光纤瓦斯传感器在煤矿瓦斯气体监测中的应用

表ｌ监测数据
监测点
不生产时数值（％）
ｌ
Ｏ．１１７
２
Ｏ，１５６
３
０．２１ｌ
４
０．２３５
５
Ｏ＇３１２
生产时数值（％） ０，２５６ ０．２１５ ０．２９７ ０．３２５ ０．３７３
表２监测数据与真实数据的比较
脏测点
生产时真实数据（％）
ｌ
０．２６２
２
Ｏ．１９５
３
Ｏ．３ｌＯ
４
Ｏ－３２ｌ
５
０．３６５
生产时监测数据（％） ０．２５９ Ｏ．１９６ ０．３０６ Ｏ．３１９ Ｏ＿３６４
于实部，我们可以直接将复数折射率带入波动方程，应用
计算机模拟方法来计算光线传感器对被测气体的灵敏度‘３１。
在被测气体的吸收过程中，不同的气体物质有不同的
吸收峰带，既由分子结构和能量分布的差异各自显示出不
同的吸收谱，它决定了气体光吸收测量法的选择性和鉴别
性，满足气体强度即含量的唯一确定性。光电探测器的输
出表征了被测气体的特性状态，上述构成了光学式气体浓
度测量的理论基础。 ２、光纤瓦斯传感器的特点 由于光纤瓦斯传感器采用光谱吸收或光的折射原理检
测瓦斯气体的浓度，利用光纤传递信号，所以与常规的传 感器相比具有无可比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、 动态范围大、防电磁干扰、超高绝缘、无源性、防燃防爆、 适于远距离遥测、体积小、可灵活柔性挠曲等，很适于在 恶劣和危险环境中应用【４１。
参考文献 ［１】刘广玉．新型传感器技术及应用【Ｍ】．窄航天大学出版社，１９９５．５ 【２】林友德，郭享礼．传感器及其应用技术【Ｍ】．科学技术文献出版 社，１９９２．１ ［３】叶险峰，汤伟中．ＣＨ４气体光纤传感器的研究【Ｊ】．半导体光 电，２０００，２１（６）：２１８．２２０ 【４】吴玉锋．气体传感器研究进展与发展方向【Ｊ】．计算机测量与控 制，２００３，（１０）：２９．３２
Ｉｏｃａｔｉｏｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ；ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ；ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
作者简介： 穆国华，河南省郑州市黄河科技学院高级工程师，研究方 向，传感器技术和电力电子。 通讯地址：河南省郑州市黄河科技学院南校区工学院邮 编：４５００９６ Ｅｍａｉｈ ｍｇｈ＿６０１ １２７＠１６３．ｃｏｒｎ 常静，河南省郑州市黄河科技学院讲师，研究方向：传感器 技术和控制工程。 Ｅｍａｉｈ ｊｉｎｇｚｉ－６０６＠１６３．ｃｏｍ
传感器世界２０１０．１０
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Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｆｅａｔｕｒｅ
现处理问题。光纤瓦斯传感器与监测分站、主站的相互配 合使用，使瓦斯爆炸危险降到最低，最大限度的保障了人 身财产的安全。
四、结语 通过光纤瓦斯传感器在煤矿瓦斯气体监测中的应用实
例，论述了光纤瓦斯气体传感器在煤矿开采安全防护中的 应用效果，它比传统的瓦斯气体传感器更加灵敏、可靠， 尤其在恶劣的环境中这些特点显得更加突出。随着光导纤 维传感技术、材料技术、计算机技术的发展，光纤瓦斯传 感器将在煤炭、化工、石油等领域得到更加广泛的应用。
由表２可知，监测数据的最大相对误差为１．３％，准确 度大于１．５级，满足安防场所对测量的准确度要求。由表１ 可知生产时瓦斯气体浓度升高的数值具有一致性，因为该 矿煤质具有一致性，监测数据可靠【５１。
（２）数据处理及安防措施 监测所得到的信号由支线电缆传输到井下分站，井下 分站可直接得到监测数据，分站本身能独立工作，实现报 警、断电等控制功能。分站把监测数据以及报警、断电情 况传输到干线线缆，数据最终汇总到监测主机。 一旦光纤瓦斯传感器所监测到的甲烷浓度超限，将发 出指令给设备开停传感器和断电器切断工作电源，使采煤 机械无泫运转并发出警报，提醒工作人员尽快撤离，同时 控制局部通风机加大风量待瓦斯浓度正常时方可继续工 作。所得到的相关数据和开停传感器以及断电器的状态全 部由干线电缆汇总到监测主机中，便于统一管理，及时发
三、光纤瓦斯传感器在煤矿瓦斯气体监测中的应用 １、矿井概况
万方数据
２０１０．１０ ＳｅｎｓｏｒＷｏｄｄ ｗｗｗ．ｓｅｎｓｏｒｗｏｆｌｄ．ｃｏｍ，∞
Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｆｅａｔｕｒｅ
特写
平顶山某中型煤矿，矿井瓦斯等级划分为３９勘探线以 东属高瓦斯，３９勘探线以西以低瓦斯为主，局部范围内出 现高瓦斯。根据２００６年８月份的鉴定，全矿井瓦斯相对涌 出量为９．２ｍ３／ｔ，绝对涌｝｝｛量为２６．２９ｍ３／ｍｉｎ；Ｃ０２相对涌出 量为３．１５ｍ３／ｔ，绝对涌出量为９ｍ３／ｍｉｎ。
光通过气体时发生衰减，根据比尔一朗伯定理，输出光强，、输入光强厶和气体浓度之间的关系可表示为：
ｃ：上ｌｎＩ三Ｉ 口。Ｌ ｌ，ｏｊ 式中：Ｃ—气体浓度；
｝一光和气体的作用长度； 口。一摩尔分子吸收系数；
卜输出光强，； Ｊ卜输入光强。
入射光强度与气体浓度表示关系如图ｌ所示。 式（１）表明，如果Ｌ与口。已知， 那么通过检测Ｊｒ和矗就 可测得甲烷气体浓度Ｃ。
Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｆｅａｔｕｒｅ
特写
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摘要把传感器更好地应用在工农业生产和日常生活中的安防领域是避免造成大财产损失和人员伤亡的
必要条件。鉴于此，本文简述了光纤瓦斯气体传感器的基本工作原理，通过光纤瓦斯传感器和Ｋｊ系列井
下监测分站配合使用监测煤矿瓦斯气体的实例对光纤瓦斯传感器的先进性和可靠性进行了论证。Ｋｊ系列
ｅｘａｍｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｊｏｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ蜀ｓｅｒｉｅｓ ｍｏｎｉｔｏｒ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｗｅｌｌ，ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅｄ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ＇ｔｈｅ蜀ｓｅｒｉｅｓ ｍｏｎｉｔｏｒ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ ｉｎ ｗｅｌｌ ｃａｎ ｍｏｎｉｔｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｇａｓ ｉｎ ｗｅｌｌ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｅｎｔｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｏｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｔｏ ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ，ａｌａｒｍ ａｎｄ ｃｏｎｔｒ０１．Ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ １．５ ｇｒａｄｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｆｅｎｓｅ
ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄａｉｌｙ ｌｉｆｅ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｄａｍａｇｅｓ ａｎｄ ｈｕｍａｎ ｃａｓｕａｌｔｉｅｓ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ
ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｂｙ ｔｈｅ
传感器世界２６１０．１０
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Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｆｅａｔｕｒｅ
在光纤传感器设计中，可用复数折射
率Ｋ来描述气体的吸收。设通过气体的入
射平面波为Ｅ０ ｅｘｐ（ｉａｘ），则关于出射光
有：
Ｅ＝Ｅｏ ｅｘｐ（ｉａ）ｔ一肛）
（２）
∥＝Ｋｏ行＝Ｋｏ（肛，一豇ｒ）
（３）
式中：∥一传播常数；
Ｋｏ＝２７ｒ／２；
五一光波长： 胛，、尺一气体折射率的实部和虚部。
百度文库
由式（３）（４）有： Ｅ＝Ｅ０ ｅｘｐ（一ＫｏＫＬ）ｅｘｐｉ（国ｔ—Ｋｏ盯，Ｌ）
（４）
出射光强正比于电场强度模的平方，可写
成：
由此可得：Ｋ…ａｍＣ—ａｍＣ—２ ，＝Ｉｏ ｅｘｐ（－２ＫｏＫＬ）
（５）
（６）
２Ｋ０
４ｉｒ
一般来说，气体的折射率接近于１，虚部折射率Ｋ远小
小误差的产生，传感器接口采用抗干扰设计，以得到相对 准确的监控数据。
３、监测数据与数据处理 （１）监测数据及监测精度
监测数据见表１，本文取监测系统中其中５个监测点进 行分析，这５个监测点有不同的瓦斯气体浓度，表中所列 数据为多次监测数据的平均值。监测数据与真实数据的比 较见表２，表中真实数据由市级环保局所提供的高精度瓦斯 气体测量仪测得，表中监测数据为获得真实数据时的系统 显示值。
二、光纤瓦斯传感器的检测原理及特点 ｌ、光纤瓦斯传感器的检测原理 光纤瓦斯传感器的检测原理有两种，一是利用瓦斯气体的光谱吸收检测浓度，二是利用瓦斯浓度和折射
率的关系用干涉法测折射率检测浓度。常用的是吸收法，现对吸收法检测原理进行简述。 当一束强度为而的平行光射向甲烷和空气的混合气体时，如果光源光谱覆盖一个或多个气体吸收线，
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｇａｓ ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｇａｓ ＭＵ Ｇｕｏ－ｈｕａ，ＣＨＡＮＧ Ｊｉｎｇ
（Ｈｕａｎｇｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｅｎａｎ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５０００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ａｐｐｌｙ ｓｅｎｓｏｒ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｎｄ
煤尘具有爆炸危险性，爆炸指数为１９．０７～２５．５０％，据 ２００６年通风中心对已１５、已１７煤层自燃发火等级鉴定结 果，已１５、已１７煤层属自燃煤层，白燃发火期３～６个月。
该煤矿是高瓦斯矿井，瓦斯涌出苗相对较大，监测线 路长，监测梯度大。
２、技术方案 采用ＬＣ－－－ＯＧＬＤ．ＣＨ４系列光谱吸收性瓦斯气体传感 器。由于整个矿井需要监测的线路太长，不能采用一站式 监测，采用监测主机与检测分站栩结合的方式，监测主机 与监测分站的连接关系如图ｌ所示。监测分站采用Ｋｉ系列 井下监测分站。 Ｋｊ系列井下监测分站可以连续监测矿井下各种 环境参数，直接与光纤瓦斯传感器相连并和系统巾的 地面中心站进行通讯，接收中心站发送的各种命令， 及时将各种参数传送给中心分站。Ｋｊ系列分站本身可 以独．谚监测、发出警报和断电控制信号。矿井的主干 巷道布置干线传输电缆，具体需要监测的线路布置支 线屯缆，主线电缆和干线电缆由监测分站转接。干线 电缆与支线电缆紧密相结合，覆盖整个矿井，为安全 生产提供可靠条件。 Ｋｊ２００７Ｄ１型豁测分站主要作为煤矿安全、生产监测系 统中的一个配套部件，由ＫＤＷ６Ｂ隔爆兼本安电源箱提供 本质安全电源，分站和电源箱组合在一起，在煤矿井下使 用。Ｋｊ２００７Ｄ１井下监测分站可以连续监测煤矿井下各种环 境参数，如：ＣＨ４、ＣＯ、风速等，并和系统中的地面中心 站进行通讯，接收中心站发送的各种命令，及时将各种参 数传送给中心分站。分站本身町以独立监测，发出警报和 断电控制信号。分站和电源箱可以根据安装场所的具体环 境分开使用，平常电源箱的连接电缆，但分站与电源箱连 接电缆的长度不得超过１．５ｍ。于井下分站相连的所有电路 或设备必须是本质安全电路或本质安全犁电器设备，必须 经过安全检验机关检验合格后才能使用。 由于该矿井是高瓦斯矿井，瓦斯涌出量相对较大，在 煤矿开采过程巾瓦斯的涌出量更大，所以在采掘工作面、 风巷、机巷等容易］６ｌ＝斯突出的地点安放光纤瓦斯传感器， 光纤瓦斯传感器与布置在此的支线电缆相连接，为尽量减
》◆
穆国华常静
一、引言 瓦斯气体浓度的检测在煤炭、化工、石油等领域——尤其在矿物质的开采中极为重要。瓦斯气体是一种
可燃、可爆性气体，其爆炸上限为１６％，下限为５％，当瓦斯浓度为９。５％时，其爆炸威力最大，瓦斯爆炸 所引发的事故在矿山开采历史上造成了极大的危害。煤矿安全规程规定瓦斯浓度超过１．５％就算事故并要追 查事故原斟¨。鉴于此，很久以来各国科学工作者对瓦斯浓度的测量作了不懈的努力，现已研制出的干式、 湿式气敏元件、热电阻瓦斯传感器、半导体气敏元件等都在瓦斯浓度检测中起到了良好的作用，大大降低了 瓦斯事故发生率。近几年来，光导纤维传感技术在世界上逐渐兴起，基于此技术的光纤瓦斯传感器具有一些 常规传感器无可比拟的优点，得到越来越广泛的广泛重视【２１。
井下监测分站和光纤瓦斯传感器一起连续监测矿井下的瓦斯气体浓度，和系统中的地面中心站进行通讯
完成监测、警报和控制功能，监测数据的准确度大于１．５级，满足安防场所对测量的准确度要求。
关键词：光纤；瓦斯气体传感器；可靠性关键词：光纤；瓦斯气体传感器；可靠性
中图分类号：ＴＰ２１ ２．１ ４
文献标识码：Ｂ
文章编号：１ ００６—８８３Ｘ（２０１ ｏ）１ ０－００２４一０３