08安全(2)班——234胡中海《安全检测技术》.doc

安徽建筑工业学院土木工程学院安全工程专业安全检测技术课程论文 光谱吸收式煤矿瓦斯气体浓度检测技术的研究 胡中海（学号：08201040234） （安徽建筑工业学院土木工程学院08安全工程专业二班，合肥，230601）【摘要】根据激光吸收光谱技术原理，瓦斯气体分子在一定的波段对光有吸收特性，使光谱具有显示瓦斯的特性。通过比较，反演出瓦斯在矿井中的浓度。研究了光谱吸收式瓦斯气体浓度检测原理，以及检测精度的提高方法即通过光源调制实现气体浓度的谐波检测 ，利用二次谐波与一次谐波比值来消除由光源的不稳定和变化所引起的检测误差。【关键词】光谱吸收；浓度检测；瓦斯；谐波检测；检测系统Study of Spectrum-Absorption Gas Detective Technology Hu Zhong-hai（08 Safety Engineering Major of Civil Engineering of University of Anhui Architecture, Hefei, 230601） 【Abstract】According to the principle of laser absorption spectroscopy, methane gas molecules in a certain band have absorption characteristics to light, so that spectral characteristics of the gas be shown. By contrast, deduce the concentration of gas in the mine. Studied the base of spectral absorption methane gas detection, and the method of precision improvement namely by the adjustment of light, achieving harmonic detection, making the use of second harmonic and first harmonic ratio to eliminate the inaccuracy caused by the instability and change of light.【Key Words】Spectrum absorption, Concentration detective, Gas, Harmonic detection, Detective system.0 引言 瓦斯爆炸是煤矿生产过程中发生最多、破坏最严重的自然灾 害。因此，必须研制瓦斯监测系统【1】，及时检测甲烷气体的产生源、泄露源及浓度，对工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十分重要的作用。近几年来光纤传感技术发展迅速，光纤甲烷传感器的研究倍受人们的关注，利用激光光谱技术进行瓦斯浓度检测成为研究的热门方向，尤其是具有连续可调谐、窄线宽、低功耗、廉价的二极管激光器的出现，使利用激光光谱技术建立甲烷探测器成为可能。研制这种探测器就要从研究甲烷分子光谱出发，发展高灵敏、高分辨率的激光光谱技术。1 光谱吸收理论光谱学研究表明当光与物质相互作用时，物质受到红外光束的照射，该物质的分子就要吸收一部分光能量并将其转化为分子的振动与转动能量。在吸收过程中，气体分子只能吸收那些能量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子(E=hv)，所以不同分子结构的气体会吸收不同频率 (能量 )的光子。光源的发射谱只有在与气体吸收谱重叠的部分才产生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关 ，吸收后的光强将发生变化，通过测量光的强度就可测量气体的浓度。 当一束频率为v、光强为I0输入平行光通过充有气体的气室时，气体分子 吸收光能量 ，吸收关系遵循朗伯一比尔(LambertBeer)定律。如果气体吸收谱线在入射光源光谱范 围内，那么光通过气体 以后，在相应谱线处会发生光强的衰减，输出光强I（v）与输入光强I0（v)和气体浓度之间的关系为 I（v)=I0（v)exp-a(v)LC (1)式中a（v)一定频率下单位浓度、单位长度气体的吸收率；L吸收路径的长度；C吸收气体浓度。由式（1）可得C= （2）式（2）表明，如果L与a（v）已知，通过检测I（v）与I0（v）就可以测的气体的浓度，这就是光谱吸收方法检测气体浓度的基本原理。图（1）为检测原理框图。光源发出的光经光接头藕合到入射光纤中，送至气室后，经出射光纤被光探测器接收并转换为电信号，该电信号被放大器放大后由记录仪记录。 图1 检测原理框图 2 瓦斯浓度谐波检测原理 谐波检测的基本原理是通过频率调制某个依赖于频率的信号，使其“扫描”待测的特征信号，然后在信号处理系统中，以调制频率或调制频率的倍频作为参考信号，用锁定放大器记 录下要得到的特征信息，这一特征信息是由调制信号产生的一系列谐波信息。谐波检测方法的理论基础是傅立叶变换理论，要求待测对象的特征满足一定的数学模型条件。现有 的数学模 型 (Lorentzian，Gaussian及 Voigt模型) 【2-3】可以用来分析气体的红外吸收现象 。当已知某一气体的吸收系数时，就可以应用这一技术分析该气体的浓度，这正是我们确定检测方案的理论依据。 气体对光能的吸收率(对应光透过率）是光波频率的函数，因此，通过调制光源的频率即可实现吸收系数的调制。如果光源谱分布带宽远远小于气体吸收线带宽，通过对光源的注入电流进行正弦调制，光源频率 和输 出光强也将受到相应 的调制。v=v0+vmsin（wt） （3）I0（v，t）=I0（v,t）1+msin(wt) （4） 式中，v0表示光源未经调制时的中心频率，vm表示频率调制幅度，m表示光强调制系数，t0=2f，f是电流调制频率。 将（3）、（4）代入式（1），且在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足a（v）LC1；光强的调制幅度也很小，即m1；则 I（v，t）=I0（1+msinwt）exp-a(v0+vmsinwt）LC =I0(1+msinwt)1-a(v0+vmsinwt)LC =I01+msinwt-a(v0+vmsinwt)LC- msinwta(v0+vmsinwt)LC =I0(1+msinwt-a(v0+vmsinwt)LC （5） 气体压力接近一个标准大气压时，红外光谱的碰撞加宽起主要作用。因此CH4分子的吸收谱线型a（v）可以用Lorentzian 函数描述 式中0为纯气体在吸收线中心的吸收系数，v和v分别为对应吸收峰的中心频率和吸收线半宽，将式(6)代人式 (5)，可得 当光源的输出中心波长被精确锁定在气体吸收的峰上时，v0=vg ，则将式（8）展开为傅立叶级数序列【4】，它的一次谐波（f）和二次谐波（2f）的系数分别为If=mI0 （9）I2f= -ka0LCI0 这种条件下，k=3.43。可见，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度正比于光源的平均功率，与气体浓度没有关系。二次谐波信号与气体的浓度和初始光强有关，检测二次谐波信号可以获得气体浓度信息。式（13)中不含有I0项，因此，用二次谐波和一次谐波的比值作为系统输出，可以消除光源波动等因素带来的干扰。3 矿井瓦斯气体的光谱特性矿井瓦斯气体的主要成分是甲烷，对矿井瓦斯气体的检测主要是检测甲烷的浓度。甲烷分子具有四种固有的振动方式，相应产生四个基频，波长分别为3.433，6.522，3.312，和7.658um【5】。在近红外区，有许多泛频带和组合带。例如，甲烷气体在1.33和1.67um附近，都有较强的吸收，通过HITRAN数据库可以查得甲烷在1.33，1.67，和3.31um处的线性强度之比为：1：8：1000。图2分别展示了不同波长的甲烷的吸收光谱图。可见，甲烷在中红外区域的吸收线强度远超过在远红外区的吸收线强度。 图2 甲烷吸收光谱图在矿井瓦斯检测中，由于瓦斯中含有以上四种基频的甲烷，在检测中的干扰因素很多，提高瓦斯浓度的检测精度就必须设计好的监测系统。例如，水蒸气在可见光波段具有强吸收，而瓦斯的强吸收也在此波段范围内，因此，为避免水蒸气的光吸收对测量结果造成的影响，激光器的波长范围应与瓦斯的二次谐振吸收谱线相符。4 矿井瓦斯检测系统 检测系统如图36所示，LD供电部分提供480Hz的三角波调制信号，通过对光源的注入电流进行三角波调制，使光源频率和输 出光强也受到相应的调制。LD发出的光耦合进入气室 ，气室 中含有需要检测的气体，光通过气室时发生衰减，从气室出来的光信号通过光电转换电路转换成电信号，该电信号包含了气体浓度信息，通过检测该电信号就可得出气体的浓度。系统选用的半导体激光二极管本身带有温度控制，同时采用带温控的恒流驱动电源来保证其温度和输出功率的稳定，实际测量表明到达探测器的光强波动不超过 019 。系统的输出光主要是2次谐波分量 (1次谐波可忽略不计)，且正 比于气体的浓度，检测该值就可以精确测量待测气体的体积分数。利用由带通滤波器、多点信号平均器、选频放大器等组成的信号处理电路检测2次谐波作为系统输出并对微弱信号进行处理，同时也能够将噪声除去，使得系统达到很高的灵敏度。图3 基于LD和LED光源的甲烷检测系统图 当该系统连接好后，把含有瓦斯的矿井气体注入气室内，通过计算机采样数据并记录测量值。示波器通道1(CH1)采集的是2次谐波信号，通道2(CH2)采集是带通滤波器的输出信号。例如，气室中无瓦斯时以及充入气体瓦斯的浓度约为5后输出信号波形如图4【6】所示。 （a）气室中无瓦斯时输出的信号波形 （b）气室中充入5%的瓦斯后的输出信号波形 图4 输出信号波形实例（波形1：最终得到的二次谐波；波形2：滤波后的三角调制波形） 最终通过建立校正曲线：先用标准仪器测量配好的甲烷浓度，再将甲烷气体充入气室，待气室甲烷浓度基本恒定后，测量其浓度。利用 MATLAB软件中的得到系统测量的甲烷浓度与标准气体的浓度的相关系数r。从而测得的矿井的瓦斯浓度为C时，可通过相关系数r，反演出实际的瓦斯浓度C0。5 结束语 通过对光谱吸收式煤矿瓦斯气体检测技术的研究，得知矿井瓦斯气体检测的基本原理，以及一些基本信号的处理原理。在煤矿下瓦斯的检测所受到影响因素比较多，造成瓦斯检测的误差较大，本文主要研究了谐波检测中的二次谐波与一次谐波的比值方法来减小误差。煤矿瓦斯灾害仍然是我国煤矿矿井的主要灾害，为了预防瓦斯灾害的发生我们必须坚持“预防为主”的安全方针，这就必须要求我们在瓦斯浓度的检测技术上有所创新。在煤矿瓦斯检测上我们仍要有所提高方面有：（1）瓦斯检测传感器的研究。提高传感器的反应速度与传输信号的速度，为灾害防治提供额外的时间。（2）瓦斯检测系统的提高。提高瓦斯检测的精确度，为煤矿的防治工作提供依据。（3）瓦斯检测与瓦斯监测系统的有效结合【7】。提高矿井瓦斯防治的信息化与自动化。通过以上理论的学习，将之应用于矿井等复杂环境中，有助于提高矿井开采安全度。参考文献:【1】 孙建华，邵芝梅瓦斯监测系统的可靠性分析J煤矿机械，2004(4)：5152【2】 IKlimantRecent Investigations in Oxygen Sensing-Proceedings 1st European Conference on Optical Chemcila Sensors and Biosensosr J，1992，(4)：1215【3】 SDBomse，CAStanton，AJSilverFrequency Modulation and Wavelength Mdoulation Spectroscopies JApplied Optics，1992，31(6)：718730【4】 王玉田，刘 瑾，张景超，等基于谐波检测技术的光