劉瑞瑞

（晉能控股集團四老溝礦信息中心， 山西 大同 037036）

引言

我國具有大量的煤礦進行地下煤層的開采，在煤炭的開采過程中，由于井下的爆破作業(yè)及煤層的緩慢氧化等，會產生一定的CO 氣體。CO 氣體無色無味，不易察覺，當超過一定濃度時存在著爆炸的危險[1]，且對井下工作人員的健康造成威脅，是煤礦開采過程中的安全隱患。在井下作業(yè)中，采用CO 傳感器對井下的CO 氣體進行濃度檢測是保證煤礦安全必不可少的環(huán)節(jié)[2]。在進行井下的CO 氣體檢測中，傳感器的形式多樣，在使用過程中存在著傳感器系統(tǒng)的體積過大、靈敏度不足的問題，對礦井中的CO 氣體檢測精度不足，針對這一問題，采用光聲光譜技術進行CO傳感器的設計[3]，利用檢測系統(tǒng)的靈敏度與CO 氣體的吸收線強度關系提高傳感器檢測的靈敏度，從而提高對礦井CO 氣體的檢測精度，及時有效地掌握礦井的CO 氣體濃度[4]，從而采取針對性的措施，保證煤礦的安全開采。

1 光聲光譜CO 傳感器的設計

為保證檢測系統(tǒng)的靈敏度，采用六氟化硫（SF6）氣體代替空氣作為反應環(huán)境。六氟化硫作為絕緣介質材料，具有強電負性的特點，絕緣強度是空氣的2.5倍，能保證傳感系統(tǒng)的檢測精度[5]，在電氣設備中具有廣泛的應用。采用光聲光譜技術對CO 氣體的濃度進行檢測，對CO 氣體的吸收特性進行分析[6]，CO 氣體的紅外波長具有 1.56 μm、2.33 μm 及 4.7 μm 三個較強的吸收帶，SF6氣體在10～17 μm 內的吸收性較好。為提高檢測系統(tǒng)的靈敏度，應選擇4.7 μm 的基頻作為探測波長進行設計，但在4.7 μm 的波長時SF6氣體的濃度較大時會對其他氣體衍生物的探測造成影響[7]，影響對CO 氣體濃度的檢測。

對CO 氣體及SF6進行混合測定紅外吸收光譜，得到如圖1 所示的紅外吸收譜線分布。從圖1 中可以看出，在波長大于3.3 μm 的區(qū)域內，SF6氣體具有較強的吸收譜線，在4.7 μm 時SF6氣體濃度的變化會對光聲信號的強弱造成影響[8]，從而影響對CO 氣體的檢測精度。由此針對CO 氣體的紅外吸收光譜，選擇2.33 μm 作為檢測目標的吸收線波長，此時的SF6氣體對CO 氣體的吸收沒有影響，從而可以提高檢測系統(tǒng)的靈敏度。

圖1 CO 與SF6 氣體的吸收光譜分布

采用單模的DFB 激光器作為激勵光源，建立CO氣體傳感器的檢測系統(tǒng)如圖2 所示。采用純凈的SF6氣體與一定配比后的CO/SF6氣體進行混合后輸入到配氣系統(tǒng)中[9]，在系統(tǒng)的進氣口及出氣口采用壓力控制器及針閥控制系統(tǒng)的壓強及氣體流速，保證檢測環(huán)境的穩(wěn)定。光聲池采用光學的諧振室、光學窗口及緩沖室構成，在諧振室的中間位置帶有小孔，安裝靈敏度較高的麥克風進行光聲信號的采集[10]。采用DFB激光器進行激光信號的發(fā)射，沒有激勵激光發(fā)生時，由于光聲池的對稱結構設置，此時檢測到的氣流及環(huán)境噪聲等一致，當有激勵激光產生時，采用差分電路的形式降低系統(tǒng)的噪聲影響進行CO 氣體濃度的檢測。

圖2 CO 氣體傳感器檢測系統(tǒng)示意圖

DFB 激光器采用臺式溫度控制器進行控制，設定采樣的溫度為29 ℃，通過電流驅動器進行激勵激光的電流控制[11]，信號發(fā)生器發(fā)出標準的鋸齒波信號及正弦信號，并通過加法器后由電流驅動器進行掃描激光信號的波長，經過DFB 激光器輸出的激光通過光纖準直器的校正輸入到光聲池中，此時的激光信號經過準直后直徑為7.3 mm，可以保證與光聲池無接觸通過光聲池。

對CO 氣體進行濃度檢測，在檢測過程中傳感器的響應時間對于檢測結果的精度及準確性也具有重要的影響。響應時間指CO 氣體濃度變化時，檢測到氣體到達到信號穩(wěn)定幅值的90%所需的時間，在煤礦井下的CO 氣體濃度變化過程中，響應時間越小對于檢測的靈敏度及精度越有利[12]。在CO 氣體的檢測系統(tǒng)中，氣體與池壁之間的吸附過程較快，其吸附的時間可以不計，對檢測響應時間造成影響的主要是傳感器系統(tǒng)的換氣時間。換氣時間的長短主要與氣體的氣流速度及光聲池的體積相關，在設計好的光聲池中，為縮短換氣時間，可通過增加氣流速度的形式減小傳感器的響應時間。在CO 傳感器中，光聲池的噪聲會隨氣體流速的增加而增加，不能單純地提高氣流的速度，為此將光聲池的換氣通道改為雙通道的結構，對氣流的噪聲進行抑制的同時提高傳感器的響應時間，進一步優(yōu)化提高傳感器的靈敏度。

2 光聲光譜CO 傳感器的性能評估

對所設計的傳感器進行性能評估，在所設計的傳感器系統(tǒng)中將不同濃度的CO/SF6氣體注入到光聲池中，在系統(tǒng)的光聲信號輸出值穩(wěn)定后，記錄100 s 時光聲信號的幅值進行傳感器靈敏度的測定。在CO/SF6氣體體積分數(shù)不同時，光聲信號的幅值響應如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在不同的氣體體積分數(shù)下的光聲信號值不同，在50×10-6體積分數(shù)時，信號幅值為19.6 μV；經計算得到在1 s 內傳感器檢測的靈敏度為1.85×10-6體積分數(shù)，靈敏度達到10-6，傳感器的靈敏度較高，可以大幅提高煤礦CO 氣體檢測的靈敏度特性。

圖3 不同氣體濃度檢測的光聲信號響應值

為保證傳感器檢測數(shù)據(jù)的準確性，對傳感器的響應線性度進行分析，同樣將不同濃度的CO/SF6氣體注入到光聲池中，在系統(tǒng)的光聲信號輸出值穩(wěn)定后，對所產生的幅值最大值進行記錄，得到在CO/SF6氣體體積分數(shù)不同時，光聲信號的幅值響應線性度如圖4 所示。從圖4 中可以看出，對傳感器的響應線性度進行擬合得到其R2值為0.999 7，表明傳感器的線性響應性能優(yōu)異，保證了煤礦使用測量結果的準確性。

圖4 CO 傳感器線性響應度分布

3 結語

煤礦井下的開采過程中會產生CO 氣體，對煤礦的安全開采造成影響，需采用CO 氣體傳感器對井下的CO 氣體濃度進行實時的檢測，保證煤礦的安全。針對CO 氣體傳感器的檢測靈敏度不足的問題，采用光聲光譜技術對CO 氣體傳感器進行優(yōu)化設計。采用SF6惰性氣體搭建CO 氣體檢測的絕緣環(huán)境，并選擇2.33 μm 作為檢測的波長，通過DFB 激光發(fā)生器作為激勵光源，對CO 氣體的濃度進行檢測，并采用雙通道的光聲池結構提高傳感器檢測的響應時間，保證檢測的精度。對所設計的CO 氣體傳感器進行性能檢測，靈敏度達到10-6，傳感器的靈敏度較高，且具有較高的線性響應度，保證了對井下CO 氣體檢測的準確性，為煤礦的安全開采提供保障。