激光传感器测瓦斯浓度研究

摘要：安全是煤矿作业中最重要的一环，而煤矿中瓦斯浓度是衡量安全的重要指标，所以精确检测瓦斯浓度是保障安全的最关键点。为检测煤矿井下瓦斯浓度，本文提出了一种新的测量瓦斯的新方法，论述了激光传感器的构成和工作原理，并对硬件电路和软件进行了设计，实现了激光检测，更进一步增强安全性，提高了效率。

关键词：激光传感器；瓦斯；安全

中图分类号：TD712 文献标识码：B

1、引言

煤炭作为一种重要的能源，在工业生产等许多方面发挥着举足轻重的作用，关系着国民经济的命脉。煤炭开采中的安全问题一直是受到极大重视的。如果一旦出现安全问题，不仅会造成巨大的经济损失，而且直接威胁到煤炭工人的生命安全。近年来，我国煤炭开采的安全问题形势不容乐观，各地矿难时有发生，特别是一些小煤矿更存在着严重的安全隐患。所以，采取现代安全监测措施势在必行。

当前，随着采矿技术的不断发展，井下作业的安全越来越有保障，但是仍然有许多采矿企业的机械化程度低，对现场采矿的工作人员的生命安全造成潜在的威胁，特别是针对瓦斯气体的检测和报警仍旧存在隐患，每年由于瓦斯泄露造成的特大事故依然很多。瓦斯是在成煤过程中形成并大量储存于煤层之中的气体，是煤矿井下危害最大的气体。瓦斯是一种无色无味的气体，主要成份是甲烷(CH4)，密度为0.716kg/m3，对人体的危害是超时限能引起人窒息死亡。在地下采矿时候，井内常常会泄露一定量的CH4、CO和SO2等气体，后一种含量少，切易溶于水。经煤矿开采时的喷水处理后变成酸。但前两种气体含量多，且几乎不容于水，属于易燃易爆气体。由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。

以前设计的瓦斯传感器是利用大自然的某些物质对瓦斯有着很高的敏感度，瓦斯浓度的改变直接影响这些物质的一些物理或化学上的变化，然后通过数据采集把这些变化通过信号的方式采集过来，把这些信号再转化为一些计算机能够识别的电压信号或电流信号，于是人们就可以通过计算机来观测煤矿内瓦斯的浓度，及时地进行一些调节措施，避免危险事故的发生。

目前,随着科技的发展和人类对一些技术高精尖的要求,在准确监测瓦斯浓度这块,对瓦斯传感器的要求越来越严密、越来越精确。因此,检测装置的发展必须满足发展的要求。而以往的依靠某些特殊物质来检测瓦斯浓度的传感器则暴露出了一些缺点，精度不高，抗干扰能力差，所以，激光传感器就在这种条件下应运而生了，激光传感器采用了激光的先进技术，以其精度高，灵敏度好，抗干扰能力强，误差小的特点而必将会得到极大的应用。

激光具有显著的特点：

(一)方向性好

激光的方向性比现在所有的其他光源都好得多，激光在空间是定向传播，在激光传感器中由激光器发射激光p光束的发散度极小，所以它的发射角很小，大约只有0.001rad，称得上是比较严格的平行光束。

(二)单色性好

普通的白光频率范围很宽，而激光的发光光谱很纯，或者说单色性很好。激光是一种单包光，频率范围极窄，发散角很小，只有几毫弧。氦氖激光的谱线宽度，可以窄到10-8nm，颜色非常纯。

(三)亮度高

激光的发射是大量光子集中在一个极小的空间内向一个同向的方向射出，光子能量密度很高，所以使得激光的亮度极高。光照度的单位是勒克斯。太阳表面的亮度大约是一台普通的激光器输出亮度的10亿分之一。激光器发出的光，如同从—个点向一个方向发出一样，光的振动相位和振动方向都是一致的。光的时间相干件与谱线宽度是紧密联系的。

2、硬件构架

一般的传感系统由光源、信号传输线、传感器件、光电转换及信号处理四部分组成，光作为载波经入射光纤传输到气室，光波的某些特征参量在传感头内被外界物理参量所调制，含有被调制信息的光波经出射光纤传输到光电转换部分，经解调后就能得到被测物理量的大小和状态，即与瓦斯浓度有关的模拟电压信号。信号采集与处理部分是将模拟信号不失真地转换为数字信号，利用检测器在数字域进一步对信号加工处理和计算，在显示屏上显示气体的浓度。

整个硬件部分包括六个部分组成：传感器、LCD显示器、声光报警器、控制电路、A/D 转换和电源模块，传感器部分采用的气体传感器能感知环境中某种气体并将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号。这种电信号是连续变化的模拟信号需要经过A/D转换将其转化离散的数字信号。控制电路以单片机为核心，能够对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LCD显示器显示出来。当检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。如图1所示。

3、传感器的设计

3.1 工作原理：

为解决现有基于普通光源的比色分光光度计的结构复杂、灵敏度低的问题,本文利用多个不同波长的半导体激光二极管(625,645, 675,780nm),它利用激光光源替代普通光源。由于采用激光作为分析仪的光源,这样,既省去了复杂的分光系统,又大大简化了传感器的结构。选定波长的激光,经透射/反射镜分成两束光,一束光作为测量光,一束作为参比光,测量和参比光经光电转换、电流/电压转换、放大,直接进行模/数转换或进入数据采集卡,利用单片机或计算机处理。采用双光路测量设计的是参比光路能够随时自动补偿由于光源波动对测量结果产生的影响。整个系统的光路如图2所示。

3.2 测定公式的推导

电信号与入射光及透射光的关系推导如下：传感器的参比光经光电池、电流/电压转换器和模拟放大器,转换成电压信号

式中为转换常数；为暗电流。由于总入射光总经分光镜后,分成了测量入射光与参比光,它们成一定的比例关系式中为零点偏差常数；=为斜率常数。上式表明：放大器输出的电压与溶液浓度有一定的对应函数关系,其中，，是测量时确定的参数,在两点标定式测量时,由程序根据两点标定值算出,在一定时期内保持稳定不变;在流通式测量时，，值是根据经验选择的固定值。，和是正常运行时随机测定的量，随着瓦斯浓度的变化而变化,由此,通过上式的计算可以测量出瓦斯的浓度。

3.3 软件设计

软件的主程序采用了C51语言，使得程序变的简单、快速。包括数据采集、数据处理、信号输出和控制处理。其主要功能是：开机之后，首先进行初始化，包括智能芯片、有关变量的初始化，单片机相关的寄存器以及I/O口初始化等，从外部读入数据，数据通过zigbee协议发送出去，同时负责管理和条用各个子程序。主程序如图3所示。

4、传感器测试

利用现在的微量瓦斯对传感器进行测试，测试指标包括重复性和线性响应。

4.1 重复性测试

重复性是说明仪器指示值的分散性,即对某一样品进行重复测定之后,其结果的分散程度。重复性也能直接反映出准确度。对于该传感器来说,影响其重复性的主要因素包括流通池的几何结构是否合理、光源是否稳定、检测电路是否稳定等。由此可见,重复性也反映了仪器的综合性能。

4.2 线性响应的测试

传感器的线性也是检验仪器的一项种要指标,它反映出仪器的各部分设计是否合理,加工、安装及调试是否良好。在正常测量状态下,连续通入一系列瓦斯气体,测得的标准曲线如图4图5所示。

实验表明，该传感器的重复性的线性响应这两个测试指标误差都很小，达到了一定的技术指标。

5、结束语

在矿井开采难度逐步加大、安全形式日益严峻的今天，一套稳定可靠、技术先进的矿井监测监控系统的应用也显得日益迫切，采用激光技术的瓦斯传感器的提出及在井下的应用，必将大大提升矿井安全监测监控的效率和稳定性，因而，系统的推广具有极其重大的现实意义，相信不久的将来，它的推广必然成为煤矿安全生产史上的一次革命。

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