提高CO 传感器灵敏度的优化设计分析

刘瑞瑞

（晋能控股集团四老沟矿信息中心， 山西 大同 037036）

引言

我国具有大量的煤矿进行地下煤层的开采，在煤炭的开采过程中，由于井下的爆破作业及煤层的缓慢氧化等，会产生一定的CO 气体。CO 气体无色无味，不易察觉，当超过一定浓度时存在着爆炸的危险[1]，且对井下工作人员的健康造成威胁，是煤矿开采过程中的安全隐患。在井下作业中，采用CO 传感器对井下的CO 气体进行浓度检测是保证煤矿安全必不可少的环节[2]。在进行井下的CO 气体检测中，传感器的形式多样，在使用过程中存在着传感器系统的体积过大、灵敏度不足的问题，对矿井中的CO 气体检测精度不足，针对这一问题，采用光声光谱技术进行CO传感器的设计[3]，利用检测系统的灵敏度与CO 气体的吸收线强度关系提高传感器检测的灵敏度，从而提高对矿井CO 气体的检测精度，及时有效地掌握矿井的CO 气体浓度[4]，从而采取针对性的措施，保证煤矿的安全开采。

1 光声光谱CO 传感器的设计

为保证检测系统的灵敏度，采用六氟化硫（SF6）气体代替空气作为反应环境。六氟化硫作为绝缘介质材料，具有强电负性的特点，绝缘强度是空气的2.5倍，能保证传感系统的检测精度[5]，在电气设备中具有广泛的应用。采用光声光谱技术对CO 气体的浓度进行检测，对CO 气体的吸收特性进行分析[6]，CO 气体的红外波长具有 1.56 μm、2.33 μm 及 4.7 μm 三个较强的吸收带，SF6气体在10～17 μm 内的吸收性较好。为提高检测系统的灵敏度，应选择4.7 μm 的基频作为探测波长进行设计，但在4.7 μm 的波长时SF6气体的浓度较大时会对其他气体衍生物的探测造成影响[7]，影响对CO 气体浓度的检测。

对CO 气体及SF6进行混合测定红外吸收光谱，得到如图1 所示的红外吸收谱线分布。从图1 中可以看出，在波长大于3.3 μm 的区域内，SF6气体具有较强的吸收谱线，在4.7 μm 时SF6气体浓度的变化会对光声信号的强弱造成影响[8]，从而影响对CO 气体的检测精度。由此针对CO 气体的红外吸收光谱，选择2.33 μm 作为检测目标的吸收线波长，此时的SF6气体对CO 气体的吸收没有影响，从而可以提高检测系统的灵敏度。

图1 CO 与SF6 气体的吸收光谱分布

采用单模的DFB 激光器作为激励光源，建立CO气体传感器的检测系统如图2 所示。采用纯净的SF6气体与一定配比后的CO/SF6气体进行混合后输入到配气系统中[9]，在系统的进气口及出气口采用压力控制器及针阀控制系统的压强及气体流速，保证检测环境的稳定。光声池采用光学的谐振室、光学窗口及缓冲室构成，在谐振室的中间位置带有小孔，安装灵敏度较高的麦克风进行光声信号的采集[10]。采用DFB激光器进行激光信号的发射，没有激励激光发生时，由于光声池的对称结构设置，此时检测到的气流及环境噪声等一致，当有激励激光产生时，采用差分电路的形式降低系统的噪声影响进行CO 气体浓度的检测。

图2 CO 气体传感器检测系统示意图

DFB 激光器采用台式温度控制器进行控制，设定采样的温度为29 ℃，通过电流驱动器进行激励激光的电流控制[11]，信号发生器发出标准的锯齿波信号及正弦信号，并通过加法器后由电流驱动器进行扫描激光信号的波长，经过DFB 激光器输出的激光通过光纤准直器的校正输入到光声池中，此时的激光信号经过准直后直径为7.3 mm，可以保证与光声池无接触通过光声池。

对CO 气体进行浓度检测，在检测过程中传感器的响应时间对于检测结果的精度及准确性也具有重要的影响。响应时间指CO 气体浓度变化时，检测到气体到达到信号稳定幅值的90%所需的时间，在煤矿井下的CO 气体浓度变化过程中，响应时间越小对于检测的灵敏度及精度越有利[12]。在CO 气体的检测系统中，气体与池壁之间的吸附过程较快，其吸附的时间可以不计，对检测响应时间造成影响的主要是传感器系统的换气时间。换气时间的长短主要与气体的气流速度及光声池的体积相关，在设计好的光声池中，为缩短换气时间，可通过增加气流速度的形式减小传感器的响应时间。在CO 传感器中，光声池的噪声会随气体流速的增加而增加，不能单纯地提高气流的速度，为此将光声池的换气通道改为双通道的结构，对气流的噪声进行抑制的同时提高传感器的响应时间，进一步优化提高传感器的灵敏度。

2 光声光谱CO 传感器的性能评估

对所设计的传感器进行性能评估，在所设计的传感器系统中将不同浓度的CO/SF6气体注入到光声池中，在系统的光声信号输出值稳定后，记录100 s 时光声信号的幅值进行传感器灵敏度的测定。在CO/SF6气体体积分数不同时，光声信号的幅值响应如图3 所示。从图3 中可以看出，在不同的气体体积分数下的光声信号值不同，在50×10-6体积分数时，信号幅值为19.6 μV；经计算得到在1 s 内传感器检测的灵敏度为1.85×10-6体积分数，灵敏度达到10-6，传感器的灵敏度较高，可以大幅提高煤矿CO 气体检测的灵敏度特性。

图3 不同气体浓度检测的光声信号响应值

为保证传感器检测数据的准确性，对传感器的响应线性度进行分析，同样将不同浓度的CO/SF6气体注入到光声池中，在系统的光声信号输出值稳定后，对所产生的幅值最大值进行记录，得到在CO/SF6气体体积分数不同时，光声信号的幅值响应线性度如图4 所示。从图4 中可以看出，对传感器的响应线性度进行拟合得到其R2值为0.999 7，表明传感器的线性响应性能优异，保证了煤矿使用测量结果的准确性。

图4 CO 传感器线性响应度分布

3 结语

煤矿井下的开采过程中会产生CO 气体，对煤矿的安全开采造成影响，需采用CO 气体传感器对井下的CO 气体浓度进行实时的检测，保证煤矿的安全。针对CO 气体传感器的检测灵敏度不足的问题，采用光声光谱技术对CO 气体传感器进行优化设计。采用SF6惰性气体搭建CO 气体检测的绝缘环境，并选择2.33 μm 作为检测的波长，通过DFB 激光发生器作为激励光源，对CO 气体的浓度进行检测，并采用双通道的光声池结构提高传感器检测的响应时间，保证检测的精度。对所设计的CO 气体传感器进行性能检测，灵敏度达到10-6，传感器的灵敏度较高，且具有较高的线性响应度，保证了对井下CO 气体检测的准确性，为煤矿的安全开采提供保障。