成 程

（山西寿阳潞阳麦捷煤业有限公司，山西 晋中 031700）

引言

煤矿安全生产备受企业和作业人员的关注，瓦斯爆炸、井下透水、顶板冒顶等均是威胁煤矿安全生产的主要因素。以瓦斯为例，煤炭开采时煤层中间的蕴藏的瓦斯会溢出，除了在开采前采取了预抽采技术降低了瓦斯的涌出量外，在实际开采期间还需采用通风系统稀释工作面的瓦斯浓度，将瓦斯浓度控制在《煤炭安全规程》的标准范围之内。对于通风系统而言，需根据工作面的瓦斯浓度对风量、风压等参数进行调节，以保证瓦斯浓度在合理范围之内，这就对精准、灵活、实时对工作面瓦斯浓度进行测定。鉴于上述需求本文将设计激光甲烷气体传感器，具体阐述如下。

1 激光甲烷传感器检测原理

根据量子力学理论可知，分子在吸收特定频率的光子之后会跃迁至更高的能级；反之，分子在释放特定频率的光子后会降低至更低的能级。对于不同的气体而言，尤其其成分和结构不同，导致其在能级跃迁方面存在较大的差异性；而且对于不同的气体而言其所能够吸收光的频率也不同。因此，可根据不同气体可通过其对应吸收光谱的不同对待测气体进行定性分析[1]。

对于煤矿综采工作面的瓦斯而言，其主要成分为甲烷，其对应的吸收峰最强烈的谱线在3 000 mm～4 000 mm 之间。

基于不同分子气体对光谱的吸收选择性，实现对瓦斯气体的检测是可行的。目前，可应用的检测方法包括有固定波长检测法和可谐调半导体激光光谱吸收法；两种检测方向相对比可知，可谐调半导体激光光谱吸收法可在很大程度上对噪声信号进行抑制，从而提升气体的检测精度；同时，该种检测方法对应的检测装置的结构简单，可实现对瓦斯气体更加稳定、可靠的检测。

因此，根据不同气体对光谱吸收的选择性原理，并采用可谐调半导体激光光谱吸收法设计甲烷传感器实现对综采工作面瓦斯浓度的高精度、高可靠性以及高稳定性的检测。

2 激光甲烷传感器的设计

在上述检测原理和检测方法研究的基础上，设计的激光甲烷传感器的总体方案框图，如图1 所示。

图1 激光甲烷传感器总体方案框图

如图1 所示，从整个上分析激光甲烷传感器包括有监控和传感器两部分；监控和传感器之间通过串口、以太网和USB 实现通信。为保证所设计的激光甲烷传感器的性能满足综采工作面瓦斯浓度的检测需求，需重点对光源的波长进行调制，并对所接收的谐波进行检测[2]。结合相关理论基础完成光源、光接收器的选型和气室几何尺寸的设计；最后完成传感器相关软硬件的设计。

2.1 光源的选择

可用于激光传感器的光源分为非相干光源和相干光源两部分。其中，非相干光源包括有白炽灯光源、发光二极管；相干光源主要指的是各类型的激光器，包括气体、液体、固体以及半导体类的激光器[3]。

对于半导体激光器而言，布拉格光栅仅对特定频率的光波进行反射。也就是说以半导体激光器作为光源的传感器具有更高的测量精度、更快的响应速度以及更高的稳定性等。因此，本方案选用半导体激光器作为激光甲烷气体传感器的光源。

2.2 气室的设计

气室作为激光甲烷传感器探头，探头的设计对于保证传感器的检测精度、灵敏度十分重要。因此，所设计的气室需满足以下条件：所设计气室的长度应大于半导体激光器所发射激光的相干波长；保证气室具有足够的空间使其能够实现合理的对流，从而保证的响应时间；保证气室不能够引入其他噪声影响传感器的检测精度[4]。

目前，可应用于传感器探头的气室包括有球面透镜构成的透射性气室、反射性气室以及小型渐变折射率透镜构成的透射性气室。其中，球面透镜构成的透射性气室、反射性气室的稳定性容易受温度的影响，而且其抗震性能也较差。因此，传感器采用小型渐变折射率透镜构成的透射性气室作为其探头，气室结构的加工难度较大，可能会影响传感器的测量灵敏度。因此，需要为该结构的气室配套合理的谐波检测技术和信号提取技术以降低对传感器测量灵敏度的影响。

根据激光甲烷气体传感器的特点，所选择半导体激光器的相干波长为3 cm，考虑一定的冗余，设计气室的长度为5 cm。

2.3 激光甲烷气体传感器系统的软件设计

在上述核心硬件类型及其结构设计的基础上，根据激光甲烷气体传感器的功能需求，要求所设计的激光甲烷气体传感器的包括波形发生、信号采集、显示控制以及功能设置四部分。信号采集与处理部分为传感器的核心[5]。

3 激光甲烷气体传感器的检测

本节重点对上述所设计的激光甲烷气体传感器的检测性能进行试验分析。具体阐述如下：

3.1 单纯甲烷气体浓度的检测精度

在常温常压的环境下，对甲烷理论浓度（体积分数，下同）值为0.51%、1.53%、3.47%、7.52%以及9.47%的气体采用上述所设计的传感器进行检测，检测结果，如表1 所示。

表1 单纯甲烷气体检测精度 %

如表其所示，当甲烷气体浓度低于1%时，该传感器的测试误差为0.06%；当甲烷气体浓度大于1%时，该传感器检测的误差为真实值的6%左右。

3.2 甲烷气体浓度的稳定性试验

自常温常压的的环境下，对甲烷气体浓度为2%的气体在不同测试次数下进行采集测试的结果进行对比，对比结果，如表2 所示。

表2 传感器测试稳定性试验

分析表2 中的测试数据可知，在整个测量过程中，所测得甲烷气体浓度的误差值不超过0.12%，满足检测仪表的相关规定。

4 结语

煤矿安全生产备受企业和人员的关注，当工作面瓦斯浓度超标时会严重威胁工作面的安全生产。因此，对开采前采取相应的瓦斯预抽采操作，并根据对工作面瓦斯浓度的实时监测对通风系统进行调节以保证瓦斯浓度满足《煤矿安全规程》的相关规范是十分有必要的。为此，本文基于不同气体对光谱吸收选择性的原理，设计了激光甲烷气体传感器，经过测试可知：所设计的传感器不论是在测试精度还是在稳定性方面均满足要求。