基于光谱吸收激光式甲烷传感器

我国煤矿现有的甲烷传感器主要分为： 催化元 件式（ 热催化式） 、电化学式、光干涉式及红外式，目
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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（ 第 44 卷第 1 期）
设计·开发
前煤矿所使用最多的传感器为热催化式甲烷传感 器，催化元件式（ 热催化式） 采用表面热催化原理， 利用瓦斯在催化元件表面无焰燃生热量，由测温元 件测量温度的变化，从而得到甲烷浓度，但是催化元 件温度升高易使表面的催化剂挥发和烧结，造成零 点漂、灵敏度低、使用寿命短等问题，需定期进行调 零和校正灵敏度等维护。特别是当瓦斯浓度超过 5． 0% 时，元件表面温度可能达 800 ～ 1 000 ℃ ，致使 元件本身成为一个引爆源，具有潜在的危险性。而 光干涉式及红外式虽然测量精度高，但是响应时间 慢、功耗大并且会受到其它气体的影响［1］。
通过改变结区温度或注入电流等方式来调制半 导体激光器的输出光频率，温度调制特点为范围大、 精度低、速度慢； 而电流调制特点为范围小、精度高、 速度快。
调制信号的选择根据具体使用所选择的频率不 同，一般情况下三角波的频率为 10 Hz，正弦波为 20 kHz。将激光器的工作温度控制在 25 ℃ ，这样可以 使激光器的工作温度与室温保持平衡，降低了通过 控制激光器工作温度而消耗的功耗。电流的扫描范 围为： 35 ～ 75 mA，这样在 55 mA 处可以控制激光器 发出 1 653． 7 nm 的激光波长，此波长可达到近红外 甲烷气体吸收最好的效果。通过 TDLAS 可调谐技 术将激光器光源所发出的激光波长控制在 1 653 nm 左右，当甲烷气体通过气室后激光光线会被甲烷气 体所吸收，根据 Beer － Lambert 定律分析光电探测器 所接收到的光电信号就可以判断出甲烷气体的浓 度，从而检测出甲烷浓度是否在安全范围之内，如果
超出安全规定进行报警处理。激光器输出的光功率
与频率无关，这样假设调制信号对 I0 （ v） 没有影响， 半导体激光器的输出光频率可表示为：
v（ t） = v0 + δvcos（ ωt）
（ 1）
式中： v0 为调制的中心频率； δv 为频率调制幅
度。经过甲烷气体吸收后，输入光功率和输出光功
率的关系符合 Beer － Lambert 定律：
PAN Ya － nan （ Shenyang Branch of China Coal Research Institute，Fushun 113122，China） Abstract： Aiming at defects of " high concentrations of poisoning" ，zero drift，slow response times，the short life affected by the high temperature and humidity and other gases，under the premise of the growing maturity of the near － infrared spectral control technology， this paper presents a laser methane sensor based on spectral absorption principle． The laser methane sensor can timely and accurate detect methane gas source，concentration，which has a very important significance for coal mine safety production． Key words： spectrum absorption； laser； detection harmonic
1 激光式甲烷传感器的检测原理
激光式甲烷传感器的设计原理采用可调谐激光 光谱吸收检测方法（ TDLAS） ，采用 DFB 激光器作为 光源，用一个正弦波调制信号叠加一个三角波信号 的电流来驱动 DFB 激光器［2］。
利用可调谐光源 + 谐波吸收的方法对甲烷气体 的浓度进行检测。谐波检测法是在强干涉噪声中提 取微小信号并且提高检测灵敏度的最有效的方法之 一，其检测原理是当激光器发出的波长在甲烷气体 某一吸收峰附近时，通过温控调节和电流调制将激 光器发出的波长控制在相对应的甲烷气体吸收峰 处，然后加入正弦波和三角波叠加后的调制信号对 激光波长进行调制，通过锁相放大技术来检测由于 甲烷气体浓度变化而引起的二次谐波信号，从而达 到对甲烷气体浓度检测的目的［3］。
近似为： I（ λ） = sIo（ λ） （ 1 － δ（ λ） c L） ，则以 CH4 在
1 653 nm 处为例，保证 4． 0% 浓度以下气体探测符
设计·开发
（ 2013 － 01）
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基于光谱吸收激光式甲烷传感器
潘雅楠
（ 煤炭科学研究总院 沈阳研究院，辽宁 抚顺 113122）
摘 要： 针对甲烷传感器存在的“高浓度中毒”、零点漂移、响应时间慢、受高温高湿及其他气体
影响使用寿命短等缺陷，在近红外光谱控制技术日益成熟的前提下，提出了一种基于光谱吸收原
I（ λ） = sIo（ λ） exp（ － δ（ λ） c L）
（ 2）
式中： I（ λ） 为光电探测器接收的光功率； Io （ λ）
为半导体激光器输出的光功率； s 为光收集效率； δ
（ λ） 则表示在波长 λ 处的分子吸收系数，c 即为吸
收物质的浓度，L 为气体吸收光路强度。
当 δ（ λ） cL≤1 时 Beer － Lambert 定律公式可以
理的激光式甲烷传感器，传感器能够及时、准确地检测瓦斯气体的产生源、浓度，对于煤矿安全生
产有着十分重要的意义。
关键词： 光谱吸收； 激光； 谐波检测
中图分类号： TD 676
文献标志码： B
文章编号： 1003 － 496X（ 2013） 01 － 0099 － 03
The Laser － type Methane Sensor Based on the Spectral Absorption