瓦斯濃度紅外檢測噪聲消除方法研究

鄭 健，曹 軍，孫麗萍

(東北林業大學機電工程學院，哈爾濱150040)

由于煤礦井下主要的氣體成分瓦斯具有易爆性，70%以上的重特大安全事故都是因為瓦斯濃度過高引起的。因此，有效且精確地檢測出瓦斯濃度是預防煤礦瓦斯事故的關鍵。而井下環境惡劣，氣體混合性強，這就對瓦斯濃度的精確檢測帶來了極大的干擾，必須進行除燥，以提高檢測精度。

光源系統的電源電路、光探測器電路以及交流電源的浪涌電壓都會不確定地產生一些隨機噪聲，例如電阻元件和放大器元件的電噪聲和熱噪聲，PIN也會產生電噪聲和熱噪聲，這些噪聲的值有時很大，足以掩蓋有效信號，造成檢測誤差;光源出射功率具有波動性，也會造成探測的結果具有不確定性。一方面，甲烷在1.66μm附近的吸收強度是比較弱的，其中的噪聲信號大于有效信號，這就必須采取微弱信號檢測技術 (WSD:Weak Signal Detection)來檢測此類微弱信號，并通過數學方法來對噪聲掩蓋的有效信號進行提取。另一方面，紅外激光光源的溫漂和時漂的影響，都使檢測的精度非常差。在實際應用中，總會存在著光譜帶、雜散光和環境溫度的變化所引起的偏差，檢測過程中必須要對這些誤差進行消除。由于井下復雜的惡劣環境，對檢測過程產生了嚴重影響，再加上檢測系統自身也會產生各種噪聲，會增大檢測數據的失真度;在紅外氣體檢測系統中，光源光功率的波動、環境因素 (包括振動、溫度)等因素影響著檢測靈敏度，同時光探測器產生的噪聲和電路中元器件的不規律漂移等因素，也都影響了檢測系統的靈敏度。要想在這些具有隨機性影響中精確地檢測瓦斯濃度，就必須進行一系列手段來消除干擾，以提高檢測精度。通過采用1.66um波長寬帶LED作為紅外光源，并采用具有測量通道和參考通道的PYS 3228 TC G5.2/G20雙路熱釋電探測器，實現了氣體濃度的差分檢測。

在國內，只有在近幾年才在礦用紅外氣體檢測方法的研究方向上有所開展，近20年，隨著通信技術的發展，使得以往研制紅外氣體傳感器需要的器件成本大大下降，新技術、新材料、新元件、新工藝的發展，使得新型紅外氣體檢測儀的研制得到了技術上的有力保障［2］，干擾誤差的消除也已成為現實。國外近年來在紅外氣體檢測領域得到迅猛發展，在紅外檢測瓦斯濃度技術和設備上突飛猛進，確實提高了檢測精度。但是針對不同煤礦井下環境的不同與地質情況的不同，國外先進國家也忽略了很多對檢測精度的干擾因素［8］，如檢測環境的干擾、外部燈光的干擾等。因此，就需要消除環境因素造成的干擾，雜散光和環境溫度的除噪方法顯得格外重要。

1 光路自身干擾因素的消除方法

甲烷分子具有4個固有的振動:v1=2 912.9cm－1，v2=1 533.2cm－1，v3=3 019.0cm－1，v4=1 306.0cm－1，它們對應的波長是 3.43μm、6.53μm、3.31μm和7.66μm。在中紅外區的各吸收波段中，3.31μm波長處的吸收峰比7.66μm波長處的吸收峰強度高，且為近紅外區 (1.33μm、1.66μm)的吸收峰的2 000倍［4］。

甲烷在1.33μm和1.66μm附近都有較強的吸收峰。由于中紅外區是基頻吸收帶，對紅外光能量的吸收幅度更大，所以通常選擇3.31μm的中紅外光源來檢測其濃度。例如在1.66μm附近有R線1.64μm、Q線1.66μm、P線1.685μm 的吸收峰。在忽略所有干擾的理想情況下，氣體對紅外光的吸收滿足Lambert-Beer定律，即:

式中:I(λ)為通過測量氣室后出射光的光強;I0(λ)為入射光的光強;α(λ)為氣體的吸收系數;C為被測氣體的濃度;L為光穿過氣體的光程。

光通過氣體時，考慮到光路自身的干擾，需要將Lambert-Beer定律表示為:

式中:β(λ)為光路干擾系數。想要消除光強的波動和β(λ)等因素的影響，則需要選擇熱釋電探測器來進行檢測，就會獲得兩路信號，一路是甲烷氣體的特征吸收波長3.31μm的檢測光信號，一路是波長4.0μm的參考光信號，由于熱釋電探測器的兩個窗口是相連的且兩個信號波長比較接近，因此β(λ)、I0(λ)對兩者的影響近似認為是相同的，這樣就可以通過差分處理很好的消除β(λ)、光強的波動等因素的干擾［7］。

甲烷氣體的濃度可由上兩式表示為:

由于兩個窗口的距離很近，光幾乎同時接近和通過，可近似認為 β (λ1)=β (λ2)、I0(λ1)=I0(λ2)，因此化簡上式得:

已知氣體吸收系數α1、α2，則甲烷氣體濃度就可以從I(λ2) －I(λ1)和I(λ2)的測量中求出。差分技術消除了光源輸出光功率不穩定的影響，而且從理論上完全消除了光路的干擾因素。

2 環境因素對測量信號的影響

由于周圍環境的背景光、氣流的變化都會對測量信號產生影響，導致實際檢測中測量信號隨時間波動較大，信號又是隨機變化的，所以為了使測量信號的穩定性得到加強，在實際井下檢測中，將紅外瓦斯氣體傳感器放置于一密封的黑盒子中，并加入瓦斯氣體分離儀得到純凈的瓦斯氣體，可消除其他混合氣體對檢測精度的影響。

2.1 雜散光的影響

理想狀態下，朗伯－比爾定律只對單色輻射才嚴格適用。但在實際情況中，總會存在著各種環境因素對檢測精度的影響，光譜帶、雜散光以及環境溫度的變化都能引起朗伯－比爾定律的表現偏差［4］。濾光片在光源的連續輻射中能夠分離出來帶寬很小的Δλ的波長范圍。于是，當吸收物質存在于光路上時，照射在探測器上的輻射強度為:

當光路上沒有吸收物質時，照射在探測器上的輻射強度為:

而所測得吸光度為:

如果在帶寬范圍Δλ內吸收系數不變，指數項可從積分中移出，所測得吸光度與導出的吸光度相等［7］。

由于濾光片的光譜帶典型值大約為0.03μm，而且分子吸收譜帶一般又是平滑的，遠遠大于0.03μm［7］。因此，在大多數場合，帶寬的影響是可以忽略的 (尤其是在吸收譜帶的極大處)。但是如果吸收帶是尖銳的，或者吸收光譜測量范圍是在陡邊坡上的帶寬，那么在吸收部分會有很大變化，這樣就會觀察到與朗伯－比爾定律的表現偏差。

在實際的檢測過程中，被檢測氣體會吸收雜散光，造成檢測精度的誤差。在理想情況下，濾光片僅在所選中心波長附近的譜帶范圍內，但是探測器總會被一些超出這個譜帶的雜散光照射，而雜散光通過此方式改變所測的吸光度，在考慮被測氣體不吸收雜散光的情況下，實測吸光度如下式所示［7］。

式中:Is表示雜散光［7］。

2.2 外部環境溫度的變化影響

首先，環境溫度的變化會對紅外探測器產生影響，由于紅外檢測系統通常情況下都使用屬于熱敏感元器件的熱電探測器，而當環境溫度發生變化時，就會影響到探測器的輸出，熱電探測器的輸出電動勢為:

式中:T、T0分別表示熱電探測器探測極和基極兩個節點的溫度［7］。T0作為基極的溫度，必須保持不變，才能夠確保輸出電動勢和探測極溫度之間有固定的函數關。當環境溫度變化時，會造成基極溫度的變化，也會造成探測器的輸出電動勢的變化。其次，濾光片的中心波長會隨溫度的漂移而發生變化。當溫度升高時，窄帶濾光片的中心波長向波長變長的方向漂移，偏移幅度為0.01K－1。再次，紅外光源是一種白熾燈，燈絲溫度的變化也會產生一些影響，當燈絲溫度發生變化時，光源的輸出能量也會發生變化。

由于上述原因造成對朗伯－比爾定律的偏差，所以在實際礦用瓦斯檢測儀的設計中，并不是按照朗伯－比爾定律給出的表達式求得瓦斯的濃度，而是將一組實測的透射比和對應的瓦斯濃度值存放在只讀存儲器中，當儀器工作時，根據計算的透射比，通過查表和線性插值求出待測瓦斯的濃度［7］。

3 實驗

本文通過設定光源波長，氣室長度以及配制設定濃度的甲烷混合氣體來測試，利用已知的濃度數據來反向推算相關數據，并通過實驗觀察影響傳感器測量精度的因素，進而在傳感器系統設計中加以改進，并控制這些因素。數據是使用1.66μm紅外DFB LD光源和單光路氣室獲得，相關實驗是在東北林業大學機電工程學院農業電氣及其自動化實驗室進行的甲烷紅外光吸收實驗。甲烷紅外吸收試驗光路如圖1所示。

圖1 甲烷紅外吸收試驗光路示意圖Fig.1 Optical path diagram of Methane IR adsorption test

探測的光強一般采用PIN探測器，以便采用電路進行自動化數據處理。PIN的輸出電壓與接受到的光強成正比，即:

根據Lambert-Beer定律和式 (14)可得到一個由設定的濃度一系列C1，C2和測得的PIN輸出數據驗證的常數K，如下式所示:

PIN的光電流與接收到光強成正比，同樣PIN的輸出電壓也與接收到光強成正比，因此確定的濃度和測得的PIN輸出可計算出常數K，且K對于任意確定的系統都是確定的。

表1和表2是許多組試驗數據中的一組，其他實驗數據也具有相同的特征。(氣室體積V0=32.374ml)。

表1 甲烷吸收近紅外光PIN探測數據Tab.1 PIN detection data of Methane near infrared absorption

表2 甲烷吸收近紅外光PIN探測數據Tab.2 PIN detection data of Methane near infrared absorption

其中:U0為測得PIN輸出電壓 (mv);C為氣室中甲烷的體積比濃度;M=n/V為甲烷的分子在光路上的密集度，數值等于表中數據× (e－3)(mol/L)，ΔK/ΔP=(KN－KN－1)/(PN－PN－1)，其中P=P0(V0+V)/V0，V為甲烷在常壓下的體積，P0為標準大氣壓;H為以M代替濃度C依據公式 (16)推算得到的吸收系數;K為濃度是體積比濃度條件下計算出的常數;D為lnV0o－lnV0n，等于表中數字×10－3。

通過對實驗數據的分析和計算，可知測得的Lambert-Beer常數應該是隨氣壓變化的一個二元函數。故可以將Lambert-Beer定律表示為上式。式中ρ為光路上單位體積內被測氣體的分子數或摩爾數，n為氣體的摩爾數，V為氣室體積，L為入射光在氣室中的光程，H(λ)是只與被測氣體有關的常數，此常數不隨氣壓的變化而變化。

通過對實驗數據的分析和計算，加之實驗設備的干擾、激光器溫度的影響以及電源噪聲和外界環境的影響，加之在讀數時PIN的輸出也有波動。從推算分析可知，差分電路PIN的輸出之差是一常量，如果先差分后相關檢測，則調制電路放在差分電路之后，對光源電路及探測器的電路沒有起到相關檢測的作用，而系統的噪聲影響主要就在光源和光電探測電路［7］?；趯嶒灮A，采用微弱信號檢測技術的同步互相關函數檢測法和雙光路單波長差分法來除去噪聲以及光源光功率波動的影響。Lambert-Beer定律中光譜吸收常數與氣體壓強緊密相關，而在實際應用中，氣壓等外界環境的變化影響測量的精確性，因此，采用單位體積內分子的密集度來取代濃度，可以得到一個不隨氣壓變化的常數，使檢測到的數據更為真實，更為精確?？紤]了雜散光和溫度的影響后，檢測精度較國外的忽略環境影響的精度確實提高了，可見，此除噪方法具有可行性和可操作性。

4 結束語

針對紅外檢測過程中噪聲干擾的問題，本文提出了一種實時同步的雙光路法。通過微弱信號檢測技術的檢測方法，對光源進行光強調制，用乘法電路，鎖相放大器和濾波電路提取雙光路的輸出信號，然后使用差分方法消除噪聲，消除了檢測電路內部和外部環境同時造成的干擾。最后通過實驗驗證了本方案的有效性以及可行性，可以為小型煤礦在檢測瓦斯濃度過程中消除噪聲的工作提供簡潔、有效、誤差很小的方法，為檢測到的瓦斯濃度提供較高的精度，更具準確性，并參考國外發達國家在此項方法上的優點，結合我國小煤礦特有的性質，在提高更準確的檢測數據和精度的同時，也更大程度減少成本。

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