红外光纤矿井瓦斯检测系统的试验研究.doc

红外光纤矿井瓦斯检测系统的试验研究 王建1,王学民2,段红巍2,梁琼1 1.中国矿业大学北京机电与信息工程学院, 100083 2.中国矿业大学北京化学与环境工程学院, 100083 E 摘要 本文论述了红外光纤矿井瓦斯检测系统的性能测试以及甲烷气体浓度与吸收光强关系等的实验方案、实验步骤和实验结果,以验证本文提出的光纤气体检测方案的可行性。实验内容包括光纤链路损耗实验。光源驱动和锁相放大电路输出波形实验。甲烷气体吸收信号实验。系统的检测灵敏度分析。 关键词红外, 瓦斯, 光纤, 气体传感器; 1. 引言 光纤传感采用低损耗的光纤作为敏感元件或传光回路,能应用于各种严酷环境中,如易燃、易爆、强磁场等狭小的环境中,并易于实现远距离、多点和分布式传感结构[1]。近年来,它在环境监测、电力系统、矿井油田和辐射区域的安全保护等方面的应用受到广泛的重视。本系统提出的在线检测矿井瓦斯的光纤传感器及其系统,对确保矿井的安全生产有着重要的意义。 2. 红外光纤矿井瓦斯检测系统的试验原理 光谱吸收式光纤气体传感器是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱间的光谱一致性。当光通过某种介质时,即使不发生反射、折射和衍射现象。其传播情况也会发生变化。这是因为光频电磁波与组成介质的原子、分子将发生作用,作用的结果使得光被吸收和散射而产生衰减,由于气体分子对光的散射很微弱,远小于气体的吸收光能,故衰减的产生主要是因为吸收这一过程,散射可以忽略。利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成吸收型光纤气体传感器。 如图2.1所示设一束波长为λ,光强为I0的单色平行光射向被测气体,气室中的样品在λ处具有吸收线或吸收带,光被吸收和散射一部分后透射过去。 图2.1 光纤气体传感器原理框图 - 1 - 根据比尔-朗伯定律,光在吸收传播距离L 后,其光强为[1] 0010expcL I I I λαλα−−cL 2-1 式中 0I λ波长为λ的单色光在不含待测气体时透过气室的光的强度; c 吸收气体的浓度; λα单位长度单位浓度的吸收系数; 进一步转化式2-1得 01 ln I c L I λα 2-2 在光纤传感器设计中,习惯用复数折射率k 来描述气体的吸收。下面导出k 和λα之间的关系[2]。假定入射平面波为0expE i t ω,出射光为 0exp E E i t L ωβ− 2-4 00r k n k n ik β− 2-5 02k πλ 2-6 式中 β传播常数 r n 气体折射率的实部 k 气体折射率的虚部 将式2-5代入式2-4,得到 000expexp r E E k kL i t k n L ω− 2-7 出射光强正比于电场强度模的平方,可写为 00exp2I I k kL 2-8 将式2-8和式2-2相比,得到 024c c k k λλααλπ 2-9 K 的值可从吸收测量的数据中获得[2]。CH 4在 3.392m 的吸收系数λα8.3at -1cm -1,k2.24*10-4at -1。在CH 4的吸收复合带和泛频带1.33m 和1.66m [3]的k 值分别为3.7*10-7at -1和 1.88*10-6at -1。当1cL λα时,由式2-2得 cL I /I I I 00r λα− 2-10 当气室中无待测气体时,通过气室的光经过探测器测得其光强为0I ,当待测气体充入气室并达到一定浓度C 后,此气体对光源发出的光有较强的吸收,这时通过气室的光测得其光强为I ,于是I 与0I 的比值,便可以检测气体及浓度。 - 2 - 3. 光纤链路损耗实验 光纤链路损耗是指光源与光纤之间、光纤与光纤之间以及光纤与元件之间的耦合造成的能量损耗以及环境气体吸收、光纤材料的本征吸收、杂质吸收和散射损耗。由于采用了激光器和低损耗传输光纤,使有足够强的光功率与被测气体发生充分的作用,这有利于提高系统的信噪比,同时使远距离遥测成为可能。实验数据见表3-1,数据的一致性较好,总平均透射率为90。 表3-1 光路损耗实验数据 次数入射光强W出射光强W透射率 1 980.0 890.4 90.8 2 960.1 871.1 90.7 3 950.0 863.1 90.8 4 930.2 842. 5 90.6 5 910.0 823.2 90.5 6 905.1 817.3 90.3 7 880.5 794.1 90.2 8 851.0 762.6 89.6 9 820.0 732.2 89.3 10 805.0 719.5 89.4 11 780.5 697.9 89.4 12 750.0 675.3 90.0 13 742.0 665.4 89.6 14 730.5 649.5 89.0 15 720.0 638.9 88.6 系统的透射率保证在90以上,进行遥测时的光强衰减问题是不用担心的。在实验中的选用的是单模光纤,器件连接如图 3.1所示。激光器是带尾纤输出的,它的尾纤接头是FC/PC接头,用法轮盘将它与光纤跳线的一端相连,光纤跳线和准直器的尾纤直接焊接,准直器与气室焊接,气室出口的准直器的尾纤接头是FC/PC,与FC型的光探测器直接连接。光路中的各接点和耦合点是产生干扰的来源,这干扰具有受环境因素和老化现象影响的特点,往往表现为随机性。因此,应尽量减少光路中的接点数,同时注意光路耦合处的加工工艺。因为透射损耗主要是由于活接头引起的,所以在接头处应焊接。 图3.1 器件连接图 光源部分实物图如图3.2所示 - 3 - FC 接头FC 接头激光器 法轮盘 光纤 图3.2 光源部分实物图 气室部分实物图如图3.3所示 光纤 光纤 30mm 光准直器 气 室 气 孔 光准直器 图3.3气室部分实物图 探测器部分实物图如图3.4所示 FC 接头探测器 探测器 图3.4 探测器部分实物图 采用带尾纤的LD 及光纤准直器,气室减少活接头,透过率大大提高,透射光强满足信号处理系统的要求。 4. 信号波形分析 直接检测光电探测器的输出信号,检测到的波形十分微弱,从示波器上可以看到如图 4.1所示的波形, 50Hz 工频干扰是波形的主要成分,有用信号被淹没在噪声中。 图4.1 信号波形1 检测经过前置放大电路的输出信号,波形如图4.2所示。检测点的数据表达式为 { 3,5,...,1 k 1-k t k 0 k t 1-k U t U 00A 0A ≤≤≤≤πωππωπω 4-1 - 4 - ω0位测量到的有用信号的角频率,ω02πf 0,f 01kHz ,U A 为信号的电压值幅度 它的傅立叶展开式为 ]}...t 12k sin 1-2k 1...t sin331t sin [41{2 U t U 000A 0A −ωωωπω 4-2 t 0∞∞−ω;...2, 0,t 0ππω≠ 因为干扰和噪声的存在,数据表达式为 rao 0A 0A U t U t U ωω 为干扰噪声的函数 4-3 rao U 放大器的输出信号表达式为 ]U t [U K t U rao 0A 102ωω 4-4 K 1为前置放大器的放大系数。 图4.2 信号波形2 通过双二次型带通滤波器中心频率1KHz 后,波形如图4.3所示。滤除掉了工频干扰和噪声。它波形的数学表达式为 t sin 2U K K t U 0A 2 103ωπω 4-5 K 2是二次带通滤波器的放大系数。 图4.3 信号波形3 信号经过相敏检波器后的波形如图4.4所示,放大倍数为1,正半周反转,负半周不变。它的波形数学表达式为 |t sin 2U K K |t U 0A 2 104ωπω− 4-6 它的傅立叶展开式为 ...-t cos6351-t cos4151-t cos231218U K K t U 0002A 2104ωωωπ ω−− 4-7 t 0∞−∞ω - 5 - http// 图 4.4 信号波形 4 图 4.5 是经过低通滤波器后的一个稳定的、无干扰的直流信号。低通滤波器保留了直 流电压波形，其表达式为 U 5 −K1 K 2 K 3 4U A π2 4-8 图 4.5 信号波形 5 从以上的波形分析可以看出， 输出的直流电压信号U5与光探测器的信号电压幅度UA成 二次带通滤波器的放大系数 线性正比的关系。 信号的放大倍数为前置放大器的放大系数K1、 K2、低通滤波器的放大系数K3的乘积。 5. 甲烷气体吸收实验 系统设置在单光路状态，把示波器接在锁相放大器的输出端，检测电压信号。先用纯 净的空气吹洗气室，再将气室的出气口堵住，用针管抽取标准浓度的甲烷气体，从气室进气 孔注射进去。气室的体积是 π ⋅ 2.5 2 ⋅ 30 588.75mm 3 （2.5mm是气室横截面的半径，气室 、 （ 、 的长度是 30mm） 约 0.59ml。 ， 用针管分别抽取 0.20ml 200mm3） 0.60ml 600mm3） 1.0ml、 （ 1.40ml、2.4ml的 10（CH4/空气）浓度的甲烷气体，并抽取 0.2ml、0.4ml、0.6ml、6ml的 40（CH4/空气）浓度的甲烷气体。将气体注射入气室中。 根据物理学上著名的波义耳定律，即一定量的气体在一定温度下它的体积与压力成反 比。假设温度恒定，就有 P1V1 P2V2 中压强也为一个大气压） ，注射后体积仍然是 0.59ml，根据波义耳定律有 5-1 如果针管中有气体 0.20ml（压强为一个大气压） ，注入 0.59ml 的密闭气室（假设注射前气室 P0 ⋅ 0.2 0.59 P ⋅ 0.59 -6- （ P0 为 1 个大气压） 5-2 得到压强变为 1.34 P0 。再根据波义耳定律，1 个大气压的 0.2ml混合气体变为 1.34 个大气压 http// 的 0.15ml，那么注射后气室中的CH4浓度c为 c 0.15 * 10 0.59 2.54 5-3 气室甲烷浓度分别为 5.04、 同理可得注入 0.6ml、 1.0ml、 1.4ml、 2.4ml的 10CH4混合气体时， 6.29、7.03、8.03。注入 0.2ml、0.4ml、0.6ml、2ml的 40CH4混合气体时，气室中甲 烷浓度分别为 10.1、16.2、20.2、30.9。 读取示波器的示值，测量数据如表 5-1 所示 表 5-1 甲烷气体吸收实验数据 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 浓度（） 0.00 2.54 5.04 6.29 7.03 8.03 10.1 16.2 20.2 30.9 电压值（V） 4.80 4.75 4.65 4.62 4.60 4.58 4.52 4.39 4.26 4.05 信号值 Ir 0.0 1.1 3.1 3.7 4.2 4.6 5.8 8.6 11.2 15.6 表中信号量的含义是气体通过气室时甲烷气体的相对吸收率，I r I 0 − I / I 0 ， 其中 I 0 和 I 分别表示光波信号通过不含和含有CH4气体时的气室的光强度信号的电压值。根据表 5-1 中数据，以CH4浓度为横坐标，气体相对吸收率为纵坐标，绘制相应曲线，如图 5.1 所示。 图 5.1 甲烷气体吸收实验曲线 从绘制的曲线可以直观的看出，光吸收与气体浓度的变化趋势与理论分析结果一致， 即当 α λ cL 1 时，曲线呈线性。 -7- http// 6. 系统的检测灵敏度分析 由于组成系统的器件本身固有的噪声无法彻底根除，这类噪声的存在限制了探测器可 能探测到的最小光信号。 对于信噪比小于 1 的微弱光信号即深埋在噪声之中的信号， 探测器 就无能为力。习惯上把传感系统输出端信噪比为 1 时，看作是检测的极限，即灵敏度。也就 是说， 灵敏度是指在给定的最小输入激励的情况下所产生的最小输出。 本系统中为出射光强 变化与气体浓度变化的比值。 由朗伯-比尔定律得出输出光强I、输入光强I0与甲烷气体浓度C之间的关系为 I I 0 10 −α λ cL I 0 exp−α λ cL 式中 α λ 单位长度单位浓度的吸收系数；C 为气体浓度；L 为光通过气体的长度。 6-1 本检测系统中，甲烷气体的报警浓度设为 1（10000ppm） ，系统量程为 0100 （ 01000000ppm ） 在 λ1.33m 时 ， 甲 烷 气 体 对 光 的 吸 收 系 数 α λ 5.4m 。 −1 。如果 α λ cL 1 ，式（5-2）可以写为 I I 0 1 − α λ cL 设浓度为 c 的甲烷气体变化量为 ∆c 时，出射光强 I 的变化量为 ∆I ，于是可得到 6-2 I ∆I I 0 ⋅ [ 1 − α λ c ∆c L ] I 0 1 − α λ cL − I 0α λ ∆cL I - I 0α λ ∆cL 从而得出灵敏度为 6-3 ∆I 6-4 − I 0α λ L ∆c 在实验中，气室长度 L 30mm，光强 I 0 800W，由式（6-2）求得系统灵敏度为 0.000123W/ppm。 分辨率是指系统能检测到的最低气体浓度的变化。由式（6-2）得到 ∆c − ∆I I 0α λ L 6-5 光电探测器输出的光电流与照射到其上的光强成正比，有 i K ⋅ I ， I 为光强， K 为比例 系数，如果光探测器的电流分辨率为 ∆i ，则有 ∆i K∆I ，因此可以得出 ∆i i0 ∆I I0 6-6 将（6-4）代入式（6-3）中，可得到光探测器能检测到的最低甲烷气体浓度变化 ∆c min − ∆i i0α λ L 6-7 开始时，气室中的甲烷气体浓度为 0，向气室中注入甲烷气体，当气体浓度达到 ∆c min 时， 探测器输出的光电流刚好变化一个最小单位 ∆i ，即 ∆c min 为测量气体的最小分辨率。从式 （6-5）可以看出，增大 L 或者减小 ∆i / i0 都能提高测量的分辨率。为了保证矿井下瓦斯测 量的可靠，系统测量的分辨率要求达到 0.01（100ppm） 。 -8- http// 无论采用什么方法，浓度检测值的不稳定性总是存在的，除了光功率受温度变化产生 的影响外，光纤色散受温度、振动的影响也具有一定的随机性，这种相位噪声对检测值会引 起波动。 影响检测气体的检测灵敏度和稳定性的因素包括光源出射光功率和波长随环境条件 而变化、 光纤链路受温度和振动影响而造成耦合状态的变化、 光探测器的热噪声和散粒噪声 以及前置放大电路本身的输入噪声电压和噪声电流等。 要实现或达到最小可检测的浓度值必 须对光源控温或通过参考信号消除光功率因子。 7.小结 本文主要对光纤甲烷检测系统的实验进行分析。对光纤链路损耗进行了检测，系统的 透射率保证在 90以上，所以光纤及气室链路的损耗满足遥测要求。进行了光源驱动和锁 相放大器输出波形的实验分析， 和理论分析结果相符。 并对不同浓度的甲烷标准气体进行了 气体吸收实验，实验中发现，光吸收信号随气体浓度的变化趋势呈线性，与理论分析结果一 致。通过实验表明系统性能较为稳定，灵敏度较高，重复性较好。 参考文献 [1]叶险峰等. 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