Techniques of Automation &Applications
苟怡1,2
（1.中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037）
摘
要：针对目前煤矿及管廊等甲烷传感器多采用热催化、红外原理进行检测，需人工定期校准问题，设计一种光纤光谱吸收方式进
行甲烷检测系统。该系统基于Beer-Lambert 定律，选择波1653.7nm 的DFB 激光器作为光源，利用光纤耦合器将光源引入测量气室和参比气室，采用参比气室的检测信号实时对系统进行精度校准，创新性研制成功一种自调校式甲烷浓度检测系统。试验表明该系统研制的传感器无需人工标定，在连续工作达180d，测量标准浓度76.5%vol，室温状态下测量误差为±5%。基于该技术进行测量气室阵列扩展，可实现多达64个测量气室阵列，测量气室部分无源，本征安全，特别适用于煤矿瓦斯抽放管道计量、城市管廊燃气仓等防爆区域扩展应用。 关键词：自调校式；分束器；光谱吸收；甲烷浓度；参比气室；测量气室中图分类号:TP274+.5
文献标志码:A
文章编号:1003-7241(2019)05-0125-04
Study on Optical Fiber Spectral Absorption Methane
Detection System and Self Calibrated Method
GOU Yi 1,2
层压钢板(1.Chongqing Research Institute of China Coal Technology &Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 400039China ；
2.National Key Lab for Gas Disaster monitoring and Emergency Technology,Chongqing 400037China )
Abstract:A self-adjusting methane concentration detection system is developed by using the real-time detection signal of reference
gas chamber to calibrate the accuracy of the system.Experiments show that the sensor developed by this system does not need manual calibration.It can work continuously for 180days,measure the standard concentration 76.5%vol,and the measurement error is (+)5%at room temperature.Based on this technology,64measuring chamber arrays can be real-ized.The measuring chambers are partly passive and intrinsically safe.It is especially suitable for expanding the applica-tion of explosion-proof areas such as coal mine gas drainage pipeline metering and city gas bunker.
Key words:self calibrating type;beam splitter;spectral absorption;methane concentration;reference gas chamber;measuring gas chamber
继电器延时电路
*基金项目:2017年重庆市社会事业与民生保障专项一般项目(编号cstc2017shmsA0603);2017年中煤科工集团科技创新基金项目(编号2017ZD005)
收稿日期:2018-05-08
1引言
目前甲烷气体探测器多采用催化燃烧、红外原理可燃气体报警器。催化燃烧可燃气体报警器反应需要氧气参与，易受温、湿度、硫化物等恶劣现场环境影响，并存催化剂中毒风险[1]；使用一段时间后容易出现零点漂移、灵
敏度下降，导致需要频繁人为校正(煤矿安全规程规定为7天)；催化燃烧传感元件寿命短,1～2年后即需更换。因此在实际应用中，大量的甲烷气体探测器导致系统安装、维护工作量大，系统运行可靠性差，无法达到监测报警需求和使用。红外原理的甲烷传感器需人工校准，光谱吸收带宽覆盖多种气体，具有易受水汽影响等问题；实际应用中，现场环境内有害腐蚀性气体的影响，现场安装的传
感检测设备易中毒或红外探测器腐蚀损坏，降低了设备的精度和使用寿命，为满足煤矿、城市管廊以及下水道等恶劣场所需求，设计一种长期稳定可靠的无需人工校准
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的可在线气体检测装置是很有必要的。
近几年国内外基于可调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术甲烷气体传感是高校、科研院所机构研究的热点，取得了丰硕的研究成果。相关文献主要针对激光甲烷检测系统的原理、浓度解调方法以及多通道进行扩展方法进行研究[2]。在实际工程环境应用中，由于测点布置范围大、数量多，均未提出一种免调教方法。本文提出一种基于光纤传感技术的自调校甲烷浓度监测系统，并采用参比气室的检测信号实时对系统进行精度校准，同时引入测量气室校正编码数据库，创新性研制成功一种自调校式甲烷浓度检测系统，以消除光源衰减变化、测量气室光程离散造成对甲烷检测精度影响。
2光纤光谱吸收甲烷检测原理
激光甲烷在线分析仪采用国际上先进的可调谐光谱吸收技术，利用半导体激光器光频率随温度和电流可调的特性，对待测气体浓度等参数进行定量检测。光波频率为T 的单频激光束通过光程为L、压力为P、温度为T 和浓度为X 的待测气体，待测气体对激光能量的吸收满足Beer-Lambert 定律，该表达式为[3]
：
(1)
其中,I 0和I 分别是入射和透射光强度；线性函数Ф决定被测气体吸收谱线的形状；谱线的线强S(T)是T的函数。
通过注入正弦波电流，激光器出射光波频率受到调
制，瞬时光波频率为：
(2)
其中,δ为调制幅度,ω为调制角频率。激光光强用
I(v)的余弦傅里叶级数表示为：
(3)
其中每个谐波分量均可以通过锁相放大器得到:
(4)
由上式可知，当n=2时，透射光强的二次谐波分量A 2(v)与气体浓度X 成一一对应的正比关系[3]。
3自调校式甲烷浓度系统设计
基于Lambert-Beer 定律的激光气体吸收光谱技术，目前检测系统中的激光光源主要选用成本低的的分布反馈式半导体激光器(DFB)，该型激光光源输出光功率大、波长稳定性高。分布反馈式半导体激光器需采用TEC 温
度控制使激光器内部增益介质的工作温度恒定，保证激光器输出光功率和光频率的稳定性。激光甲烷传感技术主要采用差分吸收法和二次谐波检测法[4-5]，本系统将二次谐波检测法实现激光甲烷浓度检测。激光传感器系统结构如图1所示。系统主要包括MCU、DFB 激光器模块、温控电路、激光器驱动电路、光分路器、测量气室、参比气室、光电转换电路、谐波检测电路、显示电路及报警电路组成等。
图1激光甲烷检测系统原理框图
4参比气室自调校方法
甲烷吸收特征参数间接法，是通过密封恒定浓度的甲烷参比气室实现的，参比气室如图2所示。由于参比气室中封存有特定浓度的甲烷气体，经过参考气室的激光光束一直都会包含有对应的气体吸收峰。通过检测吸收信号的波形即可判断气体吸收峰是否处于激光扫频波长范围的中心位置，进而判断
激光输出的中心波长是否发生漂移。因此，通过检测参比气室光路吸收波形的吸收中心位置，与设定中心位置的偏差，再通过相应的软件控制算法和温度控制芯片结合的方法实现对激光器内部温控温度进行调节，从而达到对激光器输出波长中心进行实时调节，实现对波长漂移的调节和补偿。
图2甲烷参比气室
系统仿真测试平台采用LabVIEW 模拟，将甲烷参考气室接入测试平台，进行甲烷吸收特性测试。通过平台同步采集数据卡，获得的参考气室甲烷吸收波形如图3所示。AD 同步数据采集数据点设定为2000，采样时间间隔为通过设定的恒定的调制驱动电流对应激光器的输出波长范围确保在(1652.00～1653.80)nm
变压器防盗器范围内波动。
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图3AD 采集的参考气室甲烷吸收信号
该仿真测试平台如下图4所示。
1-气室2-光耦合器3-LabVIEW 仿真平台4-光电探测模块5-数据采集卡6-光开关
7-DFB 激光器8-激光器控制器
图4系统仿真测试平台实物图
将解调后的信号输入到多路高速同步AD 采样电路中，实现模拟信号的同步采样数字化转换；将各光路的数据送入到MCU 算法模块中，实现各光路浓度信号的一次谐波和二次谐波解调，如图5所示。其中，一次谐波信号幅值主要由光强调制产生，其幅值与光源的平均输出功率成正线性关系；二次谐波信号量主要表征测量气体浓度信号强度。将各测量光路的对应的二次谐波和一次谐波输入到MCU 中，进行后续的比值处理和线性化处理
后，即可获得各测量气室的被测特征气体的浓度值。
5系统稳定性测试及测量气室阵列扩展
单点传感器的工作稳定性描述了长时间运行后系统的性能好坏。测试方法如下：把已校准的传感器放置在室温环境(25℃)空气中运行，测量气室采用恒定浓度的参比气室代替，连续测量180d 自动记录数据，设置超误差上下限报警浓度值(报警上限80.33%，报警下限72.68%)，在该试验期间内，系统未发生超限报警，测量值
相对误差不超过±5%，判定合格，测点数据如图6所示。
光纤通信波分复用技术的基本原理[6]是多对光纤共用一条光缆，同一个波长的光信号在不同的空间内得到重复利用。结合空分复用的技术特点，在多点气体检测系统中，一方面可通过控制选通光开关对多个测点选址的，实现多点检测[7-8]；另一方面，可通过分光器件将信号
光分为多个通道，每个通道单独测量，测量气室阵列结构，如图7所示。空分复用的优点是空间选址结构简单，复用的测点数量由激光器能量及光路损耗决定，可实现大量测点的复用。
为测试所设计的分布式多点激光甲烷检测系统的性能，在实验室搭建了一套64个测点(其中气室1为参比气室)，系统中各个测点采用并联形式，相互独立，同步检测，前期的测试中默认测量气室光程一致，但实际应用多个
点发现由于气室光程离散造成对甲烷检测精度影响，测
图5
系统驱动信号及信号提取
图6
单点传感器系统试验测试曲线图
图7
测量气室阵列结构
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量误差超过±5%要求，后续在测试软件中引入气室光程系数，每件测量气室在实验室标定唯一的光程系数，该系数用来补偿由于光程误差造成的测量误差，并建立补偿数据库，与单点传感器系统同时段分别截取5#、15#两个测点数据如图8、图9所示。实验室测试各测点之间的性能与单点传感器数据基本一致。
p2p网络电视录像专家6结束语
设计一种自调校功能的光纤光谱吸收式甲烷检测系统。利用光纤耦合器将光源引入一个或多个测量气室和参比气室，提出采用参比气室的检测信号实时对系统进行精度校准，创新性研制成功一种自调校式甲烷浓度检测系统。试验表明该系统研制的传感器无需人工标定，在连续工作达180d，测量标准浓度76.5%vol，室温状态下测量误差不超过±5%。基于该技术进行测量气室阵列
扩展实现多达64个测量气室阵列，同步检测，并针对气室光程离散造成对甲烷检测精度影响，在测试软件中引入气室光程系数用来补偿由于光程误差造成的测量误差，并建立补偿数据库，实验室测试各测点之间的性能与单点传感器数据基本一致。该技术研制的系统中测量气室部分无源，本征安全，特别适用于煤矿瓦斯抽放管道计量、城市管廊燃气仓等防爆区域扩展应用。
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[8]谭玖，王洪海.甲烷多通道远程无源光纤传感检测系统
[J].仪表技术与传感器,2013(4):59-61.
图8测量气室阵列5#测点试验测试曲线图
图9测量气室阵列15#测点试验测试曲线图
作者简介：苟怡(1977-)，女，硕士研究生，高级工程师，主要从事科研项目管理工作。
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作者简介：赵勇(1997-)，男，本科，研究方向：电气工程及其自动化研究。
通讯作者：周宏威(1982-)，男，高级工程师，博士，主要从事电磁场计算、智能控制研究。
计算机工程与应用,2001(15):168-172.
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