图1 甲烷在近红外区的吸收光谱
Fig.1 Absorption spectra of methane in near infrared region
谭凯1,2， 郭清华1,2， 张远征1,2， 苟怡1
(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039；2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037)
摘要：针对传统甲烷检测系统存在的易受环境影响、检测精度低、稳定性差等问题，基于可调谐半导体激光吸收光谱技术和空分复用技术，设计了一种分布式多点激光甲烷检测系统。该系统采用波长1 653.7 nm的分布式反馈半导体激光器作为光源；利用谐波检测法得到二次谐波和一次谐波信号幅值比来反演甲烷浓度；采用1分8光分束器，并结合参考气室实现多个测点甲烷浓度的实时检测。在实验室环境下对该系统进行了测试，结果表明该系统测量准确性高、稳定性好，可实现10 km范围内测点的有效覆盖，在2.00%～85.0%甲烷浓度范围内，系统测量误差小于2%。
关键词：激光甲烷检测； 分布式多点激光检测； 甲烷检测； 可调谐半导体激光吸收光谱
Abstract：For problems of being easily affected by environment, low detection decision and poor stability in traditional methane detection system, a distributed multi-point laser methane detection system was designed based on tunable diode laser absorption spectroscopy technology and space division multiplexing technology. The system adopts distributed feedback semiconductor laser with wavelength of 1 653.7 nm as light source, uses ratio of the second harmonic and the first harmonic gotten by harmonic detection to invert methane concentration, and employs 1/8 beam splitter and reference air chamber to realize real-time multi-point methane concentration detection. The system has been tested in laboratory. The test results show that the system has high accuracy and good stability, can realize monitoring points within 10 km effectively covered, and measurement error is less than 2% when methane concentration is 2.00%-85.0%.
Keywords:laser methane detection; distributed multi-point laser detection; methane detection; tunable diode laser absorption spectroscopy
在中国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸伤亡人数占所有事故的50%以上。甲烷是易燃易爆气体，是煤矿瓦斯的主要成分。利用可靠、实时的传感装置对甲烷浓度进行准确、及时地检测非常重要，是确保煤矿安全生产的必要措施[1]。
传统甲烷检测系统主要采用载体催化、热释电和红外原理。基于载体催化原理的甲烷检测系统存在易受其他气体影响、检测范围窄、稳定性差等问题；基于热释电原理的甲烷检测系统存在受环境温度影响大、检测精度低、稳定性差等问题；基于红外原理的甲烷检测系统存在易受烷烃气体干扰、受水气影响大、稳定性差等问题[2-3]。与传统甲烷检测系统相比，基于激光原理的甲烷检测系统具有测量灵敏度高、稳定性好、抗干扰性强等优势，正逐步应用于煤矿、城市管廊等环境中的甲烷浓度检测[4]。但激光器价格昂贵，很大程度上限制了激光甲烷检测系统的推广应用[5-6]。本文利用可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术和空分复用技术，设计了一种分布式多点激光甲烷检测系统，可实现多个区域位置甲烷浓度的精确检测。
气体分子的吸收光谱由电子光谱、转动光谱和振动光谱3部分组成，与分子的跃迁能级结构相联系[7]。甲烷分子有4个固有振动频率[7]，每个固有振动频率对应1个光谱吸收区域，甲烷分子在近红外区同时有许多泛频带和联合带[8-9]。根据美国高分辨率大气光谱数据库Hitran，在1个标准大气压、温度为27 ℃时，甲烷在近红外区的吸收光谱如图1所示。
图1 甲烷在近红外区的吸收光谱
Fig.1 Absorption spectra of methane in near infrared region
由图1可知，甲烷对近红外1 651，1 653.7 nm等波长的光波具有较高的光谱吸收因数。1 651 nm处光谱吸收因数最大，但与水气、其他烷烃气体的吸收光谱重叠，因此选择1 653.7 nm作为甲烷检测的吸收波长。
TDLAS技术基本原理是基于Lambert-Beer定律，利用半导体激光器出射光波频率随驱动电流可调的特性，通过谐波检测法进行弱信号提取，对待测气体浓度等参数进行定量精确检测。
当注入电流以正弦信号对激光器进行调制时，激光器的光强和波长会产生同步变化。考虑激光器出射光波的光谱分布和气体分子的吸收特性，相应的Lambert-Beer定律[10]为
I′(λ)=
I(λ) exp{-[αg(λ-λ0)CL+β(λ)]}dλ
(1)
式中：I′(λ)为光波被气体吸收后的出射光强；λ为光波波长；I(λ)为光波入射至气体的光强；α为气体吸收光波的比率；g(λ-λ0)为吸收线性函数；λ0为光波的中心波长；C为气体浓度；L为光波经过的光程长度；β(λ)为背景气体吸收函数。
被气体吸收后的光波通过光电探测器转换为电信号，利用谐波检测法得到二次谐波和一次谐波信号幅值比，可反演得到光路中待测气体浓度[10]，从而有效消除光源功率波动、固有噪声等共模噪声引起的系统误差[11]。
C=
+D
(2)
式中：A1，A2分别为一次谐波、二次谐波的信号幅值；η为标定常数，由激光器的工作波长宽度和调制深度决定；K2为吸收线性函数傅里叶展开的二次项系数；D为背景气体和噪声引入的误差。
光波多点复用技术将光波耦合进1根光纤，再针对不同空间分布或不同气体的测点，通过时间、波长、频率等特征量实现对不同测点被测量的信号幅值和空间位置的提取。根据寻址方式的不同，将光波多点复用技术分为空分复用、时分复用、频分复用等多种方式[12-13]。空分复用是利用光分束器分光，结合多个光电探测器对每路待测光信号进行检测；时分复用是利用光开关分时对每路待测光信号进行检测；频分复用是对同一传输光路中的光波信号按调制频率差异进行分段提取检测[14]。在综合考虑性能和现场应用的基础上，选用空分复用技术，其优点是空间选址结构和控制过程简单，各支路相对独立无串扰，复用的测点数量由激光器能量及光路损耗决定，可实现大量测点的复用。
分布式多点激光甲烷检测系统主要由分布式激光甲烷监测主机、双芯导光光缆和气体探测模块组成，如图2所示。该系统采用DFB(Distributed Feedback，分布式反馈)半导体激光器，根据Hitran光谱数据库，设定激光器中心波长为1 653.7 nm，甲烷对该波长的光波吸收率较强，可避免水气和其他烷烃气体的干扰。激光器在驱动和温控模块控制下，出射特定光谱的激光光波。光波经1分8光分束器后，转换成8路光波，再经过导光光缆传输至甲烷测量气室(待测点)。光波被甲烷按比例吸收后，携带信息的光波由测量气室中的光纤准直器耦合进导光光缆，并由光电检测模块中的InGaAs光电探测器将光信号转换成电信号，再经过信号处理模块进行放大、滤波、锁相、互相关等处理，得到待测信号的一次谐波和二次谐波波形，再经数值分析反演得到待测甲烷浓度。为提高系统稳定性，系统内置甲烷浓度恒定的参考气室作为参考光路，用于自动锁定激光器出射光波的中心波长，并根据解算的参考气室内甲烷浓度对系统检测值进行实时修正[15]，从而实现系统免标校功能。
图2 分布式多点激光甲烷检测系统组成
Fig.2 Composition of distributed multi-point laser methane detection system
在实验室环境下搭建实验平台对分布式多点激光甲烷检测系统性能进行测试，实验平台组成如图3所示。采用LabVIEW软件编写系统程序，各模块间通过程序发送数据流进行通信控制。激光器驱动信号由5 Hz锯齿波与10 kHz正弦波叠加而成，以消除激光器出射波长的随机噪声。激光器采用精密仪器进行恒温控制，控制精度为0.01 ℃。
图3 实验平台组成
Fig.3 Composition of experimental platform
系统各支路相对独立，由于气室长度、光电探测器等存在差异，测试前需对各支路测量气室通入氮气和20.0%标准甲烷进行线性标定。对系统各支路测量气室分别通入0.50%，2.00%，8.00%，60.0%，85.0%标准甲烷，测试数据见表1，可看出系统最大误差小于1%。
表1 分布式多点激光甲烷检测系统线性测试数据
Table 1 Linear test data of distributed multi-point laser methane detection system %
为测试系统在长时间工作条件下的性能，每天分别通入2.00%，20.0%，60.0%的标准甲烷进行为期60 d的稳定性测试，其中1号支路的测试结果如图4所示。可看出测量值波动范围较小，测量误差均小于2%。
为测试系统在现场应用时的光纤带载能力，在系统中接入10 km导光光缆，并分别通入2.00%，60.0%，85.0%的标准甲烷，测试数据见表2，可看出系统测量误差小于2%。
分布式多点激光甲烷检测系统由于激光光谱单色性好，只对特定光谱产生反应，避免了环境中水气、粉尘的干扰；采用参考气室对激光器进行稳频，可实现系统自动校准，保证了系统的长期稳定性；采用1分8光分束器，并结合参考气室进行7个测点甲烷浓度的实时检测，降低了成本。测试结果表明，该系统具有测量精度高、稳定性好等特点，能够满足煤矿现场多点甲烷浓度实时检测的需求。
(a) 2.00%标准甲烷
(b) 20.0%标准甲烷
(c) 60.0%标准甲烷
图4 分布式多点激光甲烷检测系统长期稳定性测试数据
Fig.4 Long-term stability test data of distributed multi-point laser methane detection system
表2 分布式多点激光甲烷检测系统带载10 km光缆时测试数据
Table 2 Test data of distributed multi-point laser methane detection system with 10 km optical cable %
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TAN Kai1,2, GUO Qinghua1,2, ZHANG Yuanzheng1,2, GOU Yi1
(1.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China; 2.State Key Laboratory for Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China)
中图分类号：TD712
文献标志码：A 网络出版时间：2017-09-27 14:48
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170927.1448.013.html
文章编号：1671-251X(2017)10-0065-05
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.10.013
收稿日期：2017-01-04；
修回日期：2017-08-22；责任编辑盛男。
基金项目：国家重点研发计划专项资助项目(2016YFC0801405)。
作者简介：谭凯(1977-)，男，重庆人，工程师，从事煤矿检测用仪器仪表研发工作，E-mail:5400325@qq.com。
引用格式：谭凯，郭清华，张远征，等.分布式多点激光甲烷检测系统研究[J].工矿自动化，2017,43(10)：65-69. TAN Kai,GUO Qinghua,ZHANG Yuanzheng,et al.Research of distributed multi-point laser methane detection system[J].Industry and Mine Automation，2017,43(10)：65-69.