光吸收光谱多点瓦斯监测技术的研究_图文.doc

第3卷第2期大气与环境光学学报V01.3No.2 2008年3月JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND ENVIRONMENTAL OPTICS Mar.2008基于激光吸收光谱多点瓦斯监测技术的研究何莹,张玉钧,刘建国,阚瑞峰,陈玖英,夏慧,王敏 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽合肥230031 摘。要研究了可调谐半导体激光吸收光谱TDLAS技术在煤矿多点瓦斯监测中的应用.分析讨论了基于光谱吸收原理的多点瓦斯实时监测系统的设计方案,TDLAS技术、分布式光纤传感技术和时分复用的信号检测技术相结合,实现多点气体浓度的光学传感.提出了在光路中嵌入标定池的方法来反演浓度.通过不同浓度的瓦斯气体对系统性能进行了测试,检测限低于60 x i0一.研究表明系统方案可行,该技术具有实时、连续、非接触快速检测的特点,能够满足矿井瓦斯多点安全监测要求. 关键诃激光吸收光谱;光纤传感技术;瓦斯;时分复用 中图分类号0433.1文献标识码A文献编号1673-61412008020129.05 ‘Study of Multipoint Gas Monitoring Technology Based on Laser Absorption Spectru m HE Ying,ZHANG Yu-jun,LIU Jian-guo,KAN Ruifeng,CHEN Jiuying, Hui,WANG Min .XIA Key Laboratory of Environmental Optics and Technology,Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences,Hefei230031,China AbstractThe application of coal mining gas multipoint monitoring with tunable diode laser absorption spectroscopyTDLAStechnique is studied.The principle and design scheme of real-time monitoring of mul tipoint gas concentration system which based on spectroscopy absorption principle is analyzed.The TDLAS technique,distributed fiber sensing technique and time division multiplexing detection technique are integrated to achieve optical sensing of multipoint gas concentration.Considering the requirement of realtime..measure- standard concentration gas into the optical ment,a new inversion by insetting a calibration cell with path is introduced.The system’S perance is tested by measuring gas of different concentrations.The detection limit is below60 x10.It proves that the scheme is feasible,and the technology has characteristics of real-time,successive,non-intrusive and fast measurement,SO it Can meet the requirements of coal mining gas monitoring. Key wordslaser absorption spectroscopy;fiber sensing technique;gas;time division multiplexing’ 收稿日期,2007-08--06;修改日期t2007-10-13 基金项目,国家自然科学基金重点项目50534050;中科院知识创新重要方向性项目KJCX2・SW-W27 E- 130大・气与环境光学学报3卷 1引言 瓦斯是矿井中主要由煤层气构成的以甲烷为主的气体,具有易燃易爆特性.瓦斯的爆炸限是5一16,由于我国46的煤矿属于高瓦斯矿,采掘时极易发生瓦斯突出现象而引发爆炸.因此,研制快速可靠地检测煤矿瓦斯浓度的系统,对瓦斯预警十分重要。 目前国内外对瓦斯的常规监测主要还是采用瓦斯催化传感器[1】’但催化元件存在使用寿命短、工作不稳定和调校频繁的缺点.可调谐半导体激光吸收光谱tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS技术利用可调谐半导体激光器窄线宽和波长可调谐特性检测气体的单根分子吸收谱线,它与波长调制WMS技术及二次谐波检测技术相结合,是一种高灵敏度、高选择性、快速在线非接触测量的气体检测技术[2-3】,在环境监测[4】中得到了广泛应用。针对煤矿瓦斯安全监测的需要,将TDLAS 技术与分布式光纤传感技术、时分复用技术相结合实现远距离网络化结构,设计了基于TDLAS的瓦斯多点实时监测系统,研究了系统方案. 2基本原理 根据比尔一朗伯Beer-Lambert定律,对于单一频率,光强为而的一束光通过充有待测气体的吸收池后,透射后光强可表示为 ,∥Io∥exp[-agNL], 其中五为吸收光程,Ⅳ为吸收气体的浓度,口z,为分子的吸收截面。在近红外的气体吸收系数很小,满足loyNLI1,则1式可以表述为 ,1,/o1,[1一ayNL]. 利用锁相放大器可以将各次谐波分量分离出来,二次谐波信号的峰值出现在中心波长处,而且与气体产生的吸收强度成正比,所以实际应用中通常选用二次谐波信号2,作为检测信号.将2式展开为傅立叶级数得到二次谐波系数的关系式【5】 12f oIoaoNL,3其中ao为吸收线中心的吸收系数,即二次谐波信 号强度与激光光强、气体吸收截面、气体浓度及光程成正比。 3系统方案设计 根据HITRAN数据库,甲烷分子在近红外‘1653.72am附近跃迁吸收线的线强为10_21,且在此吸收线两侧的o.5ilm范围内没有其它气体的强吸收线,系统采用分布反馈式可调谐半导体激光器作为光源,激光器工作的中心波长是1653.72nm,通过改变注入电流使激光波长扫描甲烷气体的单根吸收线,避免了气体干扰,从而获得甲烷的吸收光谱信号. 图1为实验装置示意图,在需要监测的地点放置一个气体传感单元,由微型光吸收池和传输光纤构成。通过温度和电流控制电路调节可调谐半导体激光器的中心波长到1653.72nm.激光由尾纤输出,传输到光纤分束器实现多路传输,各路激光分别通过各监测点的微型光吸收池,输出的多路激光耦合到光开关中,通过光开关的切换选择其中任意一路光信号经过标定池到达探测器,经探测器光电转换后的电信号传输到锁相放大器,计算机对锁相出来的2,信号进行A/D转换,得到甲烷吸收谱线的2,信号,系统软件根据光路中标定池的标准2,谱线进行浓度拟合,计算得出监测点的气体浓度。系统中所有的光信号都通过光纤传输,可以实现远距离的多点监测。在接收光路中,采用多路输入一路输出的光开关对各个监测点光信号进行切换,系统中只使用了一个探测器,一个锁相放大器,实现了仪器的时分复用,简化了系统结构,降低了成本.实际工作时只有虚线部分,即所有通过光纤连接的点式传感器在井下,没有带电部件,使用安全性高,可以实现远距离多点瓦斯浓度的实时监测. 4实验结果分析 实验中进行了两个监测点的浓度测量,使用了lx2的光纤耦合器和1x2的光开关.对于本TD. LAS系统,微型光吸收池是开放式的,在系统设计中提出嵌入标定池的方法在标准池中始终充有已知标准浓度的甲烷气体,当微型光吸收池中充入甲烷后,经过气体吸收的光信号通过标准池后送入探测器,此时检测到的信号实际为叠加在标准甲烷信 图1实验装置示意图 Fig.1 Schematic of experimental setup 图2通路1,2的定标曲线 Fig.2 Calibration curve of channel 1and 2 号之上的监测点甲烷信号,可通过标准甲烷的谱线拟合来反演监测点的甲烷浓度. 设置光开关的自动切换时间为O.5S,每个通路 1 S得到一个浓度值.先向10cm长的气体标准池 充入99.999的高纯氮气,对其进行冲洗,再充入1的甲烷标准气体密封,待信号稳定后利用光开 关切换,采集的2,信号如图2所示,其中a为通路1的标准谱线,b为通路2的标准谱线,信号均 为50次累加平均的结果. 4.1谐波信号检测 微型光吸收池长L15cm,标定池长L210 图3通路1,2不同浓度甲烷2,信号 Fig.3 2/signals of channel 1 and channel 2with methane of different concentrations 0O O O O O O O 0O O n 耋兽圆∞葑 132大气与环境光学学报3卷 表1浓度与相关系数’ T如le1True conceritration and correlation coe{licient am,标定池中充有1的标准甲烷气体,1,2两个吸收池相距5ITI.实验中用几组不同浓度的甲烷气体,以11/min的固定流速间隔充入两个微型光吸收池,待信号稳定后测量相应的气体吸收2,信号如图3所示,信号平均次数为50次.得到每个微型吸收池的四条谱线,如图3所示,其中a、b是1甲烷谱线;C、d是0.4甲烷谱线;e、f是0.2甲烷谱线;g、h是0.1甲烷谱线. 由图3可知在保持调制频率和调制度不变的情况下2,信号的形状基本不变,只是谱线各点的绝对幅值发生了改变,浓度越高信号幅值越大。分析通道1、2各谱线与标准谱线的相关系数,其随着浓度的升高有升高的趋势,在该测量浓度范围内的2,谱线与标准谱线间具有很好的相关性,如表1所示.4.2浓度反演 二次谐波信号的幅度与浓度和光程成正比关系,因此可以根据标准气体的二次谐波信号,对待测气体的二次谐波信号进行最小二乘法线性拟合得到拟合系数,标准气体的浓度乘上拟合系数便得到测量气体的浓度【61. 表2列出了两个监测点的实际浓度和计算出的拟合浓度,以实际浓度为横坐标,以拟合浓度为纵坐标,并进行线性拟合,如图4所示,得到通道1、2的线性度分别为0.99986和o.99994,证明了本系统用于多点甲烷浓度监测的可靠性. 4.3系统性能分析 对于多点煤矿瓦斯监测系统而言,其测量的准确性和稳定性及系统响应时间是重要指标。如图5所示,用浓度为0.1和1的甲烷标准气体间歇 表2通道1,2的实际浓度和拟合浓度 Table2mme concentration and fitted concentration 图4实际浓度与拟合浓度值间的线性关系 Fig.4Linearity between true concentration and fitted concentration 第2期何莹,等;基于激光吸收光谱多点瓦斯监测技术的研究133 图5浓度变化曲线 F远.5Concentration variation curve 检测灵敏度是监测系统的重要参数,根据煤矿安全规程规定,瓦斯检测仪器的报警限为1.按照一倍信噪比进行计算【7】,仪器达到的检测限小于60 x10一,可以满足煤矿瓦斯浓度检测的实际需求. 实验过程中对二次谐波信号进行了50次的累加平均,即每个点位检测的时间分辨率为18,两点分时监测的周期大约为28,可以进一步减少采样平均次数来降低响应时间,满足监测时间响应的需要. 5结论 系统有效地把TDLAS技术和分布式光纤传感技术、时分复用技术相结合,提出了多点瓦斯监测系统方案,完成了系统的测试.设计了适用于煤矿井下环境的微型光吸收池,结合实际监测的需求,提出了在光路中嵌入标定池反演浓度的方法.系统具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等特点,检测限低于60 x10一,其结构简单,便于光路调节,使用安全,适用于煤矿井下瓦斯的连续实时监测。 参考文献 【1】Culshaw B,Stewart G,Dong F,et a1.Fibre op-tic techniques for remote spectroscopic meEHane detectionfrom concept to system realization【J】. Sensors and Actuators,1998,、B512537. 【2】Kan Rnifeng_Liu Wenqing,Zhang Yujun,et a/.Concentration calibration of ambient trace-gas monitoring with tunable diode laser ab- sorption spectroscopy[J].Spectroscopy and Spec- tral Analysis,2006,263392395in Chinese. 阚瑞峰,刘文清,张玉钧,等.可调谐二极管激光吸 收光谱法监测大气痕量气体中的浓度标定方法研究 【J】.光谱学与光谱分析,2006,263392395.【3】Werle P.A review of recent advances in semicon-ductor laser based gas monitors【J】.Spectrochim ica Acta,1998,A5419236. 【4】Barrass S,G 325717.719. 【7】Ho Hoilut.Multi-point fiber optic gas sensor sys-tern p】.Hong KongDoctorial Dissertation of Hong Kong Polytechnic University,2002,44. 作者简介t何莹1983一,女,安徽合肥人,硬士研究生,主要从事可调谐半导体激光吸收光谱法痕量气体检测的应用研究. 基于激光吸收光谱多点瓦斯监测技术的研究 作者 作者单位 刊名 英文刊名 年，卷期 引用次数 何莹， 张玉钧， 刘建国， 阚瑞峰， 陈玖英， 夏慧， 王敏， HE Ying， ZHANG Yu-jun ， LIU Jian-guo， KAN Rui-feng， CHEN Jiu-ying， XIA Hui， WANG Min 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室,安徽,合肥,230031 大气与环境光学学报 JOURNAL OF ATMOSPHERIC AND ENVIRONMENTAL OPTICS 2008，32 0次 参考文献7条 1.Culshaw B.Stewart G.Dong F Fibre optic techniques for remote spectroscopic methane detection-from concept to system realization 1998 2.阚瑞峰.刘文清.张玉钧.刘建国.王敏.高山虎.陈军 可调谐二极管激光吸收光谱法监测大气痕量气体中的浓度标 定方法研究[期刊论文]-光谱学与光谱分析 20063 3.Werle P A review of recent advances in semiconductor laser based gas monitors 1998 4.Barrass S.Gard Y.Holdsworth R J Near-infrared tunable diode laser spectrometer for the remote sensing of vehicle emissions 2004 5.基于可调谐半导体激光吸收光谱的瓦斯监测方法研究[期刊论文]-光学技术 20064 6.王晓梅.张玉钧.刘文清.阚瑞锋.王铁栋.王敏.刘建国.董凤忠 可调谐二极管吸收光谱痕量气体浓度算法的研究 [期刊论文]-光学技术 20065 7.Ho Hoilut Multi-point fiber optic gas sensor systern 2002 相似文献1条 1.期刊论文 何莹.张玉钧.阚瑞峰.王敏.刘建国.HE Ying.ZHANG Yu-jun.KAN Rui-feng.WANG Min.LIU Jian-guo 多 点瓦斯激光传感技术的研究 -光学技术2008,34z1 以甲烷为主要成分的瓦斯气体有易燃易爆特性,在进行高瓦斯矿采掘时极易发生瓦斯爆炸,实时监测矿井瓦斯浓度是煤矿安全预警的重要任务.利用基 于波长调制的可调谐半导体激光吸收光谱技术TDLAS的高灵敏度、高选择性、快速响应特点和光纤传感技术的抗电磁干扰、防燃防爆、可远程控制的优 点实现了多点瓦斯的实时监测.分析研究了光强变化对气体浓度反演的影响,验证了I2f/I1f的方法能有效的减小监测浓度值的波动,系统瓦斯检测限 ＜0.05. 本文链接http// 下载时间2009年11月9日