礦用一氧化碳傳感器的優化監測方法

常文娟

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司， 山西 長治 046100）

引言

我國是煤炭生產大國，煤礦資源的安全生產是基礎保障。在煤礦開釆中有害氣體超限是最重要的安全隱患。生產區域有害氣體超限，嚴重危害煤礦生產和工人生命安全。一氧化碳是煤炭生產中常見的主要有害氣體，是一種無色、無味的有毒氣體，隨空氣進入人體后能與血液中的血紅蛋白等結合，造成一氧化碳中毒，威脅生命[1]。同時，一氧化碳易燃易爆，如果引發爆炸，嚴重危及工作人員生命安全，帶來巨大損失和惡劣影響。因此，對一氧化碳氣體濃度檢測非常必要。目前采用的一氧化碳監測設備主要存在的問題主要有以下幾個方面：

1）設備貴。一些專業的設備太過龐大，而且最重要的是設備價格高，我國大部分的中小型煤礦無力購買這些專業的設備。

2）設備精確度低。雖然也有低價的一氧化碳傳感器，但是其精確度無法保障，不能確保發揮作用。比如部分傳感器的傳輸數據是將氣體濃度轉化為脈沖量，這種設計易受礦井下強電磁設備干擾，監測結果不準確，易出現誤報警等現象，擾亂煤礦的正常作業。

3）設備測量范圍有限，并且便攜性不好，不能按照需求測量相應位置[2]。針對以上問題，本文以紅外檢測技術為技術基礎，提出了光纖一氧化碳傳感器的改造方案。

1 一氧化碳傳感器的基本原理

1.1 氣體的光譜吸收原理

一氧化碳傳感器可利用光譜吸收原理。傳感器中光源的發射波長與測試氣體吸收波長相同時，會發生共振吸收現象。根據氣體濃度，共振吸收的強度隨之發生變化。紅外光譜吸收型光纖一氧化碳傳感器基于這種原理，根據氣體吸收光譜，對應共振吸收強度，測得礦井中一氧化碳的體積濃度[3]。表1 為礦井下常見氣體及其在近紅外波段下對應特征吸收峰波長。

表1 礦井常見氣體及其對應特征吸收峰波長（近紅外波段）

根據光的衰減特性，在進行檢測時，使用一道光強為I0的平行光穿過需要進行檢測的氣體，結合比爾－朗伯特定律（Beer-Lambert Low），計算氣體體積，即可得出光的衰減情況對應氣體體積濃度[4]。根據比爾－朗伯特定律：入射光強I0和出射光強I 及氣體的體積之間的規律：

式中：α（v）為被檢測氣體的吸收系數；C 為被測氣體的濃度；L 為平行光吸收路徑長度。

由式（1）變形可得氣體體積濃度：

1.2 一氧化碳吸收區間分析

在儀器的設計中，誤差糾正是重要的一項內容。比如進行氣體光譜檢測時，物理測量可能產生誤差。尤其在多種被檢氣體的吸收譜帶重疊時，引起氣體譜帶重疊干擾。為了避免這種情況，對一氧化碳的紅外吸收譜線做研究。當氣體的紅外譜線是單峰時能夠消除上述狀況，先對一氧化碳氣體進行整體的區間透射比分析來確定吸收峰。資料查閱和驗證得出，一氧化碳氣體的吸收峰處于近紅外區域的1.567 μm 和遠紅外區域的4.65 μm 處[4]。在遠紅外區域為基頻吸收，一氧化碳吸收峰強烈，但是測量不穩定，易受外界各種因素的干擾。同時由于遠紅外測量時信號傳輸不便，放棄此方案。在近紅外區域，受到外界干擾小。此處使用LED 燈管作光源，傳輸信號可使用光纖，整體光源效果好，費用低廉，維護方便。因此在改造后，使用波長為近紅外區域的光源進行研究。

2 傳感器改造的硬件設計

改造煤礦一氧化碳傳感器的系統原理圖如圖1所示。組成部分包括光源、傳感器、光電轉換部分、數據處理部分和鎖相濾波部分等。

圖1 改造后一氧化碳傳感器系統原理圖

2.1 光源的設計與傳輸

采用分布反饋式半導體激光器作為傳感器光源。優點在于其譜線窄，反應靈敏，效率高。傳輸采用光纖傳感器，優點在于光纖傳感器的光纖長且細，光強易達到，體積結構合理，穩定性好，且維護方便。項目數據情況如表2 所示。

表2 分布反饋式半導體激光器各項數據

2.2 光電探測器的設計

光電探測器要將接收到的光信號轉換為電信號。使用光電二極管型號為InGaAs G8371-03，此種型號二極管光源發射的光波長能夠被探測器將光信號轉變為電信號，其具有以下優點：靈敏度高，能夠被探測器將光信號轉變為電信號；保真度高，噪聲低；響應時間短，滿足短時間內響應大量信息的要求。

2.3 信號處理系統的設計

信號處理系統工作原理如下：首先用傳感器收集數據，將電信號轉換為電壓信號輸出；與標準數據進行對比，若數據超過標準限定，觸發警報系統。系統信號處理數據處理量大，通過ARM 的ARM7TDMI 處理器實現，新的信號處理系統高效且抗干擾性強。

3 傳感器的軟件設計

設計程序聯系硬件功能，完成整體運行。根據所需設計軟件系統如圖2 所示。

圖2 煤礦一氧化碳傳感器軟件設計流程圖

對傳感器收集到的數據采取數字濾波處理方式。采用平均值濾波方式防止周期性干擾，同時提高系統信噪比。同時收集測量兩路采樣的電壓幅值，對其進行積分求得平均值，再計算轉換為顯示屏上的濃度值。

4 結語

煤礦生產作業過程中有害氣體超標，不僅影響開釆工作的安全進行，還影響煤礦開釆的經濟效益，影響采礦工作人員的生命安全。對一氧化碳氣體濃度檢測非常必要，一氧化碳傳感器的合理運用是礦井安全作業的基礎。本文分析了一氧化碳傳感器存在的問題，提出改造方案，改善軟件與硬件方面的設計。經改造的一氧化碳傳感器，以光纖傳輸為基礎，比以往設計抗干擾性更強，更穩定，效率更高，價格成本更低，能提高煤礦安全生產水平，具有應用推廣價值。