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红外瓦斯传感器在小煤矿应用可行性分析 　　【摘要】红外瓦斯传感器以其测量精度高，稳定性好的特点，通过对红外检测原理的详细分析，并结合小煤矿使用的实际情况，分析出红外瓦斯传感器能够在小煤矿应用是可行的。 　　【关键词】小煤矿；红外吸收；瓦斯传感器 　　1.引言 　　瓦斯传感器作为煤矿安全监测系统和设备中的关键设备，它肩负着检测矿井瓦斯浓度的重任，也作为矿井瓦斯综合治理和灾害预测数据的提供者。 　　煤矿井下常用的瓦斯传感器，按检测原理分类可分为催化燃烧式、红外吸收式、光纤式、半导体气敏法、和光干涉法等，其中固定式瓦斯传感器煤矿应用最主要就是催化燃式型和红外吸收式。其中催化燃烧式占到整个瓦斯传感器用量的95%以上。红外瓦斯传感器随着国家政策的引导在煤矿上也逐步的进行了应用。 　　本文主要从重点分析红外瓦斯传感器工作原理、对比分析各类瓦斯传感器的优缺点、分析小煤矿应用的实际情况，最后总结分析了红外瓦斯传感器在小煤矿推广的可行性。 　　2.红外瓦斯传感器的工作原理 　　2.1 红外吸收型原理 　　红外吸收型的全称是红外光谱吸收型[1][2]，是通过检测气体透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度的方法。该方法的基础是每种气体分子都有自己的吸收（或辐射）谱特征，只有当光源的发射谱与气体吸收谱重叠时才会发生吸收现象，吸收后的发射谱光强将发生变化，因而具有高度的选择特性。当一束红外光通过充有气体的气室时，如果红外光光谱恰好覆盖一个气体吸收线，那么部分光就能被该气体吸收并转化为分子振动和能量，使红外光的光强发生相应的衰减。根据朗伯-比尔（Beer-Lambert）定律[2]，即可推算出气室中气体的浓度。 　　I（）=I0（）e-KCL （2.1） 　　式2.1中：I（）为红外光被气体吸收后的能量； 　　I0（）为红外光的初始能量； 　　K为与气体及红外光波长有关的常数； 　　C为被测气体的浓度； 　　L为红外光透过的气体层厚度。 　　2.2 红外瓦斯传感器的组成 　　红外瓦斯传感器主要由光学部分和电气部分组成，如图2.1所示[3]。从其传感器组成中可以看到其主体电气处理部分和传统???感器类似，矿方相关人员容易理解和接受，便于传感器的日常管理与维护。 　　图2.1 红外吸收瓦斯传感器组成图 　　图2.2 红外检测元件结构示意图 　　2.3 红外检测元件组成 　　红外检测元件一般包括红外光源、采样气室、滤光片和红外探测器四部分[4]。为了减小红外光源的背景干扰，一般采用两路信号的结构，一路作为测量信号，一路作为参考信号，如图2.2所示。 　　2.4 红外光源 　　为了最终得到有效的测量信号，红外光源在气体强烈吸收红外辐射的波段处应具有较高的辐射能量，也就是说，它必须提供测量所需的足够的光强。目前，一些中红外区域的大功率红外线发射管其价格偏高，所以红外气体检测元件一般采用以钨丝为灯丝的白炽灯作为红外光源。 　　2.5 红外滤光片 　　红外光源发出的光覆盖很宽的频谱，光源发出的光被气体吸收以后，到达探测器的时会包含多个气体的吸收谱线。 　　为了确保传感器对甲烷气体的高选择性，防止混合气体的干扰，须将其他气体的吸收线滤除。采取的方法是，将气体吸收后的透射光通过以甲烷气体特征吸收波长为中心波长的红外滤光片（选取3.39μm），使该波段内的红外辐射得以通过到达探测器，而其他波段的光强受到抑制无法通过。探测器检测到的即为甲烷气体特征吸收线处的光强。参考光路使用的红外滤光片的中心波长选在绝大多数气体都不会涉及的波段，通常在选取4.0μm附近波长。其示意图如图2.3所示。由此可以看到红外检测元件的气体选择性较好，不受其它气体的影响。 　　图2.3 气体吸收峰示意图 　　2.6 红外探测器 　　透过滤波片的光能量需转换成电信号才能用于处理，而这一过程是通过红外探测器来完成的，探测器的光敏层由锂、钽酸盐单一晶体化合物组成的薄板电容器组成，锂钽是一种热电晶体，当它被加热时便反向承载[5]。如图2.4所示，描述的是红外辐射线变成为电信号的过程，通过一个窗口或红外过滤器，传输率t的射线到达热点元件，该射线被吸收并在热电装置中产生一个温度△T。由热向电的转化取决于△T的变化和电极的承载密度，这之后伴随着电信号的转化△U。 　　图2.4 红外光转换成电信号的过程示意图 　　通过探测器的工作过程，了解到红外探测器影响着整个红外检测元件的测量精度和响应时间，而探测器对光子强度反应灵敏度高，其测量分辨率也较高，这就决定了红外检测元件具有较高测量精度和较快的响应时间。 　　2.7 光学检测元件工作原理 　　目前光学检测元件基本都采用的是国外进口检测元件（以英国E2V公司生产的IR12GJ为例），其元件都采用的是双探测器