基于光纤的瓦斯传感器的检测方法

基于光纤的瓦斯传感器的检测方法

摘要院本文首先介绍光纤传感器的类型和特点，并选择了典型的瓦斯传感器结

构进行了模块分析，并预测了光纤瓦斯传感器的发展趋势。

Abstract: The thesis introduces the type and characteristics of Fiber Optic Sensor (FOS), which does module analysis by selectingtypical gas sensor structure, and pedictes the development tendency of Fiber Optic Sensor.关键词院光纤；瓦斯传感器；智能化Key words: fiber；gas sensor；intellectualization中图分类号院TP212

文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2014）06-0025-020 引言瓦斯是煤矿作业

和工业领域极易引起爆炸事故的易燃气体，一旦瓦斯达到临界温度就有可能发展

爆炸和剧烈地燃烧，将会带来人员伤害和经济损失[1，2]。因此，对于瓦斯气体

的浓度检测有着重要的现实意义。而光纤以基信号稳定，不易受到干扰，高速的

优点结合适当的传感器，在瓦斯深度检测和预警应用中发挥了巨大的作用。本文

对基于光颖的瓦斯传感器检测方法进行了分析与讨论。

1 光纤传感器的类型根据光谱吸收原理来获得信号来源，通过入射光线与反

射光线的比值，来测算出瓦斯的浓度。具体示意图如图1 所示。

激光器的脉冲发射脉冲，经过斩波器生成脉冲光，再经过透镜反射入射光纤，传输到气

体感应器。将瓦斯反映最强的光线信号由锁相放大器进行接收处理，根据光线信号的强度变

化来测定瓦斯的浓度大小数值[3]。为了防止因为水气与瓦斯吸收波强度接近而导致的误警和

数值测量不准，激光器的测量波长范围与瓦斯的二次谐振吸收光谱相符。这种传感器容易受

到干扰，尤其是受到气体的干扰最为明显[4]。为了避免这个缺点，现在有的研究者使用了压

电陶瓷来对弱化和受到干扰的气体信号进行处理，同时还解决了原有系统体积过大，成本偏

高的问题。

其工作的原理是根据Lambert 定律：I=I0e-ucl其中I，I0 为吸收后和吸收前射线强度；滋

为吸收系数；L 为介质厚度；C 为介质浓度。根据透射和入射光强之比，可以得知瓦斯的浓度

2 光纤传感器的特点相比较于红外传感器来讲，其的优点是不易受到电磁干扰，安全性高，

不易受到温度、高压的影响，同时还耐腐蚀能力强，在抗爆能力上更是突出，远距离传输信

号失真小，适合在极端条件下进行数据传输[7]。光纤的直径相对较小，而且结实可靠，配合

微型探头，可以将整个传感器实现微型化，降低体积和安装难度。可以进行多点的同时探测，具有很高的测量精度和测量范围，整个系统工作寿命长，并具有较低的成本。对于测量样品

的影响非常小，甚至于没有，是一种非损坏性检测工具[8]。由于光纤传感器具有这些突出的

特点，因此，它非常适合用作检测瓦斯含量这种处于高危险条件下的检测工具。

3 光纤瓦斯传感器应用的结构3.1 传感器的要求由于与高性能的计算机组成了探测系统，光纤传感器可以实现无人值守，长时间的数据采集与存储。以便在危险，例如矿井这样高危

险区域使用。由于配备了大容量的存储器，可以方便企业和研究人员对监控的区域进行科学

分析与会商，更好的配备探测器，和加强工作人员的安全工作。其主要的工作参数如下所示。

测量范围：0 4豫瓦斯浓度，分辨率不低于1豫的甲烷。

信号制式：输出200：LOOOHz 的频率信号，其幅度G3V，正负脉冲宽度逸3ms。

供电范围：传感器在输入电压为DC9~24V 范围内可以正常工作。

声光报警：我远处的声响信号不小于80 分贝，可以修改测量范围内的报警值，报警显示值与设定值的差值不超过0.05豫，响应时间不超过20 秒。

甲烷光纤气体传感器的系统原理图如图2 所示。

光源经过50KHz 的高频正弦波和70Hz 的低频锯齿波叠加后驱动，发出的光在光纤的传

输下进入气室，经气室吸收后出来的光信号被光电二极管(PIN)转换成电信号。

前置放大和高通滤波将微弱的电信号放大，滤除低频锯齿波后，将气体吸收后的50KHz

高频正弦波输入锁相放大器，与两路高频参考信号相乘得到的信号再自乘相加，经低通滤波

电路后，最终得到反映气体浓度信息的二次谐波信号。激光光源、光源驱动、光源恒温、气

室的传感、光电转换锁相滤波和信号处理构成了一个完整的光纤传感器。

3.2 光源探测器电路的工作原理甲烷在波长1665.47nm 处是吸收最强，本研究所选用中

心波长为1665.32nm 的DFB LD 光源。采用高精度的自动温度控制ATC(Automatic Temperature Control）技术和自动功率控制APC(Automatic PowerControl)技术，动态单模特性和线性良好，能够满足光源对谱线窄、功率大、波长及功率稳定性好等实际要求。

3.3 光源的控制部分光源的稳定性是光源控制部分的作用所在。激光器有两部分，即热敏电阴和热电制冷器。

前者的电阴系数一般为负数，与温度成反比的非线笥关系。而热电制冷器，能够自动加

温和降温。它是通过输入直流电压，根据能量，类似空调的原理，保证两端一个为热端，一

个为冷端。通过这种办法，从而控制目标源的温度。

进而使激光器保持恒定的工作温度，使其有稳定的功率输出。信号由气室出来进行光纤

传感器，再由光纤传感器进行光电转换，转换成电信号。由于转换后的信号偏弱，因此要利

用前置的放大电路进行信号放大，避免因为输入背景噪声信号而影响了探测的精度，从而为

后续的处理提供最大的信号与噪声比值。运算放大器是前置放大器的核心，它的频率响应、

开环增益、输入偏置电流、失调电流、失调电压和噪声性能等都影响前置放大器的性能。

3.4 电路部分整个传感器的核心部分是锁相放大器，它的主要功能是控制噪声的对信号的影响，提高有效信号与噪声的比值，保证整个系统的灵敏程度。它可以对基频与倍频信号进

行检测处理。整个控制过程是由计算机进行数据的采集、检测和分析，根据预先设定的软件

程度，来测出瓦斯的浓度数值，并可以自动报警，发出声光电信号。光纤传感与现代化的计

算机处理有机地结合是整个电路突出的特点。这种系统的集成可以将子模块的优势有效地发挥，还能将其整合，起到增益的效果。从而使整个测量系统达到光、机、电一体化，多参数

和多功能。其工作原理是：光信号以正弦波形的运动，进行光纤传输，由锁相放大器转换成

二倍频信号，再由参考频道输入同频的信号，最后由传感器进行解算。

4 光纤瓦斯传感器的发展方向光纤瓦斯传感器以其独有的优势，在瓦斯检测领域发挥着

越来越重大的作用，同时，随着新架构的运用，光纤瓦斯传感器发展也有新的趋势，具体如下。

4.1 采用分布式架构虽然传感器的精度已经达到了相当高的程度，但是只限制在某一个点上进行测量，严重限制了传感器的应用范围，也给系统带来了庞杂的问题。

现在光纤传感器的趋势就是同一个传感器可同时对多点进行测量并保持足够的精度，如

渐逝场泄漏型及染料光谱吸收型传感技术将能大大提高光纤传感器的同时处理能力[9]。

4.2 架构小型化随着技术的进步，瓦斯传感器的体积逐渐变小，多种功能集成为单独的传感单元。但是white提出的White 气室设计方案，利用两个互相传输的镜片，提高了光线传

输的有效距离，在实际应用获得了成功，现在很多光纤传感器都采用了这种技术，也将瓦斯

传感器的架构进一步小型化[10]。

4.3 功能智能化计算机技术的快速发展，芯片的智能化也给促进了瓦斯传感器处理能力更加智能。通过将传感器获取的信息交于计算机进行处理，多核并行处理的计算机可以对信息

进行准确的处理并反映到终端，让管理人员第一时间做好预警和安全处理。并具有一定的自

我处理问题的能力，准确通过预存程序作出不同程度的警报和切断电路，并通知作业人员撤

离危险区。

5 结论光纤的瓦斯传感器检测要根据所处行业的实际要设计，根据现有的检测方法进行

科学的选择。根据功能模块来进行传感器的设计，重点提高检测的精度和使用寿命，还要注

意抗干扰能量，尤其是电磁干扰。在软件上采用标准模块和协议，提高数据传输能力和接口

的扩展性。同时，还要结合新技术的应用，保证经济性和实用性的统一。

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