1982-），男，安徽安慶人，助理研究員，碩士研究生，安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心，主要研究方向為煤礦安全儀器儀表、通信及監(jiān)控類產(chǎn)品的技術(shù)審查及檢驗工作。