基于激光光谱的高温O2浓度检测技术研究

孙世岭，龚仲强，苟　怡

(1.中国煤炭科工集团 重庆研究院，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)

基于激光光谱的高温O2浓度检测技术研究

孙世岭1,2，龚仲强1,2，苟怡1

(1.中国煤炭科工集团 重庆研究院，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]O2作为煤矿自然发火过程的一种关键性特征气体，其浓度的准确检测为煤矿火灾监测预警提供基础分析数据。基于激光光谱吸收(TDLAS)的O2浓度检测技术具有响应快，稳定性好、抗干扰等优势，介绍了其基本检测原理和系统组成。重点分析系统检测O2浓度受环境温度变化的影响因素，给出具体的温度补偿方法，并进行实验验证。采用该补偿方法对系统进行温度补偿后，由实验测试数据可知，在30～200℃范围，系统测量误差降至2%以内，大大提高了系统在煤矿现场应用的准确性和可行性。

[关键词]光学检测；激光光谱；温度补偿；O2浓度

煤矿环境中，煤与O2接触发生氧化反应，引起煤层结构变化，其内能也随之变化并释放热量，热量积聚并最终导致煤炭自燃。随着煤层温度的变化，煤炭与O2复合所处的状态也发生变化，表现出来就是耗氧速率发生变化。煤层温度与环境中O2浓度有确定的关系，因此精确测定煤矿环境中O2的含量，再根据O2随煤层温度的变化规律(图1)，可以判定煤层自燃的阶段[1]。煤炭温度在小于110℃时，煤层以物理吸附为主，耗氧量不大，煤炭温度在110～200℃时，以伴有放热的化学反应为主，耗氧量急剧加大。煤矿环境中O2浓度数据，为煤炭自燃预警监测提供有效的决策依据。

图1　环境中O2浓度随煤层温度的变化关系

1O2浓度检测技术

传统O2浓度检测分为电化学和热磁式两大类，但这些传统方法受限于其检测原理，存在一些不足。例如：电化学方法中的氧化锆具有相对速度慢，寿命短，长期标校等缺点；热磁式则具有容易受外界电磁干扰，稳定性差等缺点。与传统O2检测方法相比，基于可调谐激光光谱吸收(TDLAS)的O2检测技术具有非接触，响应快，稳定性好等[2]优点，能够避免高温环境对O2浓度测量的影响，近年越来越受人们关注。

可调谐激光光谱吸收(TDLAS)技术是基于比尔-郎伯光波吸收理论，利用半导体激光器光波频率随驱动电流可调的特性，对待测气体浓度等参数进行定量精确检测。采用以50Hz频率锯齿波驱动电流扫描O2的吸收峰，并在扫描电流上叠加10kHz的小幅值正弦调制信号。激光器受电流驱动后，输出激光信号的瞬时频率v和瞬时光强I可表示为：

v(t)=v0+acos(wt)

(1)

I(t)=I0+ΔIcos(wt)

(2)

式中，v0为激光的中心频率；α为激光频率变化幅值；I0为平均光强；ΔI为光强变化幅值；w为调制角频率。

频率为v的单频激光束通过光程为L、压力为P、温度为T和浓度为X的待测气体，待测气体对激光能量的吸收满足比尔-郎伯定律，即

I1=Iexp[-S(T)Φ(v,P,X,T)PXT]

(3)

式中，I和I1分别是入射和透射光强度；线性函数Ф决定待测气体吸收谱线的形状；S(T)为与温度相关的吸收函数。结合(1)～(3)式，可得吸收信号的n次谐波幅值为

(4)

由式(4)可知，吸收信号的谐波幅值与待测气体的浓度X成正比，通过检测信号的谐波幅值可以反演出气体浓度[2-3]。

2O2浓度检测系统设计

根据HITRAN光谱数据库可知，O2在近红外区域的特征吸收光谱图如图2所示，选择系统工作的中心波长761nm。

图2　O2在近红外区域的光谱吸收

基于可调谐激光光谱吸收技术的O2浓度检测系统设计方案如图3所示，主要由激光驱动和控制单元、光路单元、温度控制单元、数据采集与信号处理单元组成[4]。

图3　基于TDLAS技术的O2浓度和温度检测系统

该系统软件在Labview测试平台上编程，包括触发信号、调制信号、D/A、A/D、信号处理等单元，如图4所示。

图4　系统labview控制软件界面

软件通过控制波形发生器输出正弦波模拟信号对DFB激光器进行波长扫描，扫描频率为10kHz；通过控制数据采集卡采集光电探测器接收的电信号。采集的数字信号再经过锁相放大处理、滤波、互相关等数据处理，得到被测气体的浓度信息。该系统经O2吸收后采集的原始吸收波形如图5所示，经数据处理得到吸收信号的一次谐波和二次谐波信号如图6、图7所示。

图5　经O2吸收后，采集的原始信号波形

图6　经数据处理后，吸收波形的一次谐波信号

图7　经数据处理后，吸收波形的二次谐波信号

O2浓度的大小会影响激光的透射率，O2浓度与谐波信号的比值存在一一对应的正比例关系，通过解算二次谐波信号与一次谐波信号的比值可以准确反演出环境中的O2浓度。

3温度对O2浓度检测的影响分析

环境温度变化会引起气体吸收光谱的光谱线展宽和线强度的变化，进而影响气体吸收信号的变化。光谱线展宽主要包括多普勒展宽、碰撞展宽和自然展宽等[5]。

(5)

式中，m为气体分子的摩尔质量；T为环境温度；k为波尔兹曼常数；c为光速。

由分子能级理论，分子间相互碰撞会产生能级跃迁，并且由测不准原理，谱线的碰撞展宽可表述为：

(6)

式中，P为大气压强；a为气体分子的间距。

自然展宽主要由能级寿命决定，对于O2吸收红外光谱的自然展宽约为10-9cm-1，远小于其他展宽的影响，常可忽略。

吸收光谱线强度表示分子在该光波长处吸收光能量的大小，与分子结构、环境温度等因素相关。在实际应用中，光谱吸收谱线强度S(T)可表述为：

(7)

式中，S(T0)为参考温度下的光谱吸收线强度；Q(T)，Q(T0)为配分函数；Ei为跃迁能级的能量，eV；T，T0为实测温度和参考温度，K；vi为跃迁能级对应的光频率，cm-1；h为普朗克常数。

由HITRAN数据库仿真可知，在系统恒定的工作波段759.5～762nm范围，O2的光谱吸收率随温度升高而降低，对应的吸收信号减小。

4温度补偿算法及实验测试

根据上述理论分析，环境温度的变化会造成系统检测O2浓度的偏差，因此必须针对系统的温度特性进行温度补偿。本文在大量基础测试数据的基础上，提出一种多变量自适应线性插值迭代方法对系统的温度特性进行软件补偿。该温度补偿方法的基本思想：利用实验测试得到的大量离散基础数据，采用线性拟合得到多条特定O2浓度下的温度变化特性，在其余未知气体浓度和温度下，采用插值法求解温度补偿系数，并进行迭代法逐渐逼近真实的O2浓度。该补偿算法的流程如图8所示。

图8　补偿算法流程

上述算法中的温度补偿函数Fc(T)和温度补偿系数Ac(T)为基础测试数据线性拟合和根据浓度C和温度T插值得到。

通过改变温度控制箱的设定温度来模拟温度变化对系统检测的影响，在30～200℃范围，每间隔20℃作为一个特征温度点，并在该状态稳定(约2h)后通入20.0%，10.0%，5.0%的标准O2，记录系统补偿前后的测试数据，测试结果见表1。

表1　系统进行温度变化补偿前后的测试数据—20.0%O2

对应O2浓度20.0%，在温度30～200℃范围调用的温度补偿函数Fc(T)为式(8)，将检测温度T代入可求得补偿系数Ac(T)。

Fc(T)=4.6614×10-8T3-3.298×10-6T2-0.0048T+0.143

(8)

由于系统前7次求解的O2浓度值受温度(200℃)影响会存在较大的偏差，调用温度补偿系数进行补偿会存在较大的偏差，多次迭代后解算的O2浓度值和补偿系数均趋于稳定。检测值与迭代次数的关系见图9，系统实验测试结果如图10所示。

图9　检测值与迭代次数的关系(在20.0%，200℃条件下)

图10　温度补偿前后O2检测浓度值随温度的变化

分析上述实验数据可知，在30～200℃温度变化范围，对于20.0%的标准O2，系统检测值波动范围由补偿前的20.0%～8.42%降至20.1%～19.8%；对于10.0%的标准O2，系统检测值波动范围由补偿前的10.0%～3.25%降至10.2%～9.9%；对于5.00%的标准O2，系统检测值波动范围由补偿前的5.00%～1.75%降至5.02%～4.98%；在30～200℃范围，系统采用该方法进行温度补偿后，检测O2浓度值随温度的检测误差降至2%以内，大大提高了系统在温度变化环境中测量的准确性。

5结论

首先分析了煤矿中O2浓度随自燃火灾过程的变化，给出了基于激光光谱吸收检测O2浓度的基本原理和系统方案。分析了环境温度变化对系统检测O2浓度的影响，提出了一种多变量自适应线性插值迭代温度补偿方法，并对系统进行了实验测试，测试结果表明该方法能较好地补偿温度变化造成的系统检测偏差。基于激光光谱吸收原理的O2检测系统不能直接应用于煤矿自然发火过程中O2的浓度检测，必须对系统进行相应的温度补偿才能准确检测煤矿环境中的O2浓度。

[参考文献]

[1]王从陆，伍爱友，蔡康旭.煤炭自燃过程中耗氧速率与温度耦合研究[J].煤炭科学技术，2006，36(4)：65-67.

[2]张志荣，丁宗富，丁宗玲，等.可调谐半导体激光光谱技术在工业控制监测氧气浓度中的应用[J].鲁东大学学报，2008，24(2)：142-144.

[3]束小文，张玉钧，阚瑞峰，等.基于TDLAS技术的HCl气体在线探测温度补偿方法研究[J].光谱学与光谱分析，2010，30(5)：1353-1355.

[4]龚仲强，李军，张书林，等.氧气浓度和温度检测系统研究[J].工矿自动化，2015，41(10)：21-23.

[5]樊荣，侯媛彬，郭清华，等.可调谐半导体激光吸收光谱式甲烷传感器温度补偿技术[J].煤炭学报，2015，40(1)：227-230.

[责任编辑：邹正立]

Detection Technology of High Temperature O2Concentration Based on Laser Spectroscopy

SUN Shi-ling1，2，GONG Zhong-qiang1，2，GOU Yi1

(1.Chongqing Research Institute ，China Coal Technical & Engineering Group，Chongqing 400039，China；2.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring & Emergency Technology ，Chongqing 400037，China)

Abstract：The oxygen was one key characteristic gas during spontaneous combustion process in coal mine，the O2 concentration detection accurate would provided basis data for coal mine fire monitoring and early-warning.The O2 concentration detection technology that based on TDLAS included characters as following，fast response，good stability，anti-interference and so on.The technology illustrated basic detection principle and system elements.The influence elements of the O2 concentration that influenced by different environment temperature were analyzed specially，and then particular temperature compensation method was put forward and validated by experiment.After temperature compensation was applied in system，on the basis of experimental data ，system measurement error decreased within 2% during scope of 30～200℃，the accuracy and feasibility of system that applied in filed improved obviously.

Key words：optic detection；laser spectroscopy；temperature compensation；O2 concentration

[收稿日期]2015-11-17[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.03.036

[基金项目]中国煤炭科工集团青年创新基金项目资助(112060913)

[作者简介]孙世岭(1979-)，男，山东临沂人，工程师，主要从事矿用安全仪器仪表的研发。

[中图分类号]O433

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)03-0135-04

[引用格式]孙世岭，龚仲强，苟怡.基于激光光谱的高温O2浓度检测技术研究[J].煤矿开采，2016，21(3)：135-138.