分布式激光甲烷检测系统振动干扰诊断与辨识.pdf

第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 ; 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重 庆 400037 摘要 为消除外界振动对分布式激光甲检测系统的影响， 在分析振动对光纟千物理特性及甲检测的影 响、 振动波形频率特征的基础上， 提出一种基于实时采样信号和设定频率信号的振动波形辨识算法。该算法 通过傅里叶变换、 互相关运算、 最大相似系数判定和甲烷浓度解算等步骤， 有效识别出不同频率的外界振动 波形， 进而可准确删除振动波形， 消除外界振动对甲烷浓度测量值的影响。实验室测试及工业性测试结果表 明， 该算法能有效识别出不同频率的振动干扰， 避免振动信号引入的测量误差。 关键词 分布式激光甲烷检测；点式激光甲烷传感器； 激光自稳频；甲烷浓度测量；振动干扰；振动波 形辨识 中图分类号TD712 文献标志码A 网络出版地址 Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180717. 1630. 005. html Diagnosis and recognition of vibration interference in distributed laser methane detection system GUO Qinghua1’ 2 1.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China; 2. State Key Laboratory for Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology’ Chongqing 400037, China Abstract In order to eliminate influences of external vibration on distributed laser methane detection system’ based on analysis of frequency characteristics of vibration wave and influences of vibration on physical properties of fiber and methane detection’ a vibration wave rccognition algorithm based on real-time sampling signal and set frequency signal was proposed. The algorithm can effectively identify external vibration waves with different frequencies by steps including Fourier trans’ cross correlation operation’ maximum similarity coefficient judgment and methane concentration calculation’ and then the vibration wave can be accurately deleted and the influences of external vibration on methane concentration measurement can be eliminated. The laboratory test and industrial test results show that the algorithm can effectively identify the vibration interference with different frequencies and avoid measurement error introduced by vibration signal. Key words distributed laser methane detection； point laser methane sensor; laser stabilized frequency; 收稿日期 2018-03-28;修回日期 2018-06-15;责任编辑 胡娴。 基金项目 国家重点研发计划专项资助项目（ 2016YFC0801405;国家科技重大专项课题（ 2016ZX05045006。 作者筒介 郭清华（ 1983 ） ， 男 ， 重庆人， 助理研究员， 研究方向为煤矿检测用仪器仪表， E-mailaiiit_gqh 126. com。 引用格式 郭清华. 分布式激光甲烷检测系统振动干扰诊断与辨识工矿自动化， 2018,448-6. GUO Qinghua. Diagnosis and recognition of vibration interference in distributed laser methane detection system]. Industry and Mine Automation,2018,448 ； 1-6. 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 图 1光 纤 受 轴 向 拉 力 作 用 时 的 变 化 虚 线 为 受 力 后 Fig. 1 Change of fiber under axial tension The dotted line is the force 〇 引 瓦斯灾害是煤矿开采领域的主要灾害之一， 瓦 斯成分是甲烷， 属于易燃易爆气体[1]。 国家安全生产监 理 于 2015年颁布了 强化 煤矿瓦斯 [2]， 瓦斯 监测 。为 瓦斯 监 测 ， 国际先 激光 检测技术 煤矿 应用。目 ， 国 家 研制成 点式激光甲烷传 器 ， 并在煤矿 应用[34]。 分布式多 点 激 光 气 体 传 感 方 面 ， 文 献 [5]对 TDMTime Division Multiplex，时分复用） 技术在光纤气体传 感中的应用 分析， 给出了理 ， 用 理 测 ， 实 于 TDM 的 点光 系统。文献[6]基 于 TDM技术， 提出 用在光路中 标 方 瓦斯 ； 。 文献[ ] 提出 用于煤矿瓦斯监测的光 ; 感方法， 采用 SDMSpcce Division Multiplex，空分 用） 技术实现光 网络。文献为 目标 ， 研究基于 光 测量方 法 。文献[9]提出 于 激光 光 技术 灾 实时检测系统。本文在基 于激光 技术的分布式多点甲烷检测系统研究 ， 煤矿 实 应用 ， 为 界振动对系统测 影响， 研究了振动对光 输 特性的影响、 振动波形 率特征及振动波形 、 算法， 通过软件算法有效 振动对系统测量 的影响。 1振动的影响分析 1.1 振动对光纟D物理特性的影响 当光纤传感系统受到外界振动影响时， 光波在 光纤中的部分传输特性如光强、 相位等会发生改 变[10]。研究结果表明， 光波的反射率、 相位等变化 与作用在光纤上的外界振动作用力的大小、 频率 有关[11]。 光纤受振动影响的实质是受外界力的作用， 作 用力分为轴向外力和径向外力[12]。 轴 向 外 力 F 用下， 光 轴向长 横截面尺寸会发生微 小变化[1314]。外 力 为 拉 伸 力 时 ， 光纤轴向长度增 大 ， 如 图 1 所示； 当外力为压缩力时， 光纤轴向长度 减小， 横截面增大， 如 图 2 所示。 detection of methane concentration; vibration interference; vibration wave recognition 图 2光 纤 受 轴 向 压 力 作 用 时 的 变 化 虚 线 为 受 力 后 ） Fig. 2 Change of fiber under axial pressure The dotted line is the force 单模光纤直径一般为9 “4,其受到的径向力近 似为均勻的径向压力。为保持光纤平衡， 径向压力 一般成对出现，如 图 3 所示。在实际工程应用中，由 于光缆带有钢丝铠装， 径向受力很微弱， 基本不会引 起光纤径向变形。 图 3光纤径向压力 Fig. 3 Radial pressure of optical fiber 光波在光纤中传播时， 入射角a、 纤芯折射率 和包层折射率〜必须满足 射定律 ， 即 A 显著大于〃2,如 图 4 所示。当光纤受振动影响时， 由于光纤受力发生形变， 入 射 角 a 会发生随机性变 ， 当其超过光纤传播最大入射角anax时 ， 光纤中光 波的通过光强也会随之产生随机性变化。 图 4光波在光纤中的传输原理 Fig. 4 Transmission principle of light waves in optical fibers 1. 2 振动对甲烷检测的影响 激光甲烷检测原理 特定波长（ 1 653. 7 nm的 光波经过甲烷 ， 光波光 甲烷气饵 tttt iUi \/ J \ F 鈐和鈐和 i i t t t tt t t t 2 0 1 8 年 第 8 期 郭 清 华 分 布 式 激 光 甲 检 测 系 统 振 动 干 扰 诊 断 与 辨 识 比例吸收， 吸收系数与甲烷浓度成单一的正相关关 系 ， 满 足 Beer-Lambert气体吸收定律[15]。当光纤 受振动影响时， 单个采样点的光强发生随机性变化， 按照谐波检测算法解算出的甲烷浓度值也是随机性 的， 并不是环境中待测甲烷的真实浓度值。 分布式激光甲烷检测系统主要由分布式激光甲 烷 监 测 主 机 、 双 芯 导 光 光 缆 和 气 体 探 测 模 块 构 成[16]， 如 图 5 所示。传输光缆在实际工程应用中易 受环境振动的影响， 导致光信号发生变化， 从而使得 甲烷测量值产生较大偏差。 图 5分布式激光甲烷检测系统 Fig. 5 Distributed laser methane detection system 图 6 为正常测量和振动状态下无甲烷体积分数 为 0时的采样波形。图 7 为正常测量和振动状态 下甲烷体积分数为85 时 的 采 样 波 形 。 通过二次 Fig. 6 Sampling wave without methane 谐波幅值/一次谐波幅值解算后， 得到甲烷体积分数 分别为0 1 8 6 ，85. 1 ，41. 6 ，引入的测量偏差 超过真实值的5 0 ，，远大于系统正常测量的误差 。 正常测量状态 Fig. 7 Sampling wave when methane volume fraction is 85 2振动波形辨识技术 2. 1 振动的频率特征 分布式激光甲烷检测系统受外界振动干扰的影 响 ， 主要是指光缆在传输光波的过程中内部光纤的 光学特性受外界振动波的影响。系统采 用 5 H z锯 齿波叠加1 000 H z正弦波方式周期性驱动激光器 扫描信号， 通过同步触发高频离散数字采样方式进 行波形采集， 采样频率设定为1 MHz。后期进行数 据处理时引入低通滤波、 高通滤波和平滑滤波等算 法。对于小于5 Hz的低频振动信号和大于1 000 Hz 的中高频振动信号， 检测系统可以通过软件滤波算 法消除其大部分影响。因此，本 文 重 点 研 究 5 〜 1 000 H z的振动信号对甲烷测量值的影响。 信号 变 得到信号 率 信息， 除直流分量外， 其余频率分量如图8 所示。 对采样波形进行傅里叶变换得到的频率数据表 常测 下当 甲 烷 信号 的频率分量最大幅值处于200和 1 800采样点， 并 且幅值随甲烷浓度增大而增大， 其余位置对应的幅 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 采样点序号 “ 正常测量状态（ 无甲烷） b 振动状态（ 无甲烷 400 800 1 200 1 600 2 000 采样点序号 “ 正常测量状态（ 甲烷体积分数为85 f | 7Q 〇 Q 〇 H -70 000。 8〇 〇 1 200 1 600 2 000 采样点序号 振动状态（ 甲烷体积分数为85 f 图 8采样波形傅里叶变换结果 Fig. 8 Fourier trans result of sampling waves 值很小， 当有不规则振动干扰时， 在基频等位置处会 引入较大的幅值分量。 2.2 振动波形提取算法 采样得到的正常测量波形的频率信号是保持不 变的， 对离散采样信号x 〃 进行傅里叶变换可得到 频率信息， 傅里叶变换公式为 N-1 “ “exp B N“ ， ’ 〇 ， ，N 1 “0 N “1 式中 ％ panoramic image; image acquisition synchronization control; mileage rccorder; intrinsically safe type 收稿日期 2018-04-30;修回日期 2018-07-02;责任编辑 李明。 基金项目 国家科技重大专项资助项目（ 2016ZX05045-007。 作者筒介殷大发（ 1E79-， 男 ， 安徽明光人， 副研究员， 硕士， 现主要从事矿山安全监测监控、 三 维 GIS、 信息化与自动化等方面的研究工作， E-mail dfyin 163. com。 引用格式殷大发. 煤矿井下全景影像采集系统设计工矿自动化， 2018,448-9. YIN Dafa. Design of panoramic image acquisition system in coal mine underground[J]. Industry and Mine Automation,2018448 6-9. CHEN Jiuying， LIU Jianguo， ZHANG Yujun， et al. Autobalanced detection based on tunable diode laser absorption spectroscopy]. Acta Optica Sinica， 2007, 272 350-353. [ 4] 褚 衍 平 ， 张 景 超 ， 管 立 君 ， 等 .双 气 室 气 体 检 测 系 统 的 研 究 应 用 光 学 ， 2008,293390-393. CHU Yanping， ZHANG Jingchao, GUAN Lijun， et al. Double gas-cell detection system for gases[J]. Journal of Applied Optics,2008,293 390-393. [ 5] 齐 洁 ， 董 小 鹏 ， 沈 炎 鑫 ， 等 . 基 于 扫 描 光 源 的 光 纤 气 体 传 感 系 统 的 研 究 中 国 激 光，2011， 38997-102. QI Jie , DONG Xiaopeng , SHEN Yanxin. Research on fiber gas sensor system based on scanning light source [J]. Chinese Journal of Lasers， 2011， 389 97-102. [16] LATHDAVONG ，SHAO J，KLUCZYNSKI P ， et al. ology for detection of carbon monoxide in hot， humid media by telecommunication distributed feedback laser-based tunable diode laser absorption spectrometry [J ]. Applied Optics， 2011，5 0 17 2531-2550.