瓦斯浓度红外检测噪声消除方法研究

郑 健，曹 军，孙丽萍

(东北林业大学机电工程学院，哈尔滨150040)

由于煤矿井下主要的气体成分瓦斯具有易爆性，70%以上的重特大安全事故都是因为瓦斯浓度过高引起的。因此，有效且精确地检测出瓦斯浓度是预防煤矿瓦斯事故的关键。而井下环境恶劣，气体混合性强，这就对瓦斯浓度的精确检测带来了极大的干扰，必须进行除燥，以提高检测精度。

光源系统的电源电路、光探测器电路以及交流电源的浪涌电压都会不确定地产生一些随机噪声，例如电阻元件和放大器元件的电噪声和热噪声，PIN也会产生电噪声和热噪声，这些噪声的值有时很大，足以掩盖有效信号，造成检测误差;光源出射功率具有波动性，也会造成探测的结果具有不确定性。一方面，甲烷在1.66μm附近的吸收强度是比较弱的，其中的噪声信号大于有效信号，这就必须采取微弱信号检测技术 (WSD:Weak Signal Detection)来检测此类微弱信号，并通过数学方法来对噪声掩盖的有效信号进行提取。另一方面，红外激光光源的温漂和时漂的影响，都使检测的精度非常差。在实际应用中，总会存在着光谱带、杂散光和环境温度的变化所引起的偏差，检测过程中必须要对这些误差进行消除。由于井下复杂的恶劣环境，对检测过程产生了严重影响，再加上检测系统自身也会产生各种噪声，会增大检测数据的失真度;在红外气体检测系统中，光源光功率的波动、环境因素 (包括振动、温度)等因素影响着检测灵敏度，同时光探测器产生的噪声和电路中元器件的不规律漂移等因素，也都影响了检测系统的灵敏度。要想在这些具有随机性影响中精确地检测瓦斯浓度，就必须进行一系列手段来消除干扰，以提高检测精度。通过采用1.66um波长宽带LED作为红外光源，并采用具有测量通道和参考通道的PYS 3228 TC G5.2/G20双路热释电探测器，实现了气体浓度的差分检测。

在国内，只有在近几年才在矿用红外气体检测方法的研究方向上有所开展，近20年，随着通信技术的发展，使得以往研制红外气体传感器需要的器件成本大大下降，新技术、新材料、新元件、新工艺的发展，使得新型红外气体检测仪的研制得到了技术上的有力保障［2］，干扰误差的消除也已成为现实。国外近年来在红外气体检测领域得到迅猛发展，在红外检测瓦斯浓度技术和设备上突飞猛进，确实提高了检测精度。但是针对不同煤矿井下环境的不同与地质情况的不同，国外先进国家也忽略了很多对检测精度的干扰因素［8］，如检测环境的干扰、外部灯光的干扰等。因此，就需要消除环境因素造成的干扰，杂散光和环境温度的除噪方法显得格外重要。

1 光路自身干扰因素的消除方法

甲烷分子具有4个固有的振动:v1=2 912.9cm－1，v2=1 533.2cm－1，v3=3 019.0cm－1，v4=1 306.0cm－1，它们对应的波长是 3.43μm、6.53μm、3.31μm和7.66μm。在中红外区的各吸收波段中，3.31μm波长处的吸收峰比7.66μm波长处的吸收峰强度高，且为近红外区 (1.33μm、1.66μm)的吸收峰的2 000倍［4］。

甲烷在1.33μm和1.66μm附近都有较强的吸收峰。由于中红外区是基频吸收带，对红外光能量的吸收幅度更大，所以通常选择3.31μm的中红外光源来检测其浓度。例如在1.66μm附近有R线1.64μm、Q线1.66μm、P线1.685μm 的吸收峰。在忽略所有干扰的理想情况下，气体对红外光的吸收满足Lambert-Beer定律，即:

式中:I(λ)为通过测量气室后出射光的光强;I0(λ)为入射光的光强;α(λ)为气体的吸收系数;C为被测气体的浓度;L为光穿过气体的光程。

光通过气体时，考虑到光路自身的干扰，需要将Lambert-Beer定律表示为:

式中:β(λ)为光路干扰系数。想要消除光强的波动和β(λ)等因素的影响，则需要选择热释电探测器来进行检测，就会获得两路信号，一路是甲烷气体的特征吸收波长3.31μm的检测光信号，一路是波长4.0μm的参考光信号，由于热释电探测器的两个窗口是相连的且两个信号波长比较接近，因此β(λ)、I0(λ)对两者的影响近似认为是相同的，这样就可以通过差分处理很好的消除β(λ)、光强的波动等因素的干扰［7］。

甲烷气体的浓度可由上两式表示为:

由于两个窗口的距离很近，光几乎同时接近和通过，可近似认为 β (λ1)=β (λ2)、I0(λ1)=I0(λ2)，因此化简上式得:

已知气体吸收系数α1、α2，则甲烷气体浓度就可以从I(λ2) －I(λ1)和I(λ2)的测量中求出。差分技术消除了光源输出光功率不稳定的影响，而且从理论上完全消除了光路的干扰因素。

2 环境因素对测量信号的影响

由于周围环境的背景光、气流的变化都会对测量信号产生影响，导致实际检测中测量信号随时间波动较大，信号又是随机变化的，所以为了使测量信号的稳定性得到加强，在实际井下检测中，将红外瓦斯气体传感器放置于一密封的黑盒子中，并加入瓦斯气体分离仪得到纯净的瓦斯气体，可消除其他混合气体对检测精度的影响。

2.1 杂散光的影响

理想状态下，朗伯－比尔定律只对单色辐射才严格适用。但在实际情况中，总会存在着各种环境因素对检测精度的影响，光谱带、杂散光以及环境温度的变化都能引起朗伯－比尔定律的表现偏差［4］。滤光片在光源的连续辐射中能够分离出来带宽很小的Δλ的波长范围。于是，当吸收物质存在于光路上时，照射在探测器上的辐射强度为:

当光路上没有吸收物质时，照射在探测器上的辐射强度为:

而所测得吸光度为:

如果在带宽范围Δλ内吸收系数不变，指数项可从积分中移出，所测得吸光度与导出的吸光度相等［7］。

由于滤光片的光谱带典型值大约为0.03μm，而且分子吸收谱带一般又是平滑的，远远大于0.03μm［7］。因此，在大多数场合，带宽的影响是可以忽略的 (尤其是在吸收谱带的极大处)。但是如果吸收带是尖锐的，或者吸收光谱测量范围是在陡边坡上的带宽，那么在吸收部分会有很大变化，这样就会观察到与朗伯－比尔定律的表现偏差。

在实际的检测过程中，被检测气体会吸收杂散光，造成检测精度的误差。在理想情况下，滤光片仅在所选中心波长附近的谱带范围内，但是探测器总会被一些超出这个谱带的杂散光照射，而杂散光通过此方式改变所测的吸光度，在考虑被测气体不吸收杂散光的情况下，实测吸光度如下式所示［7］。

式中:Is表示杂散光［7］。

2.2 外部环境温度的变化影响

首先，环境温度的变化会对红外探测器产生影响，由于红外检测系统通常情况下都使用属于热敏感元器件的热电探测器，而当环境温度发生变化时，就会影响到探测器的输出，热电探测器的输出电动势为:

式中:T、T0分别表示热电探测器探测极和基极两个节点的温度［7］。T0作为基极的温度，必须保持不变，才能够确保输出电动势和探测极温度之间有固定的函数关。当环境温度变化时，会造成基极温度的变化，也会造成探测器的输出电动势的变化。其次，滤光片的中心波长会随温度的漂移而发生变化。当温度升高时，窄带滤光片的中心波长向波长变长的方向漂移，偏移幅度为0.01K－1。再次，红外光源是一种白炽灯，灯丝温度的变化也会产生一些影响，当灯丝温度发生变化时，光源的输出能量也会发生变化。

由于上述原因造成对朗伯－比尔定律的偏差，所以在实际矿用瓦斯检测仪的设计中，并不是按照朗伯－比尔定律给出的表达式求得瓦斯的浓度，而是将一组实测的透射比和对应的瓦斯浓度值存放在只读存储器中，当仪器工作时，根据计算的透射比，通过查表和线性插值求出待测瓦斯的浓度［7］。

3 实验

本文通过设定光源波长，气室长度以及配制设定浓度的甲烷混合气体来测试，利用已知的浓度数据来反向推算相关数据，并通过实验观察影响传感器测量精度的因素，进而在传感器系统设计中加以改进，并控制这些因素。数据是使用1.66μm红外DFB LD光源和单光路气室获得，相关实验是在东北林业大学机电工程学院农业电气及其自动化实验室进行的甲烷红外光吸收实验。甲烷红外吸收试验光路如图1所示。

图1 甲烷红外吸收试验光路示意图Fig.1 Optical path diagram of Methane IR adsorption test

探测的光强一般采用PIN探测器，以便采用电路进行自动化数据处理。PIN的输出电压与接受到的光强成正比，即:

根据Lambert-Beer定律和式 (14)可得到一个由设定的浓度一系列C1，C2和测得的PIN输出数据验证的常数K，如下式所示:

PIN的光电流与接收到光强成正比，同样PIN的输出电压也与接收到光强成正比，因此确定的浓度和测得的PIN输出可计算出常数K，且K对于任意确定的系统都是确定的。

表1和表2是许多组试验数据中的一组，其他实验数据也具有相同的特征。(气室体积V0=32.374ml)。

表1 甲烷吸收近红外光PIN探测数据Tab.1 PIN detection data of Methane near infrared absorption

表2 甲烷吸收近红外光PIN探测数据Tab.2 PIN detection data of Methane near infrared absorption

其中:U0为测得PIN输出电压 (mv);C为气室中甲烷的体积比浓度;M=n/V为甲烷的分子在光路上的密集度，数值等于表中数据× (e－3)(mol/L)，ΔK/ΔP=(KN－KN－1)/(PN－PN－1)，其中P=P0(V0+V)/V0，V为甲烷在常压下的体积，P0为标准大气压;H为以M代替浓度C依据公式 (16)推算得到的吸收系数;K为浓度是体积比浓度条件下计算出的常数;D为lnV0o－lnV0n，等于表中数字×10－3。

通过对实验数据的分析和计算，可知测得的Lambert-Beer常数应该是随气压变化的一个二元函数。故可以将Lambert-Beer定律表示为上式。式中ρ为光路上单位体积内被测气体的分子数或摩尔数，n为气体的摩尔数，V为气室体积，L为入射光在气室中的光程，H(λ)是只与被测气体有关的常数，此常数不随气压的变化而变化。

通过对实验数据的分析和计算，加之实验设备的干扰、激光器温度的影响以及电源噪声和外界环境的影响，加之在读数时PIN的输出也有波动。从推算分析可知，差分电路PIN的输出之差是一常量，如果先差分后相关检测，则调制电路放在差分电路之后，对光源电路及探测器的电路没有起到相关检测的作用，而系统的噪声影响主要就在光源和光电探测电路［7］。基于实验基础，采用微弱信号检测技术的同步互相关函数检测法和双光路单波长差分法来除去噪声以及光源光功率波动的影响。Lambert-Beer定律中光谱吸收常数与气体压强紧密相关，而在实际应用中，气压等外界环境的变化影响测量的精确性，因此，采用单位体积内分子的密集度来取代浓度，可以得到一个不随气压变化的常数，使检测到的数据更为真实，更为精确。考虑了杂散光和温度的影响后，检测精度较国外的忽略环境影响的精度确实提高了，可见，此除噪方法具有可行性和可操作性。

4 结束语

针对红外检测过程中噪声干扰的问题，本文提出了一种实时同步的双光路法。通过微弱信号检测技术的检测方法，对光源进行光强调制，用乘法电路，锁相放大器和滤波电路提取双光路的输出信号，然后使用差分方法消除噪声，消除了检测电路内部和外部环境同时造成的干扰。最后通过实验验证了本方案的有效性以及可行性，可以为小型煤矿在检测瓦斯浓度过程中消除噪声的工作提供简洁、有效、误差很小的方法，为检测到的瓦斯浓度提供较高的精度，更具准确性，并参考国外发达国家在此项方法上的优点，结合我国小煤矿特有的性质，在提高更准确的检测数据和精度的同时，也更大程度减少成本。

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