激光甲烷传感器及其交叉干扰实验研究

常　琳，李艳芳，刘　嘉，张婷婷，胡　杰，魏玉宾，刘统玉（.安标国家矿用产品安全标志中心，北京 000； 2.北京理工大学 光电学院，北京 0008，.山东省光纤传感重点实验室，山东省科学院激光研究所，济南　2500；.山东微感光电子有限公司，济南 2500）



激光甲烷传感器及其交叉干扰实验研究

常琳1，李艳芳2，3，刘嘉3，张婷婷3，胡杰4，魏玉宾3，刘统玉3
（1.安标国家矿用产品安全标志中心，北京 100013； 2.北京理工大学 光电学院，北京 100081，3.山东省光纤传感重点实验室，山东省科学院激光研究所，济南250014；4.山东微感光电子有限公司，济南 250014）

基于激光光谱吸收的原理，研究了激光甲烷传感器的测量原理和系统设计，开展了实验室环境下水汽、一氧化碳和二氧化碳等气体对甲烷测量结果的交叉干扰，给出了实验数据并进行了相关分析。实验证明激光甲烷传感器具有测量准确，稳定性高，抗气体交叉干扰等特性。

激光光谱吸收；交叉干扰；甲烷检测

1　引言

TDLAS技术最早是于20世纪70年代由 Hinkley 和Reid 等人提出的[1]，随着该项技术的不断发展和完善，可检测气体的种类越来越多，如大气中含量较高的O2、H2O和大气污染气体CO，CO2，SO2，NOx和CH4等[2-5]，检测灵敏度也越来越高。特别是近十年来随着光电子技术和光通讯技术的快速发展，使得可调谐半导体激光器具有体积小、寿命长和功率高的特点，进一步促进了TDLAS技术在工业、环境以及医疗科学等领域的应用，使得该技术向着多组分气体同时检测以及系统小型化和开放式光程方向发展。

甲烷作为天然气的主要成分，是一种无色无味，比空气轻的气体。它广泛存在于我们的生活中，是温室气体的最主要成分之一[6]，它不但很容易就能引起爆炸，而且当其含量太高时还会引起窒息，因此甲烷的检测非常重要。为了验证该波长自跟踪气体检测技术的可行性，在实验室选择甲烷作为样气，设计了完整的检测系统，并分别使用光程分别为（6±0.2）cm和（100±3.4）cm的吸收池对其进行了试验验证，结果证明该技术能够实现气体的检测，并大大降低了TDLAS检测技术的整体功耗。

2　测量原理与系统设计

2.1测量原理

对式（1）两边进行对数运算后在整个频域内进行积分，则可得

因此，气体浓度可以直接通过下式计算而得

在已知压力、吸收线强度、光吸收气体的有效长度等参数的情况下，将在频域上的积分值带入式（3）中，就可以最终得到气体浓度值。在常温常压下，实际传感器设计中一般先假设气体的压力和吸收线是一个常数，只需测量吸收前后光强的变化即可测得待测气体的浓度。

2.2系统设计

1. 光源的选择

确定设计系统所使用的吸收谱线是系统设计的第一步，也是关键一步。根据HITRAN数据库（high一resolution transmission moleeular absorption database，高分辨率分子透射吸收数据库），并分析谱线中甲烷的吸收强度和中心波长的偏离度等因素，结合光学器件的性能，可以看出选择1650nm附近的吸收峰作为检测线最为合适。

图1　甲烷吸收谱线

如上图所示，在系统设计时选用1650.9nm吸收谱线进行系统设计，所选择的激光器在0-40℃下的某一温度波下其波长能够覆盖该谱线。利用锯齿波驱动激光器即可使得该激光器的输出波长扫描该谱线。

2. 系统结构及原理

图2　系统结构图

基于激光光谱吸收气体检测技术，设计了激光甲烷传感器，其原理框图如图2所示，激光器由锯齿波驱动电路驱动，并由温控电路控制器波长对准1650.9nm吸收谱线，其发出的光经光分路器分成3束光，其中一束作为没有任何吸收的功率参考信号；另一束光经过透射气室后与光电探测器相连，透射气室中充入高浓度瓦斯气体，该探测信号作为参考信号找到甲烷的吸收谱线所对应的波长。第三束光经传感探头（透射式气室）输出到光电探测器，这样带有瓦斯浓度的信号经转换、滤波、放大后，经A/D转换后的数字信号送入微处理器根据预先设定的算法进行信号处理，数据处理后所得的浓度通过微处理器进行显示和声光报警。

3　交叉干扰数据测试

为了进一步验证煤矿激光甲烷传感器是否受其他气体的影响及影响程度，在常温常压下，选择了煤矿环境中存在普遍存在H2O、CO和CO2进行了气体交叉干扰实验。

3.1H2O交叉干扰实验

影响矿井湿度的因素主要有以下两个方面：季节性影响，冬季地面空气温度低，在矿井进风路线上因温度升高而饱和能力加大，沿途会吸收井巷中的水分，进风巷显得干燥。夏季地面空气温度升高，在空气进入井下后，因气温逐渐降低而饱和能力变小，矿井空气中的一部分水会在支架或井壁上凝结成水珠，因而沿途井巷壁显得潮湿。井下水影响，井下含水量大，有淋水湿度就大。实践证明，井巷内有淋水，能使框内空气湿度增值90%-100%，进风井巷有淋水即使在冬季也是潮湿的。

结合以上调研及实验室现有测试条件，在初步测试实验中，设定温度37度、相对湿度为95%的水蒸气作为初始测试值。随机选取n（n>3）台传感器进行试验，仪器稳定后，在传感器显示值0点进行试验，通入水蒸气，分别在30s、60s和120s的时候记录仪器的显示值。结果如下：

表1　水蒸气对甲烷的干扰测试结果

3.2一氧化碳气体交叉干扰实验

煤矿井下一氧化碳的来源主要有以下几个方面：瓦斯、煤尘爆炸。当瓦斯爆炸发生后，空气中一氧化碳浓度高达2%-4%；当煤尘爆炸发生后，空气中一氧化碳浓度一般为2%-3%，个别高达8%；煤炭的氧化和火灾。当发生煤炭氧化自燃及井下外因火灾时，空气中一氧化碳浓度上升很快。在一般情况下，1kg煤燃烧生成2m3的一氧化碳。同时，用水进行直接灭火时，也会生成大量的一氧化碳；采掘工作面的爆破作业。爆破后会生成大量一氧化碳。经测定，每公斤硝铵炸药爆炸能生成100L-300L一氧化碳。

《煤矿安全规程》中规定矿井空气中一氧化碳的最高允许浓度为0.0024%。煤矿环境用一氧化碳浓度报警器的量程一般为0-1000ppm。结合以上调研和实验室现有标准气体，在初步测试实验中，设定一氧化碳的初始浓度值为1000ppm。随机选取n（n>3）台传感器进行试验，仪器稳定后，在传感器显示值0点进行试验，通入1000ppm的一氧化碳气体，分别在30s、60s和120s的时候记录仪器的显示值。结果如下：

表2　一氧化碳对甲烷的干扰测试结果

3.3二氧化碳气体交叉干扰实验

煤矿井下二氧化碳主要来源有以下几个方面：坑木腐朽变质、煤炭及碳岩层缓慢氧化，这是最主要的来源；煤层中二氧化碳含量高，有时会发生煤（岩）与二氧化碳突出现象，在极短时间内二氧化碳伴随着煤（岩）突然大量突出；采掘工作面的爆破作业，爆破后会生成大量二氧化碳，经测定，每公斤硝铵炸药能生成150L二氧化碳；人的呼吸，一般情况下，人在井下从事劳动时，呼出的二氧化碳量为0.75-0.5L/ min；井下发生瓦斯、煤尘爆炸和火灾事故时也产生大量的二氧化碳。

《煤矿安全规程》中规定，采掘工作面进风流中，二氧化碳浓度不超过0.5%。矿井总回风巷或一翼回风巷中二氧化碳浓度超过0.75%时，必须立即查明原因，进行处理。煤矿环境用二氧化碳浓度报警器的量程一般为0-5%。结合以上调研及实验室现有标准气体，在初步测试实验中，设定二氧化碳的初始浓度值为10%。随机选取n（n>3）台传感器进行试验，仪器稳定后，在传感器显示值0点进行试验，通入10%的二氧化碳气体，分别在30s、60s和120s的时候记录仪器的显示值。结果如下：

表3　二氧化碳对甲烷的干扰测试结果

4　结语

试验结果表明，所涉及的激光甲烷传感器不受煤矿环境中的常见气体水汽、CO和CO2的影响。该传感器能够实现甲烷浓度的快速、准确测量，具有测量精度高、不受气体交叉干扰等优点。对于一些煤矿上存在的H2S、C2H2等气体的交叉干扰还需进一步的验证。此外，由于所采用的补偿方法有待改进，对于环境温度、压力、湿度等的变化对测量结果的影响需要进一步做研究。同时实现利用该方法实现其他气体，如一氧化碳、氧气、乙炔等气体的检测是团队下一步研究的重点。

[1]Reid J， Shewchun J， Garside B， et al. High sensitivity pollution detection employing tunable diode lasers[J]. Applied optics， 1978， 17（2）：300-307

[2]Li Yanfang， Wei Yubin，et al. Fiber laser methane sensor with the function of self-diagnose. Third Asia Pacific Optical Sensors Conference 2012.

[3]叶险峰，汤伟中．CH4气体光纤传感器的研究[J].半导体光电，2000（3）：218-220．

[4]赵燕杰，王昌，刘统玉，等.基于光谱吸收的光纤甲烷监测系统在瓦斯抽采中的应用[J].光谱学与光谱分析， 2010，30 （10）：2857-2859.

[5]李宁.基于可调谐激光吸收光谱技术的气体在线检测及二维分布重建研究[D]，杭州：浙江大学，2008．

[6]张可可，齐勇 等.基于TDLAS一次谐波的甲烷浓度检测系统及温度补偿研究[J]. 山东科学，2014，27（1）：17-21.

（责任编辑：张萌）

Laser Methane Sensor and the Study of Cross Interference Experiments

CHANG Lin1，LI Yanfang2，3，LIU Jia3，ZHANG Tingting3，HU Jie4，WEI Yubin3，LIU Tongyu3
（1. Mining Products Safety Approval and Certification Center，Beijing100013；2. School of Optoelectronics of Beijing Institude of Technology，Beijing 100081；3. Shandong Key Laboratory of Optical Fiber Sensing Technologies， Jinan 250014；4. Shandong micro-sensor Photonics Ltd.，Jinan 250103）

Based on the laser spectrum absorption and the feature of Vertical Cavity Surface Emitting Laser （VCSEL）wavelength scanning range up to dozens of nanometer， the methane sensor system was designed. To verify the characteristic of anti-cross interference， we made some experiments and simply analyze of the empirical data to detect the affects to the measurement results of the gas such as the H2O， CO and CO2. The results prove that the laser methane sensor has the characteristics such as high stability， resistance to gas cross interference etc.

Laser spectrum absorption；Cross interference；Methane detection.

TE-9

A

10.3969/j.issn.1003-8256.2016.03.006

中国煤炭科工集团有限公司青年基金项目（2014QN032）

常琳（1982-），男，安徽安庆人，助理研究员，硕士研究生，安标国家矿用产品安全标志中心，主要研究方向为煤矿安全仪器仪表、通信及监控类产品的技术审查及检验工作。