矿用甲烷传感器的设计与实现

王智彬， 赵 丹

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司， 山西 长治 046100）

引言

甲烷气体检测设备经过多年的发展，产生了多种检测方法，但是大部分设备或方法普遍存在自身缺点，如对高浓度气体不敏感、检测范围小、精度低等。所以需设计研发一种甲烷传感器来提高甲烷气体检测的稳定性、高效性、长久性。当前，国内外在检测气体物质上较为先进的方法普遍采用红外吸收原理，该方法具有抗毒、抗氧化、高稳定性、灵敏度高等优点，在煤矿生产中具有很好的应用前景。

1 红外甲烷探测的原理

甲烷气体分子的吸收光谱是甲烷利用红外检测的基础。甲烷气体发射或吸收光谱的波长与甲烷气体分子的结构有着密切联系，具有独有的特点，这些特点可以通过其光谱来分辨。

当有光通过甲烷气体时，由于甲烷分子具有特有的结构，会选择性地吸收部分波长的红外辐射，剩余的光线透射出来后便形成了甲烷气体的红外吸收光谱。不同浓度的甲烷气体被照射时，会在气体光谱仪上的吸收峰位置产生不同的强度信号，强度信号与气体浓度呈现正比例关系。利用甲烷气体光谱的这些特点并结合特点波长的光对被检测混合气体进行照射，通过观察照射后光强度的变化情况，便能确定甲烷气体的浓度。

2 红外甲烷传感器的设计思路和方法

红外甲烷传感器设计的理论依据是甲烷气体能够选择性地吸收部分红外光谱。设计传感器的第一步是根据甲烷气体的红外吸收光谱的特点选择适宜的吸收峰，然后根据选择的吸收峰特点选定光源和其他配件。

甲烷分子是正四面体结构，碳氢键夹角为109.50°，碳氢键长约为1.1 Å，具有四种振动模式。四种振动会产生四个与之对应的基频，而且这些基频全部处于红外波段。每种振动会对应特定的光谱峰值，四种振动对应的波长为分别 3.43μm、6.53μm、3.31μm、7.66μm。其中图1为3.31μm附近甲烷的红外光谱图。查甲烷的吸收谱线可知，甲烷气体分子对于3.31μm和7.66μm波长的光吸收强度远高于1.3μm和1.66μm的波长光的吸收强度。因此本次设计选择3.31μm的光源作为输出。

图1 甲烷在3.31μm附近的红外光谱图

光源的发射波长和甲烷气体吸收的波长相一致时二者便产生共振，所表现出来的吸收强度与甲烷气体的浓度直接相关，二者成正比例，因此通过检测光的吸收强度便可以测量混合气体中甲烷气体的浓度值。

假设光源输出强度为I0，光线平行照射混合气体，入射光经过气体的吸收后，强度会减弱。根据Beer-Lambert定律，则入射光强I0与出射光强I之间满足：

式中：C为甲烷气体浓度；g(λ)为待测CH4气体分子的吸收线型；L是吸收路径的长度。对上式进行变换得到下式：

对于固定的测试系统或结构，g（λ）L是定值，因而可以通过测试I与I0得出混合气体中甲烷的浓度值。

实际中，甲烷气体的的红外吸收光谱宽度很小，仅仅几个纳米，比测试光源的噪声还要小，甲烷吸收光谱的信号会混杂在噪声中难于辨识，因此无法直接利用光谱吸收测量甲烷的含量。要想利用光谱吸收对甲烷含量进行测量就必须采用光谱吸收的增强技术。由Beer-Lambert定律可知，想要提高吸收光谱信号强度可以从两方面入手：一是提高吸收波长的效率，让红外辐射的能量集中在峰值波长处；二是加长吸收气体的路径。文章选择了加长吸收气体的路径的方法。加长吸收气体的路径的经典模型为Ring-down腔。Ring-down腔一般由两个高反射率的平面镜组成，要求平面镜的反射率高于99.8%，利用光在两个平面镜之间的来回发射来达到反复通过被测气体，从而增加了入射光被气体吸收的次数，即光在气体中穿过的路径增加，相当于增加了有效作用长度。Ring-down腔损耗很低，可以直接将待测气体注入其内，通过光源辐射在腔体内的损耗便能准确地测定甲烷气体的吸收情况，进而确定其浓度。文中设计了一种小型仿Ring-down腔结构的气室，由渐变折射率透镜和气室内壁反射镜组成[1]。由于腔的损耗极低，光可以在其中经过多次反射，从而将信号放大数倍，使得不再需要使用复杂的调制方法便可以准确地测量甲烷气体的浓度。

3 甲烷传感器的设计

红外甲烷传感器由光学系统和电气系统两部分组成，其结构如图2。

图2 红外气体传感器结构图

3.1 光路设计

光路设计中光学结构的主要内容是干涉滤光片的选择，干涉滤光片具有单色特性，可以对光线起到选择性的作用。设计过程中主要是在测量探测器和参考探测器之前放置窄带干涉滤光片，对光源中的部分光进行选择。一片作为参考滤光片，选择与主要干扰组分不吸收的波段，形成参考光路；一片作为测量滤光片，选择在甲烷气体特征收光谱段，形成测量光路。由于测量光路和参考光路在同样的环境中，避免了因环境和光源及探测器灵敏度变化引起的误差，即通过二者的电位差进行比较。

3.2 红外辐射光源的选择

光源是甲烷传感器的重要组成部分，直接影响光信号的采集和处理。前文已经对甲烷气体红外光谱吸收相关波长进行对比，已经选定选择峰值吸收波长是3.31μm。通过查找和选择满足3.31μm吸收波长的光源，符合要求的光源基本包括卤钨灯、半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）等几种类型。由于卤钨灯辐射效率较低、电调制困难、发光谱线较宽，所以不做考虑。只在发光二极管和半导体激光器中选择，最终选定PerkinElmer生产的IRL715型LED。IRL715型LED可勘测的波长范围为可见光到4.4μm，满足3.31μm吸收波长的范围[2]。

3.3 探测器的选择

探测器是甲烷传感器主要的检测元器件，本次设计选择的是热型探测器。当有光线射入热型探测器时，探测器的敏感元器件会受到红外辐射的影响，发生温度上的变化，如探测材料电阻率变化、自发极化强度变化、产生温差电动势等情况，探测器通过检测以上变化情况可以将被测光线中红外吸收的能量或功率进行检测[3]。前文已经选定3.31μm作为特征波长，因此选定了PerkinElmer公司生产的TPS2534热释电探测器，该器件由一个热敏电阻和两个热电堆芯片构成，结构如图3所示。探测器工作时，输出的电压信号只与红外辐射的能量成正比，而与光的波长无关。在探测器上匹配适宜的滤光片便可以测定甲烷气体的浓度。

图3 TPS2534热释电探测器内部结构图

3.4 滤光片的选择

本文选择中心波长为3.30 μm的窄带通滤光片作为信号波长的滤光片，选择受水分和其他气体影响较小中心波长为4 μm的滤光片作为参考信号的滤光片，实现对甲烷气体的检测。

3.5 其他部分的设计

调制器选择的是电学调制器，可以简化结构，避免以往机械装置的笨重。信号处理电路包括A/D转换电路和滤波放大电路。微处理单元采用PIC18F4520芯片。另外还设计了数码管显示作为气体浓度的直观显示。

4 甲烷传感器的测试

采用动态钢瓶气动配气[4]进行了红外甲烷传感器的测试。在20℃、101.325 kPa的定标试验中测量了多个标准配置的浓度输出响应，结果见第64页表1。发现该探测器能够很好地测定出甲烷的浓度变化，误差值较小，最大误差7%，能够满足实际要求。同时为测定传感器的稳定性，进行了连续12 h的检测，每小时读取一次读数，数值偏差很小，达到了设计要求。

表1 实验数据表 %

5 结论

1）通过分析，甲烷气体四个振动对应四个不同波长，依据甲烷吸收谱线发现，3.31μm波长吸收强度最明显，选定3.31μm的光源作为输出。

2）光源经过照射气体后一部分会被吸收，会发生相应的衰减，通过测试入射光强和出射光强可以得出混合气体中甲烷的浓度值。

3）通过红外甲烷传感器的设计和检测，传感器能够很好地检测出混合气体中甲烷的浓度值，最大偏差值7%，并且通过稳定性测试，该传感器经过长时间测试具有很好的稳定性。