【摘要】紅外瓦斯傳感器以其測量精度高，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，通過對紅外檢測原理的詳細(xì)分析，并結(jié)合小煤礦使用的實(shí)際情況，分析出紅外瓦斯傳感器能夠在小煤礦應(yīng)用是可行的。

【關(guān)鍵詞】小煤礦；紅外吸收；瓦斯傳感器

1.引言

瓦斯傳感器作為煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備中的關(guān)鍵設(shè)備，它肩負(fù)著檢測礦井瓦斯?jié)舛鹊闹厝危沧鳛榈V井瓦斯綜合治理和災(zāi)害預(yù)測數(shù)據(jù)的提供者。

煤礦井下常用的瓦斯傳感器，按檢測原理分類可分為催化燃燒式、紅外吸收式、光纖式、半導(dǎo)體氣敏法、和光干涉法等，其中固定式瓦斯傳感器煤礦應(yīng)用最主要就是催化燃式型和紅外吸收式。其中催化燃燒式占到整個(gè)瓦斯傳感器用量的95%以上。紅外瓦斯傳感器隨著國家政策的引導(dǎo)在煤礦上也逐步的進(jìn)行了應(yīng)用。

本文主要從重點(diǎn)分析紅外瓦斯傳感器工作原理、對比分析各類瓦斯傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)、分析小煤礦應(yīng)用的實(shí)際情況，最后總結(jié)分析了紅外瓦斯傳感器在小煤礦推廣的可行性。

2.紅外瓦斯傳感器的工作原理

2.1 紅外吸收型原理

紅外吸收型的全稱是紅外光譜吸收型[1][2]，是通過檢測氣體透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化來檢測氣體濃度的方法。該方法的基礎(chǔ)是每種氣體分子都有自己的吸收（或輻射）譜特征，只有當(dāng)光源的發(fā)射譜與氣體吸收譜重疊時(shí)才會(huì)發(fā)生吸收現(xiàn)象，吸收后的發(fā)射譜光強(qiáng)將發(fā)生變化，因而具有高度的選擇特性。當(dāng)一束紅外光通過充有氣體的氣室時(shí)，如果紅外光光譜恰好覆蓋一個(gè)氣體吸收線，那么部分光就能被該氣體吸收并轉(zhuǎn)化為分子振動(dòng)和能量，使紅外光的光強(qiáng)發(fā)生相應(yīng)的衰減。根據(jù)朗伯-比爾（Beer-Lambert）定律[2]，即可推算出氣室中氣體的濃度。

I（）=I0（）e-KCL （2.1）

式2.1中：I（）為紅外光被氣體吸收后的能量；

I0（）為紅外光的初始能量；

K為與氣體及紅外光波長有關(guān)的常數(shù)；

C為被測氣體的濃度；

L為紅外光透過的氣體層厚度。

2.2 紅外瓦斯傳感器的組成

紅外瓦斯傳感器主要由光學(xué)部分和電氣部分組成，如圖2.1所示[3]。從其傳感器組成中可以看到其主體電氣處理部分和傳統(tǒng)傳感器類似，礦方相關(guān)人員容易理解和接受，便于傳感器的日常管理與維護(hù)。

圖2.1 紅外吸收瓦斯傳感器組成圖

圖2.2 紅外檢測元件結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 紅外檢測元件組成

紅外檢測元件一般包括紅外光源、采樣氣室、濾光片和紅外探測器四部分[4]。為了減小紅外光源的背景干擾，一般采用兩路信號的結(jié)構(gòu)，一路作為測量信號，一路作為參考信號，如圖2.2所示。

2.4 紅外光源

為了最終得到有效的測量信號，紅外光源在氣體強(qiáng)烈吸收紅外輻射的波段處應(yīng)具有較高的輻射能量，也就是說，它必須提供測量所需的足夠的光強(qiáng)。目前，一些中紅外區(qū)域的大功率紅外線發(fā)射管其價(jià)格偏高，所以紅外氣體檢測元件一般采用以鎢絲為燈絲的白熾燈作為紅外光源。

2.5 紅外濾光片

紅外光源發(fā)出的光覆蓋很寬的頻譜，光源發(fā)出的光被氣體吸收以后，到達(dá)探測器的時(shí)會(huì)包含多個(gè)氣體的吸收譜線。

為了確保傳感器對甲烷氣體的高選擇性，防止混合氣體的干擾，須將其他氣體的吸收線濾除。采取的方法是，將氣體吸收后的透射光通過以甲烷氣體特征吸收波長為中心波長的紅外濾光片（選取3.39μm），使該波段內(nèi)的紅外輻射得以通過到達(dá)探測器，而其他波段的光強(qiáng)受到抑制無法通過。探測器檢測到的即為甲烷氣體特征吸收線處的光強(qiáng)。參考光路使用的紅外濾光片的中心波長選在絕大多數(shù)氣體都不會(huì)涉及的波段，通常在選取4.0μm附近波長。其示意圖如圖2.3所示。由此可以看到紅外檢測元件的氣體選擇性較好，不受其它氣體的影響。

圖2.3 氣體吸收峰示意圖

2.6 紅外探測器

透過濾波片的光能量需轉(zhuǎn)換成電信號才能用于處理，而這一過程是通過紅外探測器來完成的，探測器的光敏層由鋰、鉭酸鹽單一晶體化合物組成的薄板電容器組成，鋰鉭是一種熱電晶體，當(dāng)它被加熱時(shí)便反向承載[5]。如圖2.4所示，描述的是紅外輻射線變成為電信號的過程，通過一個(gè)窗口或紅外過濾器，傳輸率t的射線到達(dá)熱點(diǎn)元件，該射線被吸收并在熱電裝置中產(chǎn)生一個(gè)溫度△T。由熱向電的轉(zhuǎn)化取決于△T的變化和電極的承載密度，這之后伴隨著電信號的轉(zhuǎn)化△U。

圖2.4 紅外光轉(zhuǎn)換成電信號的過程示意圖

通過探測器的工作過程，了解到紅外探測器影響著整個(gè)紅外檢測元件的測量精度和響應(yīng)時(shí)間，而探測器對光子強(qiáng)度反應(yīng)靈敏度高，其測量分辨率也較高，這就決定了紅外檢測元件具有較高測量精度和較快的響應(yīng)時(shí)間。

2.7 光學(xué)檢測元件工作原理

目前光學(xué)檢測元件基本都采用的是國外進(jìn)口檢測元件（以英國E2V公司生產(chǎn)的IR12GJ為例），其元件都采用的是雙探測器、單光源、雙光路、折疊式氣室，此種設(shè)計(jì)大大增加了光路長度，減少了檢測元件的體積，其光路模型如圖2.5所示。

圖2.5 紅外吸收檢測元件光路模型圖

鎢絲通電后發(fā)出紅外光，光路經(jīng)過折疊通過氣室，在經(jīng)過兩個(gè)濾光片分別濾出3.9μm和3.39μm的參照光（虛線）和測量光（實(shí)線），照射在兩個(gè)鉭酸鋰熱電探測器上。這種設(shè)計(jì)可使紅外光線多次經(jīng)過氣室，相當(dāng)于增大了氣室的路徑，可以提高檢測精度和靈敏度，同時(shí)也減小了傳感器的體積。這兩個(gè)鉭酸鋰熱電探測器，一個(gè)稱為“參考端”探測器1，另一個(gè)稱為“測量端”探測器2。那么，到達(dá)“測量端”探測器的3.39μm波長的紅外光經(jīng)過甲烷氣體后有明顯的吸收現(xiàn)象，而到達(dá)“參考端”探測器的3.9μm波長的紅外光基本無變化。

在兩個(gè)鉭酸鋰熱電探測器表面上熱量的變化轉(zhuǎn)換為引腳上的電壓信號，由于參考光和測量光是在同一個(gè)環(huán)境下工作，取兩者的電位差進(jìn)行比較即可得到待測的濃度值。當(dāng)光輻射通過甲烷氣體時(shí)，從測量端引腳輸出的電壓峰峰值幅度比從參考端輸出的小。通過研究探測器輸出電壓信號峰峰值的比值，就可以知道周圍目標(biāo)氣體濃度的變化。為此定義吸收百分比Fa：

Fa=1-

式中：S1、S2分別為測量端和參考端的輸出信號電壓峰峰值；其中R定義為：

R=

式中：s'1和s'2為沒有甲烷氣體時(shí)探測器1（測量端）和探測器2（參考端）各自輸出電壓的峰峰值，例如在校準(zhǔn)時(shí)使用的氣體是100%體積的N2（氮?dú)獾娜莘e占?xì)馄咳莘e的100%，即氣瓶內(nèi)為純氮?dú)猓?，不含瓦斯氣體。

根據(jù)朗伯-比爾定律，兩路信號都與當(dāng)前光強(qiáng)成正比，假設(shè)兩個(gè)通道的比例因子分別為k1和k2。對于氣體測量信號：GAS∝k1I0e，對于參考信號：REF∝K2I0。由于光強(qiáng)I0很難準(zhǔn)確測量，為了消除光強(qiáng)因子的影響，對測量信號GAS和參考信號REF求比值，從而消除了光源的影響，提高了測量的準(zhǔn)確性。

由甲烷檢測元件工作原理可以得出，檢測元件對甲烷濃度檢測范圍不受限制，只要內(nèi)部光源的光強(qiáng)度足夠，其光被甲烷吸收后能夠被探測器采集就能實(shí)現(xiàn)對甲烷濃度的測量，所以紅外瓦斯傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)0-100%CH4的測量。

2.8 電氣部分工作原理

電氣部分工作原理即整個(gè)傳感器的工作原理：首先由單片機(jī)產(chǎn)生4Hz、50%占空比的方波信號加載到鎢絲上，調(diào)制鎢絲使其發(fā)出一定頻率的探測光，該探測光經(jīng)過被測氣體區(qū)域后被加有對應(yīng)不同波長濾光片的光電探測器接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換來的信號經(jīng)放大電路放大后送至單片機(jī)進(jìn)行A/D采樣、轉(zhuǎn)換、計(jì)算，同時(shí)測量的溫度信號也被傳送到單片機(jī)，經(jīng)過濾波、計(jì)算、溫度補(bǔ)償?shù)认嚓P(guān)處理，最后由顯示模塊顯示出瓦斯的濃度測量值。

2.9 環(huán)境溫度影響

環(huán)境溫度直接影響著紅外光源的輻射強(qiáng)度、紅外探測器件的響應(yīng)度、信號處理前端電路中分離元件（如耦合電容）的特性等方面。溫度影響具體表現(xiàn)為：在無甲烷氣體時(shí)零點(diǎn)值會(huì)隨溫度的升高而增加；線性度的測量值也會(huì)隨溫度的升高而增加。因此，在數(shù)據(jù)處理上，相應(yīng)的零點(diǎn)和線性都需要做單獨(dú)的溫度補(bǔ)償。

通過傳感器整機(jī)做溫度補(bǔ)償，將檢測元件溫度影響和硬件電路部分器件的溫度影響一起進(jìn)行溫度補(bǔ)償。根據(jù)零點(diǎn)和線性的溫度補(bǔ)償流程進(jìn)行溫度實(shí)驗(yàn)，并通過計(jì)算公式計(jì)算得到溫度補(bǔ)償?shù)母黜?xiàng)參數(shù)。另外溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可直接輸入到廠家提供的軟件中進(jìn)行反算得到溫度補(bǔ)償?shù)母黜?xiàng)參數(shù)，并可根據(jù)軟件進(jìn)行仿真出溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?，其溫度補(bǔ)償后示意圖如圖3.6、3.7，圖3.7以2.00%CH4點(diǎn)為例。

通過對紅外瓦斯傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，其整個(gè)線性段內(nèi)其精度可以達(dá)到0-1.00%CH4時(shí)±0.06，而在1.00%-100%CH4內(nèi)測量精度滿足測量值的±6%。其測量精度遠(yuǎn)高于催化瓦斯傳感器的測量精度。

3.各類型瓦斯傳感器特性對比分析

根據(jù)對紅外瓦斯傳感器濃度檢測工作原理的詳細(xì)分析和特性總結(jié)，并結(jié)合其它各檢測原理特性做一綜合對比，其對比表見表3.1。

表3.1 各類瓦斯傳感器特性對比表

催化燃燒型熱導(dǎo)型紅外吸收型光干涉型

物質(zhì)消耗有有無無

測量范圍窄較寬寬寬

測量精度一般差高高

免標(biāo)校時(shí)間15天15天2個(gè)月以上——

高濃沖擊影響有無無無

元件中毒問題有有無無

其他氣體影響有有無有

濕度影響有有有有

使用壽命短短長長

響應(yīng)時(shí)間快一般較快慢

維護(hù)周期頻繁頻繁較少較頻繁

在線監(jiān)測是是是否

煤礦應(yīng)用時(shí)間長長較長長

從對比表中可看到紅外瓦斯傳感器的各項(xiàng)性能都較為突出，特別是測量范圍寬、測量精度高、免標(biāo)校時(shí)間長、使用壽命長和較少量的維護(hù)，正是當(dāng)前煤礦所需要的。特別是一些人手不足且技術(shù)實(shí)力薄弱的小型煤礦，通過紅外瓦斯傳感器的應(yīng)用可提高瓦斯監(jiān)測的準(zhǔn)確性和降低傳感器的維護(hù)工作量，進(jìn)一步保證小型煤礦的瓦斯監(jiān)測的可靠性。

4.紅外瓦斯傳感器在小煤礦推廣的可行性

4.1 國內(nèi)小煤礦催化瓦斯傳感器使用現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)小煤礦井下用于檢測瓦斯的固定式在線監(jiān)測用傳感器，主要為采用載體催化式檢測元件的瓦斯傳感器，主要不足表現(xiàn)在：

（1）測量范圍只能測量0-4%濃度段，高于4%后無法正確測量，并且受高濃沖擊后檢測元件性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)誤報(bào)警等異?，F(xiàn)象；

（2）部分礦井煤層含硫化氫等氣體，載體催化元件會(huì)發(fā)生中毒問題，嚴(yán)重影響瓦斯傳感器的正確測量，影響礦井安全生產(chǎn)的同時(shí)，增加了產(chǎn)品的維修成本；

（3）工作穩(wěn)定性短，往往達(dá)不到10天就需要進(jìn)行標(biāo)校，大大增加了對傳感器的維護(hù)工作量，部分小煤礦無法投入更多的人力進(jìn)行傳感器的日常維護(hù)。

由于催化式瓦斯傳感器存在著上述問題，越來越多的煤礦特別是小型煤礦，由其人手不足且技術(shù)實(shí)力相對薄弱，對傳感器的日常維護(hù)很難落實(shí)到位。需要一種具備全量程測量能力、長時(shí)間不用標(biāo)校、工作相對穩(wěn)定的瓦斯傳感器替代現(xiàn)有的載體催化式瓦斯傳感器。

4.2 紅外瓦斯傳感器的使用情況

隨著煤礦對紅外瓦斯傳感器需求的增加，國內(nèi)主要的礦用傳感器生產(chǎn)廠家都對紅外瓦斯傳感器進(jìn)行了開發(fā)，并且發(fā)展較為迅速。已有20多家單位取得了紅外瓦斯傳感器的煤礦相關(guān)證件，紅外瓦斯傳感器在煤礦應(yīng)用也越來越多，對傳感器各項(xiàng)性能也在不斷的進(jìn)行完善。經(jīng)過多年煤礦的實(shí)際使用，紅外瓦斯傳感器使用過程中出現(xiàn)的問題已得到有效的解決。紅外瓦斯傳感器的測量范圍寬、測量精度高、免標(biāo)校時(shí)間長、使用壽命長和較少量的維護(hù)等優(yōu)勢也得到了煤礦用戶的認(rèn)可。

4.3 紅外瓦斯傳感器成本分析

與催化瓦斯傳感器相比紅外瓦斯傳感器的價(jià)格相對較高，而紅外瓦斯傳感器的價(jià)格主要取決于紅外檢測元件的價(jià)格，元件成本相對較高，直接造成了紅外瓦斯傳感器的成本較高。

但是，紅外瓦斯傳感器所用檢測元件的壽命遠(yuǎn)長于催化瓦斯傳感器，同時(shí)其工作穩(wěn)定性也優(yōu)于催化瓦斯傳感器，從而減少了瓦斯傳感器的日常維護(hù)、管理和維修成本，所以紅外瓦斯傳感器的綜合使用成本并不高于催化瓦斯傳感器。

隨著紅外瓦斯傳感器逐步推廣，其檢測元件的用量將逐步增加，相應(yīng)的紅外檢測元件的價(jià)格也將有所下降。同時(shí)，國外元件生產(chǎn)企業(yè)陸續(xù)開始在國內(nèi)建設(shè)生產(chǎn)基地，紅外檢測元件的價(jià)格也有望逐步的降低。所以，紅外瓦斯傳感器的成本也會(huì)逐步降低。

5.結(jié)論

紅外瓦斯傳感器具有測量范圍寬、測量精度高、免標(biāo)校時(shí)間長、使用壽命長和較少量的維護(hù)，完全適用于人手不足且技術(shù)實(shí)力薄弱的小型煤礦，通過紅外瓦斯傳感器的應(yīng)用，既能提高小型煤礦瓦斯監(jiān)測的準(zhǔn)確性，又能降低了傳感器的維護(hù)工作量。

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