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煤矿瓦斯气体的近红外激光检测技术及研究.pdf
煤矿瓦斯气体的近红外激光检测技术及研究*
尹慧敏韩晓冰
(西安科技大学通信与信息工程学院。西安710054)
摘要基于气体在其特征吸收波长下光的吸收随浓度变化的机理,通过对甲烷气体吸收
光谱的分析,建立了谐波检测的数学模型,提出了一种光谱吸收武甲烷气体检测系统。该系统
波长响应范围为1,0—2,鲰帅的高灵敏度、低噪声的PbS前王放大光电探测器。通过光源调制实
现气体浓度的谐姨检测,利用锁相放大器对传输信号进行二次谐波检测及噪声滤除,利用一次
’谐波与二次谐、嵌的比值来消除由光源的不稳定等圆素所弓l起的检测误差。研究表明。灵敏度、
精确度和稳定性等性能指标均可满足甲烷气体检测的要求。
关键词 甲烷;LD;LED;气体传感器;谐波检测;信号处理
瓦斯是煤矿开采的伴生物,为煤矿灾害物之首,对煤矿安全生产威胁最大。它的主要成
分甲烷(c吼)比空气轻,常聚集在巷道上方,当其在空气中的含量高时可降低氧含量,引起
窒息;它具有爆炸性,爆炸浓度一般为5%一16%。因此,研制甲烷气体检测系统已成为气
体检测领域的一个重要课题和研究方向[1J。
1红外光谱吸收型甲烷检测原理
1.1传感机理
光源发出的光经耦台器耦合进入探测气室。每一种气体都有特征的吸收谱,其吸收强度
与该气体的浓度有关,通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度[2】。
当一束光强为10平行光通过待测气体时,如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收谱
线,则光通过气体时发生衰减。根据比尔一朗伯特定律,出射光强,与入射光强,o和气体
的体积分数之间的关系为式
f=f0唧[一口(p)吐] (1)
式中,a(v)为气体吸收系数;L为吸收路径的长度;c为气体的浓度。对式(1)进行变换可得:
(2)
从式(2)可知,如果£、n(口)、已知,那么通过检测,、厶就可以得到气体的体积分数c。
1.2光源霞光源波长的选择
-陕西省教育厅专项科研计划项目。
作者简介:尹慧敏.1982年出生,女,山西长治人。西安科技大学通信与信R,T程学院在读硕士研究生。主要从事
光电检测技术及光纤传感器方面的研究工作aE一蛳d:哪—·—衄0163.o岫b
感器的研究主要集中在近红外波段,考察气体在近红外区的泛频带或联合带的吸收情况。虽
然这些吸收峰比红外波段的基本吸收峰要弱得多,但目前长距离大容量石英光纤仅在I.1—
1.7tma的近红外区有低损耗、低色散特性[4],这就要求光源的波段最好可以包含近红外区。
本系统中,采用两种窄带光源交替检测的方法。主测量光源为半导体激光二极管(ID).
须与被测气体的吸收谱线严格匹配。另一光源为发光二极管(LED),具有寿命长、体积小、
在光纤的低损耗窗口范围内,也与甲烷的泛频带和联合带的吸收谱线相一致。最终可以通过
LD和LED的光强变化分别测得两组数据。
1.3气体浓度的捡测
1.3.1 LD发射光的检测
通过对光源的注入电流进行正弦波凋制,光源频率和输出光强也受到相应的调制。
v=vo+vmsinwt (3)
,o(f)=to(1+rlsinwt) (4)
式中,vo为光源未经调制时的中心频率;。。为频率调制幅度;”=2盯,f为电流调制频率;
目为光强调制系数。将式(3)、(4)带人式(1)得:
(5)
在近红外波段,气体的吸收系数很小,满足a(v)cLl,这样就可以运用近似公式:
exp[一口(v)正]=1一口(p)cL (6)
这时,(t)可近似为:
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