基于红外光谱吸收的煤矿瓦斯光纤传感网络.pdf

第29卷,第9期光谱学与光谱分析Vol129,No19,pp236522369
2009年9月SpectroscopyandSpectralAnalysisSeptember,2009

基于红外光谱吸收的煤矿瓦斯光纤传感网络

吴晓军1,3,王鹏23,王志斌1,2,李晓1,2,田二明1,2

11中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051
21中北大学山西省光电信息与仪器工程技术研究中心,山西太原030051
31中北大学机电工程学院,山西太原030051

摘要基于气体在其特征吸收波长下光的吸收随浓度变化的原理,通过对甲烷气体红外吸收光谱的分析,
设计了一套检测甲烷气体浓度的多点光纤传感网络。该系统采用分布反馈式半导体激光器(DFBLD)作为光
源,高灵敏度、低噪声的InGaAsPIN作为光电探测器,结合空分复用技术复用了16个甲烷气体传感器,采
用滤波、前置放大等电路对微弱信号进行处理,经PCI数据采集卡采集各路信号后,再用软件编写程序对采
集信号进行快速傅里叶变换等分析。研究表明,该网络各传感器的灵敏度均达到200ppm(μg·mL-1),长
时间的精确度和稳定性均可满足实际要求,单个传感器的响应时间小于2s,系统巡检一周的时间小于32s。
通过理论分析得出,该系统各传感器可放置于离地面20公里以上的矿井中,且该系统可在多场合进行多点
的实时检测。

关键词光纤传感网络;红外光谱吸收;空分复用;甲烷
中图分类号:O43311,TP21219文献标识码:ADOI:1013964/j1issn1100020593(2009)0922365205

优势,设计了一套能够实时多点检测煤矿瓦斯浓度的光纤传
引言感网络[325]。

瓦斯爆炸历来都是煤矿的重要灾害之一,近年来瓦斯爆
炸事故频繁发生,特别是2007年12月5日,山西省洪洞县1甲烷气体特征光谱吸收理论
瑞之源煤业有限公司新窑煤矿发生特大瓦斯爆炸,共造成
每一种气体都有固有的红外吸收光谱当光源的发射谱
123人伤亡,其中105人遇难,给国民经济、生命安全构成巨,
大威胁,成为实现安全生产的最大障碍和困扰煤矿安全生产与气体的吸收谱相吻合时,就会发生共振吸收,其吸收强度
的重大难题。因此,及时和准确的检测瓦斯气体浓度,特别与该气体的浓度有关,通过测量光谱的吸收强度就可得知气
是同时检测多个开采面的浓度对于工矿安全运行、人身安全体的浓度。当一束功率为I0,波长为λ的光通过甲烷气体时,
及环境保护有着十分重要的意义。由于甲烷气体对光的特征吸收,其光功率将按照Lambert2
矿井瓦斯是指矿井中煤层气构成的以甲烷为主的有害气Beer定理变化
体。瓦斯爆炸必须有一定浓度的瓦斯、高温热源和足够的氧I(λ,l)=KI0(λ)exp[-α(λ)cl](1)
气3个条件。瓦斯爆炸的浓度范围,正常条件下弱火源为这里,K为与系统有关的常数,α(λ)为甲烷气体在波长λ处
5%～15%;强火源为2%～75%。国家《煤矿安全规程》中规的吸收系数,c为甲烷气体的体积浓度,l为光通过甲烷气体
定的甲烷传感器的断电浓度更是低至015%～115%。目前,的光程长度。考虑实际情况,在矿井下,被测甲烷气体中包
检测瓦斯浓度普遍采用热催化方法,且仅限于单点检测,还含灰尘粒子、水分等成分,对(1)式可修正为

没有一套稳定可靠的检测网络,所以研制能够多点实时检测I(λ,l)=KI0(λ)exp[-α(λ)cl+
瓦斯浓度并及时预警的系统迫在眉睫。本文正是基于气体特β(λ)l+γ(λ)l+η(λ)l+δ](2)
征红外光谱吸收原理[123]和空分复用技术,结合光纤通信的(2)式中β(λ)为瑞利散射系数,γ(λ)为米氏散射系数,η(λ)

收稿日期:2008206222,修订日期:2008209226
基金项目:科技部国际科技合作重点项目(2006DFB72510),山西省2006年留学回国人员重点科研项目(200619)和山西省国际合作项目
(20080810330)资助
作者简介:吴晓军,1963年生,中北大学机电工程学院副教授
3通讯联系人e2mail:wpshenzhiyuan@1631com
2366光谱学与光谱分析第29卷

为水分子及其他与波长有关的吸收系数,δ为附加的与波长
无关的不确定吸收因子。通过查阅HITRAN96数据库得2系统设计及实验方法
-1
知,系统选择甲烷在1650196nm(60571086cm)附近2ν3
振动带R(4)支转动跃迁吸收线作为分析谱线,另外一个吸本网络复用了16个甲烷气体传感器,其中每一路均与
-1
收峰R(3)支在1653172nm(60461965cm)附近,R(3)与各自的输入和输出光纤连接构成一个传感通道,它们共用一
[6,7]
R(4)