無線激光甲烷傳感器的設計研究

馬 京

（晉煤集團晟泰公司 ，山西 晉城 048006）

瓦斯是制約礦井生產安全的不利因素，在井下采掘過程中，精準、快速、便捷的測定瓦斯濃度對促進礦井生產安全具有重要意義[1～2]。現今瓦斯傳感器類型主要分為紅外、催化、導熱以及激光等四類，絕大多數仍是采用有線傳輸方式對，需要鋪設大量的信號傳輸線路，由于井下環境十分惡劣，時常會出通信線纜斷裂情況，影響井下瓦斯濃度監測[3～5]。因此，文中設計了一種可以自動進行溫度、壓力補償的無線激光甲烷傳感器。

1 工作原理

1.1 瓦斯檢測原理

瓦斯可以吸收特定波長激光，可以通過檢測激光強若來對環境中瓦斯濃度判定。為了提升檢測精度，傳感器采用雙波長檢測，相對于傳統的催化傳感器，設計的傳感器理論上不用定期校準。對傳感器進行壓力、溫度等補償后的檢測精度會進一步提升[6]。

根據比爾定律，發射器發出強度I0激光，通過兩個單色器從而選出雙波長，分別是測量波長（λa）及參考波長（λb），激光通過長度L，濃度為C的瓦斯氣體時，會由于瓦斯的吸收作用而產生能量損傷，具體的測量波長（λa）及參考波長（λb）強度可以由下述公式進行計算：

其中：α表示瓦斯吸收系數；β表示背景干擾；K表示光電靈敏度；I表示透射光強度。

由于測量波長（λa）及參考波長（λb）相近，可以近似認為βλa=βλb，公式（1）/（2）可得：

調整使得 I0(λa)K(λa)I(λa)=I0(λb)K(λb)I(λb)，同時測量波長（λb）投射光強度遠遠小于測量波長（λa）投射光強度，對公式（3）進一步轉換，瓦斯濃度C公式為：

1.2 溫度、壓力補償

瓦斯吸收系數（α）會受到光波長度、空氣成分、溫度、壓力等影響，具體確定十分困難。在理想狀態下，瓦斯吸收系數（α）可以采用下述公式計算[7]：

式中：p為環境壓力（kPa）；M為氣體摩爾量（mol）;t為環境溫度（K）;x為比例常數；V為氣體體積（L）。

當瓦斯濃度C為一定值時，k會隨溫度、壓強變化，直接影響瓦斯吸光效果。因此，通過溫度、壓力傳感元件檢測外界環境中溫度、壓力變化情況，根據溫度、壓力變化曲線建立溫度、壓力補償模型，從而減少溫度、壓力對激光瓦斯傳感器測量結果影響。

2 激光瓦斯傳感器無線通信原理

基于Wave Mesh協議構建無線傳輸系統，具有傳輸效率高、組網方便靈活，且支持調頻機制及多路徑路由，避免其他無線傳輸信號干擾。構建達到傳感器無線傳輸網絡由節點（激光甲烷傳感器）、匯聚節點組成，激光甲烷傳感器將檢測到的瓦斯濃度以無線方式傳輸，匯聚節點負責接收工作，并經過簡單處理后傳輸至上層通信網絡。傳輸系統中的網絡節點可以隨時的增加或者拆除，當傳輸系統某個節點發生故障時，系統自動的對路由優化并組網。考慮到井下環境復雜以及巷道布置特點，傳輸網絡布置形式為樹型拓撲，無線傳輸距離在100m以上，增加中繼器數量可以提升無線傳輸范圍。

3 傳感器設計方案

3.1 總體設計方案

設計的傳感器硬件結構如圖1所示，組成包括鋰電池、瓦斯濃度采集電路、微處理器、無線通信電路等。瓦斯探頭對外界環境中的瓦斯濃度進行采集，并將采集數據傳輸至微處理器，數碼管上顯示檢測結果，無線通信電路進對檢測數據傳輸。傳感器供電采用鋰電池，全部電路功耗低，提升設備工作時限。當鋰電池電量過低時，無線激光甲烷傳感器會上傳電量過低信息，提供更換電池。當檢測到瓦斯濃度超限時，傳感器自動發出聲光報警信號。

圖1 總體設計框架

3.2 激光瓦斯探頭設計

設計的激光瓦斯探頭工作流程如圖2所示，通過調整型激光器輸入電流從而發出不同波長激光。激光器發出高速正弦信號以及低速掃描信號，光電探測器接收到激光器發出的信號后將光信號轉換成電壓信號，通過檢測輸入到激光器中的電流，從而得到發出的激光波長，進行二次諧波及轉換處理后，從而對低噪窄帶檢測。消除檢測系統背景光譜干擾后，就可以實現對瓦斯濃度監測。

圖2 激光瓦斯探頭工作流程

3.3 溫度補償

受到外界溫度變化影響，激光器發射的激光波長會受到溫度影響，因此需要對溫度進行控制。具體為采用TEC(半導體致冷器)，不同方向電流通過TEC會加熱或者制冷，從而控制激光器環境溫度保持恒定。MAX8521溫度控制芯片可以控制±1.5A電流。具體的溫度自動補償控制電路如圖3所示。

圖3 溫度自動補償控制電路

3.4 壓力補償

在礦井井下甲烷傳感器運行環境中，運行壓力一般在130kPa以內，因此應選擇合理的壓力傳感器元件。考慮到激光甲烷傳感器空間布局，采用體積小，檢測范圍大（0～200kPa）的NPP-301壓力傳感器內部有高精度電阻應變片，測量電路采用惠斯頓電橋，電路設計簡單，檢測精度及效率高，穩定性強。

3.5 無線網絡通信設計

傳感器無線通信采用的組網模塊為BM200N，具有無線、低功率、低能耗特點。在BM200N組網模塊內部鑲嵌有Wave Mesh傳輸協議，采用433MHz工作頻段，有1個基本信號，1～15個輔助信道，具體的信道、頻點選擇根據實際情況確定。用以無線數據收發的RXD、TXD與微處理PTE23、PTE22引腳連接。

4 性能測試

4.1 基本誤差及響應時間

按照AQ6211-2008標準，選用6臺無線激光甲烷傳感器，放入瓦斯濃度為 2%、3.54%、8.6%、20.01%、34.98%、60.13%、86%等7種環境中，對傳感器檢測數值進行記錄，充分測量4次，并取平均值，具體測量結果如表1所示。從測量結果可以看出，無線激光甲烷傳感器的測量精度較高，基本誤差小。

表1 瓦斯濃度測量結果

對傳感器響應時間測試主要檢測傳感器靈敏度，按照200ml/min速度將濃度為20%的瓦斯通過無線激光甲烷傳感器，記錄傳感器顯示值達到90%標準值時的時間，共測量三測，取平均值，具體的測試數據如表2所示。從表中可以看出，傳感器具有較快的響應速度，可以滿足井下對瓦斯濃度監控需求。

表2 傳感器響應時間

4.2 溫度及壓力影響測試

為了驗證溫度對傳感器影響，在40℃高溫箱、0℃低溫箱中放入測試樣機，恒溫2h后，每隔1h測量一次樣機數值，共測量三次，取平均值。從測量結果可以得出，采用溫度補償后的無線激光甲烷傳感器可以較好的適應外界環境溫度變化。

在瓦斯濃度為 2%、3.54%、8.6%、20.01%、34.98%、60.13%、86%等7種環境中，通過使用抽氣泵改變環境壓力，選用40kPa、60kPa…140kPa等6種壓力條件下。當無線激光甲烷傳感器未進行壓力補償時，在瓦斯濃度保持不變的情況下，隨著檢測環境中壓力增加，測量值出現變大趨勢，反之，壓力降低時測量值偏小，檢測環境與常規環境壓力差值越大，無壓力補償的傳感器測量誤差越高。裝有壓力補償傳感器瓦斯濃度相同、壓力不同環境下檢測結果差別不大，總體誤差控制在3%以內。

5 總 結

文中提出一個基于激光檢測及Wave Mesh協議的無線激光甲烷傳感器，并對該傳感器的工作機理進行詳細敘述，給出了傳感器的設計方案，具體包括總體設計方案、激光瓦斯探頭設計、溫度補償、壓力補償、無線網絡通信設計等內容，最后對設計的無線激光甲烷傳感器性能從測量精度、靈敏度、溫度以及壓力響應等方面進行試驗，結果表明設計的傳感器具有精度高、誤差小、反應靈敏等特點，可以滿足礦井對瓦斯監控需要。在山西某礦井下應用結果表明，該傳感器安裝便捷，監測數據可以實時傳輸至通信網絡，克服了傳統有效甲烷催化傳感器存在的布置局限、定期校驗弊端，可以更好地為服務于礦井生產。