基于空分复用的矿井瓦斯浓度光纤检测网络研究

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1、万方数据第30卷，第6翅光谱学与光谱分析Vd．30，N0．6，ppl722_172620l0年6』】SpectroscopyandSpectralAnalysisJune，2010基于空分复用的矿井瓦斯浓度光纤检测网络研究张记龙1～，王鹏2，王志斌1一，李晓1’弘，王智文21．电予测试技术国家蕈点实验窀，山西太原0300512．中北人学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西太原030051摘要瓦斯爆炸事故频繁发生，对瓦斯浓度进行准确、实时枪测和预警是治理瓦斯危害的有效手段。实验研究了基于气体光谱吸收原理，采用L

2、65“m波长的近红外町调谐DFB激光器，利用激光器的模式跃变特性设计了差分吸收式的双波长单光路光纤传感网络。使用光开关并结合空分复用技术复用r16个瓦斯传感器，传感气窜部分研究_广防煤尘等父键技术。经PCI数据采集卡采集各路信号后，利用虚拟仪器对各路信息进行分析并显示。研究表明，在不采用数宁锁相放大器，且气体吸收光程只有10crfl的条件下，探测灵敏度达到了0．05％，长时间的精确度和稳定性均町满足实际要求，各传感器切换响应时间小于1s。该网络只要更换激光器就可对其他气体进行实时检测。关键词光谱吸收原理；模式跃变；

3、搴分复用；瓦斯传感器中图分类号：0433．1文献标识码：ADOI：10．3964／j．issm1000-0593(2010)06—1722—05引言煤矿安全问题一直是制约煤炭发展的主要难题，50％以上的矿井处于高瓦斯区，瓦斯爆炸事故不断发，毛。2009年2月22日，IJI西焦煤集团西山煤电公司电兰煤矿南四采区发牛特别蕈大瓦斯爆炸事故，事故造成78人死亡、114人受伤。矿井瓦斯是指矿井中煤层气构成的以甲烷为主的有害气体。瓦斯爆炸必须有一定浓度的瓦斯、高温热源和足够的氧气3个条件。瓦斯爆炸的浓度范围，正常条件下弱火源为

4、5％～15％；强火源为2％～75％。国家《煤矿安伞规程》中规定的甲烷传感器的断电浓度更足低至0．5oA～1．5％。目前在我国煤矿井下广泛使用的甲烷枪测仪器仍然采用的是无焰催化燃烧式传感器，这类传感器响应速度慢，校正周期短，按照我1日现行煤炭擘．产安伞规程，每两周必须对其校正一次，且该仪器对甲烷的选择性差，其他可燃气体如CA)和HzS等也呵以引起该传感器的响应。由此叮见。开发研制一种本征安哞：、选择性好、高灵敏度的甲烷浓度传感网络对于工矿安伞运行、人身安全及环境保护有着十分重要的社会意义和经济意义【1．2J。1光谱吸

5、收原理与气体吸收线型当光源的出射光波长范围覆盖一个或多个气体的吸收线时，光通过气体后功率会发生衰减。设一束波长为A，光强为L的睢色平行光射向被测气体，气室中的样品在A处具有吸收线或吸收带，光被吸收和散射一部分后透射出去，透射光强为IGt)。由Lambert-Beer定律叮得I(A)一Io(A)exp(--aacL)(1)霸为气体在光波长为A处的吸收系数，c为待测气体的体积浓度，L为光通过待测气体的光程。由(1)式求得c=熹-n船㈣‘2忑m葡‘z)(2)式表明，如果L，m，Io(A)三个量已知，就可以通过测虽I(A)

6、来确定气体的浓度C。甲烷的吸收系数计算公式为锄=等㈣’，为吸收线半宽度．单位为cm-1。No是一个大气压、常温时单位体积内的分子数，No=2．5×1019molecules·咖_3·arm～；S是每分子的线强度，单位为cm·molecule-1；No·s称为线强度(CITI_2·atrn叫)睁71。通过查阅HITRAN收稿日期：2009-08-02。修订日期：2009一11-06基金项目：科技部国际科技合作莺点项目(2006DFB72510)和山西省国际合作项目(20080810330)资助作者简介：张记龙。196

7、4年生，中北大学lU西省光电信息与仪器1二程技术研究中心教授e-mail：zhangjl@nuc．edu．cIl*通讯联系人e-mail：lixiaoydx@163．啪万方数据第6期光谱学与光谱分析172304数据库，我们查到了甲烷气体在2v3带R4支一些特定波长处的吸收半宽和线强度，如表1所示。我们选择2V。带R4支的第二条吸收线作为激光器扫描谱线，它的线强度为0．02280crnq·atm～，吸收半宽度y=O．083clnll·arm～，不难计算出，这时甲烷的吸收系数口0=O．087ctn～。Table1Lin

8、estrengthandhalf二kmd’以d柏ofR4h铆ndlinHITRAN04whenT=296K甲烷在1650nln附近的吸收谱线如图1所示，纵坐标为每分子的吸收线强度，单位为ClTI·molecule～，通过比较可看出在R4支的吸收是很强的。WavelengtlgnmFig．1Absorptionlinesofmethanenear1650nnl