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Procedia Engineering 26（2011）1200 - 1204
第一届矿山安全科学与工程国际研讨会
光纤激光甲烷传感器及其在煤矿安全中的应用
A，B，魏玉斌A，B，尚英A，B，赵艳杰A，B，张婷婷,b，王畅A，B，刘通宇A，B
a山东省光纤传感器重点实验室。
b山东省科学院激光研究所，山东济南科园路（250014），中国
摘 要
利用可调二极管激光吸收光谱技术和微电子技术，给出了一种基于C8051F410的光纤激光甲烷传感器。 我们使用DFB激光器作为传感器的光源。 通过调整DFB激光器的温度和驱动电流，我们可以在甲烷吸收线上扫描激光，实现甲烷检测。 它使甲烷浓度的实时在线检测成为真实，具有高精度，对其他气体免疫力强，校准周期长等优点。 传感器具有自诊断功能，当探头处于故障状态时，软件会报警，进而提高测量的依赖性。 在煤矿安全方面，煤气事故比例不断提高，由于煤矿安全，人身安全和环境保护，实现煤矿瓦斯实时在线检测具有重要意义。 本文给出了煤矿领域传感器应用的一些数据。 我们也对数据做了一些分析。 最后，根据煤矿井下换能器的实际情况，列举出一些问题和进一步改进的方向。
copy;2011由Elsevier Ltd.出版 CC BY-NC-ND许可证。
中国安全科学技术研究院，中国矿业大学（北京），麦吉尔大学和卧龙岗大学负责选择和/或同行评议。
关键词：吸收光谱; 甲烷浓度; 自我诊断;煤矿安全
介绍
随着光纤技术和半导体激光技术的发展，基于光谱吸收的光纤气体传感器技术也有了相应的发展。 光纤气体传感器已经成为传感技术的前沿研究领域。 与之相比该传感器具有着精度高，不受其他气体影响，校准周期长等优点。 在煤矿安全和大气环境监测等方面，能够实现甲烷浓度的实时在线检测。 对于保证生产和生活的安全具有重要意义。
在煤矿生产中，如果要预测自燃，获取温度，水位，气体和压力等信息是非常重要的，这些因素在煤矿的复合采矿时将严重损害设备，而且这样也会诱发煤矿安全事故，造成严重的经济损失。 因此，准确实现甲烷检测具有重要意义。
系统的原理和结构
-
- 系统原理
基于Beer-lambert定律，当强度为单色光时。
通过样气，根据比尔朗伯定律，发出的光线I的强度的光：
我0和Volu me集中满足以下关系：
（1）
a0（v）是吸收系数，C是体积浓度，L是吸收路径的长度。
关于（1）的解决方案，我们可以有 ：
（2）
根据公式（2），我们可以通过测量光功率和光路来获得气体浓度。 因为光路是固定的，所以我们可以通过检测气体吸收前后的功率变化来容易地获得气体浓度。
-
- 系统的结构
根据上述Beer-lambert定律，我们设计了一种基于MPU C8051F410的光纤激光甲烷传感器。功能框图如图1所示。传感器有一个测量探头，其测量范围可以选择0-4％ 0-40，0-100％。 此外，还有一个波长参考可以补偿环境温度等的影响。
图一 系统的功能框图
考虑到灵敏度，我们选择相对独立的吸收线1653nm作为吸收线。 通过温度控制电路和电流驱动器，我们将DFB的波长固定在1653nm上。 系统的光学部分主要包括激光器，探测器以及传感器。 在相应的波长下，激光输出功率大于3mW。 我们选用GaAs探测器实现光电转换，其响应波长范围为600n-1700nm，1550nm响应度为0.85A / W。系统采用光纤耦合作为气体传感器，光路大约10米。 调制后的光信号通过单模光纤和光纤准直器传输到气体传感器。 吸收后，激光到达光电探测器。 来自检测器的电信号传输到AD转换器，然后传输到MPU。 数据处理后，甲烷浓度到达，MPU输出对应浓度，报警信号和LED显示的频率信号。 同时传感器有RS485，通过它可以将数据传输到计算机，实现自我诊断。
实验和结果
在上述传感器的基础上，分别使用浓度分别为0.5,1,1.5,3,5,8.53,20,30,59.3,70,85的气体，并将N2分别通入气体传感器，得到校准曲线如图2所示。为了检查传感器的性能，我们对传感器使用了0.5％，8.5％，20％，30.5％，59.3％和85％的甲烷，并且每3秒取一个浓度值。 图3显示了传感器的不同浓度结果。 图4，图5和图6分别给出了采煤工作面，煤矿采空区和通风空气甲烷发电的甲烷浓度曲线。
1.6
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
70
60
50
40
30
20
10
0
y = 9.8471x2 49.125x-0.2431R2= 0.9991
90
80
图二 传感器的校准曲线
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
图三 传感器的显示浓度曲线
1.50E-01
2.00E-01
甲烷浓度
3.00E-01
2.50E-01
5.00E-02
0.00E 00
0
500
1000
1500
数据采样点
2000
2500
3000
图四 采矿工作面浓度曲线
1.00E-01
甲烷浓度
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
数据采样点
图五 煤矿采空区浓度曲线
|
0 |
50 |
100 |
150 |
2 |
图六 来自通风空气甲烷发电的浓度曲线
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0
00
-0.02
采样点（每小时一个数据）
CH4的浓度
结论
这些结果表明该系统可以检测煤矿瓦斯。 它具有抗电磁干扰，高精度等特点。 该仪器的设计对煤矿井下光纤传感器的使用起到了至关重要的作用，但长期以来依然存在显示值跳变，激光功率变弱等缺陷。 所以下一步我们的工作将解决传感器的这部分问题。
参考
- 邓光福。 基于TDLAS的矿用瓦斯传感器系统研究[D]。 吉林大学，2008。
- 李延芳，韦玉斌，王哲，赵艳杰，尚英，刘彤宇，“纤维甲烷气体检测装置及其在瓦斯抽放发电中的应用”，山东科学，pp：1-3,2008（6） 。
- 魏玉斌李彦芳商英张婷婷宋志强王昌刘同宇“基于光纤TDLAS的矿井火灾多煤气远程探测系统”，第五届SPIE国际先进光学制造测试技术研讨会。 中国大连，2010.4。
- 梁云涛。煤炭自燃预测指标法[J]。 煤炭科学技术，2008; 36：5-8。
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