激光甲烷傳感器及其交叉干擾實驗研究

常　琳，李艷芳，劉　嘉，張婷婷，胡　杰，魏玉賓，劉統玉（.安標國家礦用產品安全標志中心，北京 000； 2.北京理工大學 光電學院，北京 0008，.山東省光纖傳感重點實驗室，山東省科學院激光研究所，濟南　2500；.山東微感光電子有限公司，濟南 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，劉統玉3
（1.安標國家礦用產品安全標志中心，北京 100013； 2.北京理工大學 光電學院，北京 100081，3.山東省光纖傳感重點實驗室，山東省科學院激光研究所，濟南250014；4.山東微感光電子有限公司，濟南 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設計，開展了實驗室環境下水汽、一氧化碳和二氧化碳等氣體對甲烷測量結果的交叉干擾，給出了實驗數據并進行了相關分析。實驗證明激光甲烷傳感器具有測量準確，穩定性高，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技術最早是于20世紀70年代由 Hinkley 和Reid 等人提出的[1]，隨著該項技術的不斷發展和完善，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和光通訊技術的快速發展，使得可調諧半導體激光器具有體積小、壽命長和功率高的特點，進一步促進了TDLAS技術在工業、環境以及醫療科學等領域的應用，使得該技術向著多組分氣體同時檢測以及系統小型化和開放式光程方向發展。

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的可行性，在實驗室選擇甲烷作為樣氣，設計了完整的檢測系統，并分別使用光程分別為（6±0.2）cm和（100±3.4）cm的吸收池對其進行了試驗驗證，結果證明該技術能夠實現氣體的檢測，并大大降低了TDLAS檢測技術的整體功耗。

2　測量原理與系統設計

2.1測量原理

對式（1）兩邊進行對數運算后在整個頻域內進行積分，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、吸收線強度、光吸收氣體的有效長度等參數的情況下，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，實際傳感器設計中一般先假設氣體的壓力和吸收線是一個常數，只需測量吸收前后光強的變化即可測得待測氣體的濃度。

2.2系統設計

1. 光源的選擇

確定設計系統所使用的吸收譜線是系統設計的第一步，也是關鍵一步。根據HITRAN數據庫（high一resolution transmission moleeular absorption database，高分辨率分子透射吸收數據庫），并分析譜線中甲烷的吸收強度和中心波長的偏離度等因素，結合光學器件的性能，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，在系統設計時選用1650.9nm吸收譜線進行系統設計，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. 系統結構及原理

圖2　系統結構圖

基于激光光譜吸收氣體檢測技術，設計了激光甲烷傳感器，其原理框圖如圖2所示，激光器由鋸齒波驅動電路驅動，并由溫控電路控制器波長對準1650.9nm吸收譜線，其發出的光經光分路器分成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的波長。第三束光經傳感探頭（透射式氣室）輸出到光電探測器，這樣帶有瓦斯濃度的信號經轉換、濾波、放大后，經A/D轉換后的數字信號送入微處理器根據預先設定的算法進行信號處理，數據處理后所得的濃度通過微處理器進行顯示和聲光報警。

3　交叉干擾數據測試

為了進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，選擇了煤礦環境中存在普遍存在H2O、CO和CO2進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：季節性影響，冬季地面空氣溫度低，在礦井進風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，進風巷顯得干燥。夏季地面空氣溫度升高，在空氣進入井下后，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，井巷內有淋水，能使框內空氣濕度增值90%-100%，進風井巷有淋水即使在冬季也是潮濕的。

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

表1　水蒸氣對甲烷的干擾測試結果

3.2一氧化碳氣體交叉干擾實驗

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。當瓦斯爆炸發生后，空氣中一氧化碳濃度高達2%-4%；當煤塵爆炸發生后，空氣中一氧化碳濃度一般為2%-3%，個別高達8%；煤炭的氧化和火災。當發生煤炭氧化自燃及井下外因火災時，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。爆破后會生成大量一氧化碳。經測定，每公斤硝銨炸藥爆炸能生成100L-300L一氧化碳。

《煤礦安全規程》中規定礦井空氣中一氧化碳的最高允許濃度為0.0024%。煤礦環境用一氧化碳濃度報警器的量程一般為0-1000ppm。結合以上調研和實驗室現有標準氣體，在初步測試實驗中，設定一氧化碳的初始濃度值為1000ppm。隨機選取n（n>3）臺傳感器進行試驗，儀器穩定后，在傳感器顯示值0點進行試驗，通入1000ppm的一氧化碳氣體，分別在30s、60s和120s的時候記錄儀器的顯示值。結果如下：

表2　一氧化碳對甲烷的干擾測試結果

3.3二氧化碳氣體交叉干擾實驗

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、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，有時會發生煤（巖）與二氧化碳突出現象，在極短時間內二氧化碳伴隨著煤（巖）突然大量突出；采掘工作面的爆破作業，爆破后會生成大量二氧化碳，經測定，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；井下發生瓦斯、煤塵爆炸和火災事故時也產生大量的二氧化碳。

《煤礦安全規程》中規定，采掘工作面進風流中，二氧化碳濃度不超過0.5%。礦井總回風巷或一翼回風巷中二氧化碳濃度超過0.75%時，必須立即查明原因，進行處理。煤礦環境用二氧化碳濃度報警器的量程一般為0-5%。結合以上調研及實驗室現有標準氣體，在初步測試實驗中，設定二氧化碳的初始濃度值為10%。隨機選取n（n>3）臺傳感器進行試驗，儀器穩定后，在傳感器顯示值0點進行試驗，通入10%的二氧化碳氣體，分別在30s、60s和120s的時候記錄儀器的顯示值。結果如下：

表3　二氧化碳對甲烷的干擾測試結果

4　結語

試驗結果表明，所涉及的激光甲烷傳感器不受煤礦環境中的常見氣體水汽、CO和CO2的影響。該傳感器能夠實現甲烷濃度的快速、準確測量，具有測量精度高、不受氣體交叉干擾等優點。對于一些煤礦上存在的H2S、C2H2等氣體的交叉干擾還需進一步的驗證。此外，由于所采用的補償方法有待改進，對于環境溫度、壓力、濕度等的變化對測量結果的影響需要進一步做研究。同時實現利用該方法實現其他氣體，如一氧化碳、氧氣、乙炔等氣體的檢測是團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].半導體光電，2000（3）：218-220．

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

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

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

（責任編輯：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，安標國家礦用產品安全標志中心，主要研究方向為煤礦安全儀器儀表、通信及監控類產品的技術審查及檢驗工作。