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光谱吸收式煤矿瓦斯气体浓度检测技术仲德满（学号：10201040124）（安徽建筑大学土木工程学院10安全①班）摘要 针对现有矿井瓦斯传感器的缺点，基于红外光谱吸收原理，采用筹分吸收 技术设计了红外瓦斯气体浓度探测系统该系统采用单光路吸收气室和单光路双 波长探测技术，利用差动放大电路为核心的微弱信号处理电路实现瓦斯浓度输出 信号的检测，并采用线性关系式拟合瓦斯浓度和输出电压的关系曲线.实现对瓦 斯浓度的全量程精确探测实验表明，该系统的测量误差小于2%,具有很高的 测量精度，具备了煤矿应用的基础关键词 红外光谱吸收；差分吸收；线性关系式Detection Technology of Methane Gas Concentration Basedon Infrared Absorption SpectrumZhong de-manAbstract（10 Safety Engineering Major of Civil Engineering of anhui jianzhu University）According to the disadvantages of current methane sensor in coal mine, the infrared methane concentration detection system based on the principle of infrared spectrum absorption was designed using differential absorption technology. In the system single light beam absorbing cell and single light beam and double wavelengths technology are adopted. Differential amplifier circuit serves as the core of faint signal processing circuit that detects the output signal of methane concentration， and linear formula fits the curve of methane concentration and output voltage，which realizes accurate and full range detection of gas concentration. Experiment shows that measurement error is less than 2%， and the system has very high measurement precision and possesses the basis of industrial applications.Keywords Infrared absorption spectrum； Differential absorption； Linear formula0引言瓦斯爆炸是煤矿安伞生产的蕈要威胁之一，近年来瓦斯爆炸事故频繁发牛， 因此，实时准确地检测瓦斯气体浓度对煤矿安全生产和保护人民生命财产安全有 重要的社会和经济意义。

矿井瓦斯主要是煤层气构成的以甲烷为主的有害气体，容易引发爆炸和人员 窄息死亡等事故闲外对高瓦斯矿井一般采取关停措施，而我国对煤炭依赖严重， 在煤矿管理上尚有许多不完善之处在现有的瓦斯浓度检测手段中，普遍采用的 是基于热催化原理的瓦斯传感器，存在测量范围小、容易发牛“中毒”现象和调 校困难等缺点本文基于红外光谱吸收原理和差分吸收技术,采用光源调制技术，实现了对瓦斯气体浓度的实时精确检测1红外吸收式瓦斯气体浓度检测理论光谱吸收式光纤气体传感器是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱 的一致性原理当光通过某种介质时，利用介质对光吸收而使光衰减这一特性研 制成吸收碰气体传感器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. 5223. 312和7. 658um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. 67tan附近，都自•较强的吸收通过HITRAN数据库可以 查得甲烷在1. 33，1. 67和3. 31 tan处的线型强度之比为：1： 8： 1 000可 见，甲烷在中红外区域的吸收线强度远远超过在近红外区域的吸收线强度因此 本文选用甲烷在3. 31um处的波长检测瓦斯气体浓度。

其光谱图如图l所示K6-IS 40.0.40100 32063Wawenumber/cm'1Fig. 1 Ateorptkm spectrum of rntthane near X 3 pm根据朗伯一比尔(Lambert-Beer)定律曲］,假定气体分子在波长A处存在吸收 峰则有KA）=几⑴亍w （1）式中，1（入）是透射光强，Io（入）是入射光强，a （入）为波长在入处的吸收系数, c为待测气体浓度，l为光和气体作用长度即吸收长度为消除光源波动和光路中产生的干扰，引入了双波长差分技术，即引入一个 瓦斯吸收峰以外的参考波长，由E = 10（/） （2）式中，1（入）为参考波长的出射光强，Io（入）为参考光的入射光强把式（1）和式（2）相除，整理可以得到1 1 r/（A ） fo（A） 1 小、c = K7T）」 （3）待测气体的吸收波长和参考波长可以通过在探测器前加窄带干涉滤光片实 现对于瓦斯气体而言，探测波长选用中心波长为3. 31 um的干涉滤光片，参 考波长选用中心波长为4. 0um的于涉滤光片2测试系统设计在本系统中，红外光源选择IRL715白炽光源，其波长覆盖范围较宽，从可 见光到5um。

吸收气审采用铝质单光路吸收气室（透射型吸收气室），气室光源端 装有反光杯，用以汇聚光源增加光强，吸收光程为10 cm气室的另一端同定 热释电探测器TPS2534，把经过瓦斯吸收后的光信号转换成电信号实验系统框图如图2所示系统采用差分吸收技术和单光路双波长的工作方 式白炽光源IRL715经过方波脉冲调制后，探测光束进入吸收气室被待测气体 吸收，而参考光束不被吸收，丽柬光经过探测器、信号调理电路转换成与浓度相 关的电压输出光源调制浓度旌示上 RS232ft * ►机单片机Fig. 2 System principk block diagram光源调制米用电调制方式，调制频率为4 Hz,可有效抑制背景干扰噪声， 提高检测灵敏度，用于调制的方波脉冲信号由单片机产生光源驱动电流为100 mA,在4 Hz的调制频率下，光源的输出功率达到0. 1 W由于探测器TPS2534输出信号非常微弱，只有几十微伏，因此信号调理电路 采用两级放大结构第一级放大电路采用仪器仪表放大器AD620,第二放大电路 采用差动放大电路，由精密放大器OP07组成，把瓦斯吸收信号输出和参考信号 输出经差动电路后放大输出，然后有高速A/D芯片采集瓦斯浓度信息，并由上 位机实现解调、显示瓦斯浓度和报警等功能。

多个红外传感器可通过电缆形成一 个覆盖矿井的探测网络，实现多点探测3结果及分析实验在体积为5 L的密闭容器内进行，采用GXH — 1050甲烷红外线气体分 析仪标定瓦斯浓度先用高纯度的氮气冲洗密闭容器，然后依次充人纯度为 99. 9%的甲烷样气，在全量程(0〜100%)内记录每充入500 mL甲烷气体(10%) 后的输出浓度，实验数据如表1所示Table 1 Experimental data of methaneconcentration measurement标定蔽度/%输出电DE/V测惯浓度/%04.00一0. 27103<8110, 01203. 6220.2930£ 423L1140254CL31500849.51602.9158.71702,726& 99802. 508® 89902, 3390.09100N H100.37由表l可以看出，在全量程范围内，输出电压随瓦斯浓度的增加而降低，且 基本呈线性关系，二者的拟合关系式为c=-97. 60 +391. 35,相关系数达到0. 999 7,将拟合关系式存入到上位机的解调程序中，能够实时显示出瓦斯浓度图3 为测量浓度与实际瓦斯浓度的对比，可知系统的测量浓度与实际浓度的误差小于 2%，具有很高的测量精度，满足井下瓦斯浓度检测的要求。

0080604020I0 _ _ 1 I I I2.0 24 18 3.2 3.6 40Output voltage/VFig, 3 The comparison of Measurement concentrationand real concentration■ : Real concentration! ■: Measurement concentration4结论理论和实验结果表明，红外光谱吸收型瓦斯气体传感器能够用于矿井下瓦斯 气体检测实验中，采用了单光路双波长的工作方式，对红外光源进行方波脉冲 电调制，有效抑制了噪声干扰，简化了系统的结构在红外光谱吸收的理论基础上，采用了差分吸收技术消除系统误差和环境十 扰，电路采用了差动放大电路检测微弱信号，利用线性关系式拟合瓦斯浓度和输 出电压曲线，测最范围宽(0〜100%),检测精度高(<2%),工作稳定町靠，具备 厂煤矿应用的条件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) 瓦斯检测系统的提咼提咼瓦斯检测的精确度，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)：51—52.【2】 I. KlimantRecent Investigations in Oxygen Sensing-Proceedings 1st European Conference on Optical Chemcila Sensors and Biosensosr J] 1992, (4)： 12—15.【3】 S. D. Bomse, C. A. Stanton, A. J. Silver. FrequencyModulation and Wavelength Mdoulation Spectroscopies [J]. Applied Optics, 1992, 31(6): 718—730.【4】 王玉田，刘 瑾，张景超，等.基于谐波检测技术的光纤甲烷气体传感 器的研究[J].测控 技术，2003, 22(11)： 19—21【5】 Taylor CD , ChiltonJE, MartikainenAI. 12th. US/North American Mine Ventilation Symposium, Reno, Nevada。