CN101545856A - 煤矿采空区火灾光纤气体检测仪 - Google Patents

Abstract

一种煤矿采空区火灾光纤气体检测仪，它包括光源，探头，光电探测器和信号处理单元，所述光源发出的光经探头送入光电探测器转换为电信号送入信号处理单元处理，其特征是在所述光源和探头之间的光路上设置光环行器，所述光源与光环行器第一端口连接，探头与光环行器的第二端口连接，所述光环行器第三端口与光电转换器连接，所述探头结构为多次反射式怀特池结构，在怀特池的出射端设置末端光纤准直器和光纤反射镜。

Description

煤矿采空区火灾光纤气体检测仪

技术领域

本发明属于煤矿采空区火灾检测技术，具体而言是应用于煤矿矿井的火灾气体光纤检测仪。

背景技术

近几年来，随着我国经济的快速迅猛发展，越来越多的环境以及安全生产问题也不断出现。近几年来我国煤矿矿山频频出现伤及人身安全的大型安全事故，瓦斯***不断，煤矿火灾频频出现。要维护正常的生产生活，就必须对这些问题进行有效的解决。气体检测是实现安全生产的一大手段。在煤矿，采空区自然发火的火灾预测也是基于一氧化碳、乙炔、乙烯、氢气以及硫化物等微量气体实现的，可见开发一种能够实现痕量气体检测的传感器对煤矿安全生产是十分有必要的。现有煤矿普遍使用的基于特征气体分析的预测预报仪表与装置，主要有束管集中检测***和气相色谱仪。束管集中检测***与传感器。此***也称为束管***，是目前我国煤矿使用得比较多的***。该***是基于气体分析的原理，已在许多矿井中应用，而且近年亦有较大的改进与提高。不足之处是，束管***使用的是分离式传感器，要增加维护量和经费；并且束管容易被堵塞或者破裂，影响检测效果；同时它需要花费很长时间通过束管从采空区抽取气体，检测反应慢，不易在采空区长期在线检测。煤矿气相色谱仪。适于分析常微量矿井大气组分、火灾气体组分和瓦斯突出气体组分等，高检测性能，检测效果好。但是***复杂，灵活性差，只能用作现场样气进行采样后才能分析气体浓度，也是无法在采空区现场实现长期在线监测。

目前国内最先进的气体检测技术是基于TDLAS的火灾气体检测技术，该技术方案使用怀特池结构实现激光在气体吸收池内的多次反射，提高检测的灵敏度，被广泛应用于大气检测等领域。但是该方案中的气体吸收池部分入射端使用光纤准直器入射一束平行光，光束多次反射后，从另一口输出，输出的光没有耦合到光纤中，而是使用感光面较大的光电探测器进行光电转换，然后进行信号处理，因此探头与信号分析处理部分往往距离较近，无法远程检测，从而无法在距离地面几公里甚至几十公里远的采空区使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于煤矿采空区自然发火火灾气体检测的远程不带电全光纤气体传感器火灾检测仪以解决现有技术存在的问题。

本发明的技术方案如下：一种煤矿采空区火灾光纤气体检测仪，它包括光源，探头，光电探测器和信号处理，所述光源发出的光经探头送入光电探测器转换为电信号送入信号处理单元处理，其特征是在所述光源和探头之间的光路上设置光环行器，所述光源与光环行器第一端口连接，探头与光环行器的第二端口连接，所述光环行器第三端口与光电转换器连接，所述探头结构为多次反射式怀特池结构，在怀特池的出射端设置末端光纤准直器和光纤反射镜，所述光源为分布反馈式半导体激光器。

所述光源由直流信号发生器，锯齿波发生器和正弦信号发生器共同驱动。所述光环形器采用通讯用1.5um中心波长三端口光环形器。使用三端口光环形器可以有效地解决同一根光纤即作为探头的输入通路又做为探头的返回光造成的巨大损耗。

探头采用了多次反射式怀特池结构，怀特池内三块镜片曲率半径相同；怀特池输入端采用一个光纤准直器作为入射端光纤准直器；入射端光纤准直器的工作距离等于怀特池镜片曲率半径，光纤内的光直接输出至空气中将是发散的光，入射端光纤准直器可以将光纤内的光变为一束平行的光束发射出来；怀特池输出端也采用与输入端完全一样的光纤准直器来接收怀特池输出的光，并耦合到光纤内，使之适合于光纤内传输；怀特池末端准直器接收到的光被光纤反射镜反射，使光按原路返回，根据光的可逆原理，反射光经过怀特池、入射端准直器和光缆可以原路返回到光环形器，通过光环形器的第二端口入，并由第三端口输出。

激光在怀特池内充分吸收后，通过光缆和光环形器返回进入光电探测器。

所述光电探测器采用铟钾砷光电探测器，可以有效地工作在近红外波段进行光电转换，光电探测器将光信号转换为电信号。

所述信号处理单元包括接收光电探测器输出的电信号的锁相放大器，所述锁相放大器输出电信号经数字采集卡送入计算机处理，所述锁相放大器与正弦信号发生器通过倍频电路连接。电信号进入锁相放大器，锁相放大器的参考信号频率等于光源正弦驱动信号频率的两倍，是光源驱动正弦信号发生器经过倍频后的信号；锁相放大器在电子行业里普遍使用，功能是将信号中符合参考信号频率的信号提取，其他成分滤除，因此锁相放大器输出的信号是二次谐波分量信号，直接体现了气体的吸收强弱，计算机通过A/D数据采集卡采集这个信号进行反演，计算出气体浓度值，实现了气体检测。

本方案的重要理论依据是气体分子的选择吸收理论：气体分子只能吸收那些能量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子。因此，不同分子结构的气体会因为其结构不同所决定的不同能级而吸收不同频率的光子，这就是气体分子的选择吸收。吸收这个光子后，分子跃迁到激发态，在激发态停留非常短的时间后，又通过直接发射，释放出这个光子，回到稳定的基状。由于分子的不断运动，释放光子的出射方向已经不是原入射方向了，而是4π球面立体角中任意发射。从另一个角度来说，这就相当于入射方向上的光子被散射掉了(瑞利散射)。由于气体分子结构具有互异性，不同气体的吸收光谱因其分子结构的不同而互不相同，因此，当检测到某种特定波长(或者频率)的光被吸收了，就标志这种特定的气体存在。在吸收一发射过程中，分子的运动形式决定了它对不同频率光子的不同能量转移效率，这种效率的直观表达，就是吸收系数的相对频率的分布，也就是吸收线形。一些常见气体在石英光纤的低损耗窗口内的吸收峰见表1所示。

表1 常见气体在近红外波段的的吸收线

 

气体	波长/(μm)
		二氧化碳CO2	1.573
一氧化碳CO	1.567
		二氧化氮NO2	0.8
甲烷CH4	1.665
		乙炔C2H2	1.53
氨气NH3	1.544
		硫化氢H2S	1.578
氧气O2	0.761

当光通过某种气体时，即使不发生反射、折射和衍射现象，其传播情况也会发生变化。这是因为光频电磁波与组成介质的原子、分子将发生作用，使光波特性发生变化，主要包括吸收和散射。本方案主要是利用气体介质对光吸收而使光的强度产生衰减这一特性制成吸收式光纤气体传感器。

吸收式传感器的理论模型如图1所示，光源发出的光经过气室被气体吸收，由Beer-Lambert定律可得出关系式：

I＝I₀exp(-α_λcL)        (1)

式中I-经过气体的吸收后的出射光强度；

λ-入射激光波长；；

α-单位吸收长度、单位浓度的气体吸收系数；

c-气体浓度；

L-通过气室的路径长度(cm)。

由式(2-1)可推出：

$c=\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\λ}}L}\ln \frac{I_0}{I}---\left(2\right)$

上式可以看出，在已知输入光强和吸收系数并检测出输出光强时便可以计算出气体的浓度值。

光源(1)发出一束波长为λ的光，传输到装载被测气体的气室(2)，入射光经气体吸收衰减后被光探测器(3)接受并转换成电信号，把该微弱信号放大后进行处理(4)，根据以上理论可以计算反演出气体的浓度。

在煤矿采空区自然发火的气体检测中，往往在火灾未成形之前首先释放出微量的一氧化碳等气体，这些气体对于火灾检测十分有用，但是由于火灾尚未成行，只是在火灾幼发期，因此像一氧化碳这样的关键气体在空气中的含量也紧紧是ppm的量级，目前使用普通扫描方法检测气体浓度的传感器灵敏度达不到检测要求，因此需要引进谐波检测来提高信号解调的信噪比。

谐波检测(Harmonic Deteciton)最早是作为一种检测微弱信号的方法被提出的，在电子光谱、核磁共振、Zeeman及Stark光谱以及声光光谱的研究中得到广泛的应用。它的基本原理是通过高频调制某个依赖于频率的信号，使其扫描待测对象；然后在信号的检测处理中，以调制频率或调制频率的倍频作为参考信号，利用锁相放大器记录下要得到的特征信息即各次谐波系数。傅里叶变换理论是谐波检测技术的理论基础，它要求被变换的函数满足一定的条件，因此谐波检测要求待测对象的特征满足一定的数学模型条件，否则将在理论上带来误差。

在研究气体的吸收系数时，利用谐波检测方法得到的实验结果和理论计算相当吻合，由此说明气体吸收的数学模型可以用来分析气体的吸收现象。相反，当已知某一气体的吸收系数时，就可以应用这一技术分析该气体的浓度，这正是确定谐波检测技术作为***最终方案的理论依据。

谐波检测的理论分析谐波检测的基本思想是激光器经过调制使输出光的频率成正弦变化，经过待测气体吸收后频率调制转化成强度调制，检测输出光强并分析其谐波分量与气体浓度成一定关系。

激光器采用分布反馈式半导体激光器(DFB)具有电流一频率调制性质。当调制系数较小时，输出光波长随注入电流强度成线性变化。调制光源的输入电流可以表示为：

i(t)＝i₀(1+dsinωt)          (3)

其中，直流量i₀保证激光器的中心波长接近λ₀；d为调制系数，产生一个正弦变化的波长，调制波形如图2.激光器的输出波长可表示为：

λ_t＝λ_0s(1+nsinωt)           (4)

式中，λ_0s为激光器注入电流i₀时输出中心波长。

同时，光强也被正弦调制为：

I_t＝I₀(1+msinωt)            (5)

公式中，m为强度调制系数；

n为波长调制系数；

ω为调制频率。

经过调制后的Beer-Lamber定律可以表示为：

$I_t=I_0(1+m\sin \mathrm{\ωt})\exp (-\mathrm{\αLc})\≈I_0(1+m\sin \mathrm{\ωt})(1-{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_t}\mathrm{Lc})---\left(6\right)$

在实际的检测中，***工作在常温常压的环境下，要检测的气体浓度较低，分子之间的碰撞影响小。因此，气体的吸收线形主要由多普勒效应决定，吸收系数可以表示为：

${\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_t}={\mathrm{\α}}_0\exp \{-[{({\mathrm{\λ}}_t-{\mathrm{\λ}}_0)}^2/{\mathrm{\Δ\λ}}^2]\·\ln 2\}---\left(7\right)$

将式(4)带入式(7)可得：

${\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_t}={\mathrm{\α}}_0\exp [-{({\mathrm{\Δ\λ}}_0+n{\mathrm{\λ}}_{0s}\sin \mathrm{\ωt})}^2\·p]---\left(8\right)$

式中：Δλ₀＝λ_0s-λ₀，为光源中心波长与气体吸收中心波长差；

p＝ln2/Δλ²；

Δλ-吸收谱的半宽度；

将式(8)带入式(6)得：

I_t＝I₀(1+msinωt)-I₀(1+msinωt)·c·L·α₀·exp[-(Δλ₀+nλ_0ssinωt)²·p]   (9)

激光器输出光波长λ_0s与气体吸收峰λ₀非常接近即Δλ₀≈0，调制幅度n也很小，因此

将式(9)进行多项式展开得：

$I_t=I_0\{[1-\mathrm{cL}{\mathrm{\α}}_0(1-\mathrm{p\Δ}{{\mathrm{\λ}}_0}^2-{\mathrm{\Δ\λ}}_0\mathrm{nm}{\mathrm{\λ}}_{0s}p-\frac{1}{2}{\mathrm{pn}}^2{{\mathrm{\λ}}_{0s}}^2)]$

$+m[1-\mathrm{cL}{\mathrm{\α}}_0(1-\mathrm{p\Δ}{{\mathrm{\λ}}_0}^2-2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_0{{\mathrm{\λ}}_{0s}}^2\mathrm{pn}/m-\frac{3}{4}\mathrm{cL}{\mathrm{\α}}_0{\mathrm{pn}}^2{{\mathrm{\λ}}_{0s}}^2)]\sin \mathrm{\ωt}$

$-\mathrm{cL}{\mathrm{\α}}_0({\mathrm{\Δ\λ}}_{0}n{\mathrm{\λ}}_{0s}\mathrm{pm}+\frac{1}{2}{\mathrm{pn}}^2{{\mathrm{\λ}}_{0s}}^2)\cos 2\mathrm{\ωt}-\frac{1}{4}\mathrm{cL}{\mathrm{\α}}_0\mathrm{mp}{n}^2{{\mathrm{\λ}}_{0s}}^2\sin 3\mathrm{\ωt}\}---\left(10\right)$

输出波长在吸收峰时，即Δλ₀＝0，上式变成：

$I_t=I_0\{[1-\mathrm{cL}{\mathrm{\α}}_0(1-\frac{1}{2}{\mathrm{pn}}^2{{\mathrm{\λ}}_{0s}}^2)]+m[1-\mathrm{cL}{\mathrm{\α}}_0(1-\frac{3}{4}\mathrm{cL}{\mathrm{\α}}_0{\mathrm{pn}}^2{{\mathrm{\λ}}_{0s}}^2)]\sin \mathrm{\ωt}$

$-\mathrm{cL}{\mathrm{\α}}_0\left(\frac{1}{2}{\mathrm{pn}}^2{{\mathrm{\λ}}_{0s}}^2\right)\cos 2\mathrm{\ωt}-\frac{1}{4}\mathrm{cL}{\mathrm{\α}}_{0}m{\mathrm{pn}}^2{{\mathrm{\λ}}_{0s}}^2\sin 3\mathrm{\ωt}\}---\left(11\right)$

从式(10)和(11)可以看出，经过气体吸收后的光强中除了直流分量外，还包括基波、二次谐波和三次谐波，尽管它们都含有浓度信息，但很容易看出当采取一定措施使Δλ₀＝0时，二次谐波分量最大，并且也比较稳定，易于检测，因此检测二次谐波是一种很好的方案；但是由于激光器输出中心波长λ_0s还要受到环境温度的影响，因此很难保证Δλ₀＝0，叠加一个低频的锯齿波调制，使得λ_0s围绕吸收峰波长λ₀处扫描，将会在每一个锯齿波周期内都会得到一个二次分量的最大值，即对应于λ_0s＝λ₀，从而解决了激光器输出中心波长漂移的问题。

由以上分析可以发现，首先是解决以上提及的束管***的反应时间慢、束管易堵塞破裂问题，该方案中气体传感器探头直接放置于采空区现场，无需采集样气至分析处理单元，因此不存在束管堵塞、破裂等问题；其次是气相色谱仪的不灵活方便以及不易于长期在线观测问题，本方案中探头直接安置于采空区当地，无需采集样气，解决了采集样气造成的不灵活等问题，通过光缆进行光的信号传输，不涉及供电问题，因此本质安全，在采空区可以长期在线检测；最后是对TDLAS***方案中的怀特池结构进一步改进，末端使用光纤准直器接收输出光，并且使用光纤反射镜将光原路返回，因此信号处理部分与气体吸收池部分仅仅使用同一根光纤作为连接，可以摆脱空间距离的束缚，实现远程检测。这种设计不仅能够在采空区不带电情况下工作，并且能够实现长期稳定工作，实现在线实时检测，校正周期长等优点，提高了煤矿采空区内火灾检测的准确性和安全性。本发明的有益效果十分明显，首先，改进了气体吸收池的关键问题，使用了与入射端匹配的光纤准直器接收光，并且使用光纤反射镜使光按照原路返回，倍增了吸收光程，又使之能够全部使用光纤连接，探头与信号处理单元分离，从而能够在煤矿中使用全光纤将探头与解调仪远程连接，实现了光纤远程检测；其次，通过利用气体对激光的吸收原理以及激光扫描方式解决了传统电子气体检测中存在的漂移和校正问题；第三，光纤传输光速度非常快，检测灵敏迅速，解决了束管***和气相色谱仪的检测响应时间慢和长期在线检测的难度等问题。第四，使用光纤环行器作为返回光分离的器件，相比光纤耦合器而言，光纤环行器由于器件本身原因造成的光损耗不超过1dB，而使用光纤耦合器，器件本身损耗至少为6dB，从而大大减少的不必要的光损耗，提高了信噪比。

附图说明

图1、吸收型光纤气体传感器基本结构图；

图2、扫描二次谐波原理图；

图3、二次谐波法气体检测***结构图；

图4、激光器驱动电流信号；

图5、气体吸收后的原始信号；

图6、锁相放大器输出二次谐波分量信号；

图7、气体吸收池结构图；

图8、三端口光纤环形器；

图9、不同浓度一氧化碳气体检测结果对比图；

图中：1-入射端光纤准直器，2-凹面反射镜1，3-凹面反射镜2，4-凹面反射镜3，5-末端光纤准直器，6-光纤反射镜。

具体实施方式

如图3所示，选择带有温控的分布反馈式半导体激光器作为光源；驱动电流信号与时间关系如图4所示，为上述三种信号的叠加效果，由于激光器发出激光中心波长与驱动电流大小也近似为线性关系，因此此驱动信号驱动激光器发出的光波长变化也是以上三种信号波形叠加效果。锯齿波信号为100Hz，正弦信号为10KHz。光源的中心波长要求根据表1中气体对应吸收峰位置选择合适的中心波长，不同种气体需要不同中心波长的激光器；例如检测一氧化碳，我们选择1.567um作为光源的中心波长，其他气体类似。

光源发出的光经过光环形器、传输光缆连接到安装于采空区检测现场的探头。光环形器采用通讯用1.5um中心波长普通型号三端口光环形器，该类型三端口光环形器结构如图8所示，第一端口输入的光大部分直接进入第二端口输出，损耗约0.2dB左右很小的损耗；第二端口入射的光由第三端口输出，损耗大约为0.2dB左右，光路只能按照以上传输方式才能低损耗地连通，因此光路只能是由第一端口至第二端口，探头返回的光再经过第二端口从第三端口输出。使用光环行器使得整个光传输过程损耗都非常小，一般都不超过1dB的损耗，如果用传统的光纤耦合器，每次经过器件都要有3dB损耗，因此总共损耗至少为6dB，二者相比较效果非常明显，因此使用三端口光环形器可以有效地解决同一根光纤即作为探头的输入通路又做为探头的返回光造成的巨大损耗。

探头置于煤矿采空区内，采空区现场空气可以自由出入探头；探头采用了多次反射式怀特池结构，并且经过一定的改造，如图7所示，怀特池内三块镜片(2、3、4)曲率半径相同；怀特池输入端采用一个光纤准直器作为入射端光纤准直器1；入射端光纤准直器1的工作距离等于怀特池镜片曲率半径，光纤内的光直接输出至空气中将是发散的光，入射端光纤准直器1可以将光纤内的光变为一束平行的光束发射出来；怀特池末端也采用与输入端完全一样的光纤准直器5作为末端光纤准直器5来接收怀特池输出的光，该末端光纤准直器5接收怀特池输出的光，并耦合到光纤内，使之适合与光纤内传输；怀特池末端光纤准直器5接收到的光被光纤反射镜6反射，使光按原路返回，根据光的可逆原理，反射光经过怀特池、入射端光纤准直器1和光缆可以原路返回到光环形器，通过光环形器的第二端***入，并由第三端口输出。光环行器第三端口输出的光进入光电探测器。光电探测器采用铟钾砷光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，如图5所示为被一定浓度气体吸收后的信号图；光电探测器将光信号转变成的电信号送至锁相放大器；

锁相放大器功能是将信号中符合参考信号频率的信号提取，其他成分滤除，因此锁相放大器输出的信号是与参考信号相同频率的谐波分量信号。光源驱动信号中的正弦信号发生器信号一路进入倍频电路，倍频电路将原正弦信号发生器产生的信号倍频后送至锁相放大器作为参考信号；锁相放大器输出信号为光电探测器探测到信号中的20K信号成分，典型信号波形如图6所示；当气体吸收池内含有不同浓度的被测气体时，锁相放大器就会输出图6中展示那样不同高度的波形信号；计算机通过A/D数据采集卡采集这个信号进行反演。

该***搭建好后，首先要进行标定，即将不同浓度的标准气体通入气体吸收池，计算机信号分析出吸收信号的强弱(图6所示波形的峰峰值)，然后作为参考原始数据记录至计算机内；检测仪正常工作后，计算机分析出的吸收信号强弱再与标定数据对比即可反演出此时气体吸收池内某种气体的浓度值。如图9所示为分别通入不同中浓度的一氧化碳气体后检测仪显示的检测结果，可以明显看到能够实现气体的浓度检测，并且噪声小，检测灵敏度非常高。

Claims (7)

1、一种煤矿采空区火灾光纤气体检测仪，它包括光源，探头，光电探测器和信号处理单元，所述光源发出的光经探头送入光电探测器转换为电信号送入信号处理单元处理，其特征是在所述光源和探头之间的光路上设置光环行器，所述光源与光环行器第一端口连接，探头与光环行器的第二端口连接，所述光环行器第三端口与光电转换器连接，所述探头结构为多次反射式怀特池结构，在怀特池的出射端设置末端光纤准直器和光纤反射镜。

2、根据权利要求1所述的煤矿采空区火灾光纤气体检测仪，其特征是所述光源为分布反馈式半导体激光器。

3、根据权利要求2所述的煤矿采空区火灾光纤气体检测仪，其特征是所述光源由直流信号发生器，锯齿波发生器和正弦信号发生器共同驱动。

4、根据权利要求3所述的煤矿采空区火灾光纤气体检测仪，其特征是所述信号处理单元包括接收光电探测器输出的电信号的锁相放大器，所述锁相放大器输出电信号经数字采集卡送入计算机处理，所述锁相放大器与正弦信号发生器通过倍频电路连接。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的煤矿采空区火灾光纤气体检测仪，其特征是所述光环形器为三端口光环形器。

6、根据权利要求5所述的煤矿采空区火灾光纤气体检测仪，其特征是所述光环形器为通讯用中心波长1.5um的三端口光环形器。

7、根据权利要求1或2或3或4所述的煤矿采空区火灾光纤气体检测仪，其特征是所述光电探测器采用铟钾砷光电探测器。

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