基于tdlas的分布式激光甲烷监控系统研究

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1、基于TDLAS的分布式激光甲烷监控系统研究刘永强国家安全生产监督管理总局通信信息中心，北京100013摘要：结合可调谐激光吸收光谱技术（TDLAS）研究完整分布式激光甲烷监控系统，包括TDLAS监测系统整体架构设计、光源和气体传感器、光电转换、信息采集等部分设计，分析甲烷检测设计难点，并与国内外多监测点的在线气体监测系统比较，说明其具备的优势。关键词：可调谐激光吸收光谱技术;分布式激光甲烷监控系统;甲烷监测ResearchonDistributedLaserMethaneMonitoringSystemB

2、asedonTDLASLIUYong-qiang(CommunicationandInformationCenterofStateAdministrationofWorkSafety)Abstract：Thispapercombinestunablelaserabsorptionspectroscopy(TDLAS)tostudythecompletedistributedlasermethanemonitoringsystem,includingtheoverallarchitecturedesigno

3、fTDLASmonitoringsystem,lightsourceandgassensor,photoelectricconversion,informationacquisitionandsoon.Thedifficultiesinmethanedetectiondesignarealsoanalyzedandthedistributedlasermethanemonitoringsystemproposedinthispaperhasadistinctadvantagecomparingwithth

4、eotheronlinegasmonitoringsystemofmultiplemonitoringpointsathomeandabroad.Keywords：TunableLaserAbsorptionSpectroscopy；DistributedLaserMethaneMonitoringSystem;MethaneMonitoring1TDLAS监测技术的应用背景目前在我国煤矿安全事故中，瓦斯事故占据煤矿事故的绝大部分,造成重大的人员伤亡和经济损失，成为困扰煤矿安全生产的重大难题之一[1]。因

5、此研发反应灵敏、可靠性高的瓦斯浓度监测系统尤为重要，将为保护煤矿工人的人身安全和保障煤矿企业的安全运行发挥重大的作用。常用的检测瓦斯气体的方法可分为光学方法和非光学方法。光学法检测瓦斯主要是依据光在被测气体中的光学特性，以及测量光与气溶胶浓度间的关系。非光学法主要是测量瓦斯气体分子间的作用。按照具体测量原理，可分为光干涉测量、热催化测量、热导测量、超声波测量、气敏传感、荧光测量和红外光谱吸收测量方法。20世纪80年代美国科学家率先提出TDLAS技术，即可调谐激光吸收光谱技术。这种技术的原理是利用半导体激光

6、的可调谐特点来检测光谱。随着波长调制、谐波探测等技术的发展，TDLAS在气体检测方面表现出高灵敏、高响应、高分辨等效果，在环境监测、火灾现场氧气浓度、矿井以及石油管道甲烷浓度监测等方面有重要应用[2]。相比于其他传感技术，TDLAS技术的主要优势为：(1)测量精度高；(2)可实现超快测量，测量速度高于其他方法；(3)可实现现场测量；(4)可有效抑制光电元件本身及环境因素带来的干扰；(5)使用范围广，可检测甲烷、硫化氢等多种常见气体浓度[3]。近红外TDLAS的发展得益于近年来光纤通讯行业的巨大进步,比如激

7、光光源、光纤衍生器件以及探测器件等技术的进步使得近红外TDLAS系统的器件成本更低,并迅速走向实用化[4]。另外，光纤传感器件本身的电绝缘特性，与信息采集系统的高融合度、以及活动范围大可实现远距离遥测等优势使其成为光学气体检测方法中最主要的手段之一。目前，面向煤矿广泛使用的瓦斯传感器存在稳定性差、受杂质成分干扰、易“中毒”、需频繁标校等问题，为解决上述问题研制分布式激光甲烷监控装置，综合利用先进的激光调制吸收光谱技术和分布式光纤检测技术，实现一套激光检测主机同时监测多个测点的甲烷浓度，在具备优越技术性能的

8、同时保证高性价比。与传统的催化燃烧传感器、红外传感器相比，具有多点分布探测、精度高、标校周期长、稳定性好、工作寿命长等特点。2TDLAS监测系统的基本原理和整体架构2.1基本原理朗伯比尔定律（Lambert–Beerlaw）是描述光与吸收介质（包括气体、固体、液体、分子、原子、离子）之间相互作用的基本定律，根据此定理可通过分析穿透介质后的光强信息，进而计算各种气体浓度，这也是TDLAS技术的基本原理[5]。朗伯比尔定律：（1）