GJG10J激光传感器在煤矿井下瓦斯监控系统中的应用

郭二孩

（阳煤三矿， 山西 阳泉 045000）

引言

甲烷传感器是煤矿安全监控系统、瓦斯抽采系统的核心传感器，其性能良好与否直接影响整个系统的质量和效果。目前，阳煤三矿使用的甲烷传感器是由黑白催化元件和热导元件组成的混合型传感器，存在高浓度中毒、零点漂移、受高温高湿及其他气体影响使用寿命短等缺陷，因此需根据目前甲烷传感器存在的问题进行改进，提高甲烷传感器的精确度、灵敏度、延长使用寿命等对煤矿安全生产有着十分重要的意义。针对我矿目前使用的混合型传感器存在的零点漂移、监测值误差大、标校周期短等问题，引进了大连艾科科技开发有限公司生产的GJG10J煤矿用激光甲烷传感器。

1 激光甲烷传感器的工作原理

GJG10J煤矿用激光甲烷传感器由电源电路、激光甲烷传感模块及调制电路、解调电路、A/D变换器、红外接收、单片机显示报警电路和输出控制电路、报警电路等部分组成[1]。电源电路将由关联设备送来的直流电压转换为芯片电压，供给整机电路使用。激光甲烷传感模块由激光器和激光探测器组成，采用激光器基于光吸收原理对甲烷浓度进行检测。其工作原理是：调制电路通过调制激光器电流控制激光器发出一定频率的激光，遇到空气中甲烷时吸收甲烷气体，激光探测器检测到的激光强度将降低，甲烷浓度越高，激光信号强度越低[2]。解调电路解调后的信号经过A/D转换器转换变成数字信号送入单片机进行处理，由显示电路显示出甲烷的浓度值，并经输出控制电路输出与甲烷浓度值对应的频率信号。报警电路由发光报警灯、蜂鸣器和控制驱动电路构成，当甲烷浓度超过设定的报警点时，仪器会发出声、光报警信号。该传感器是以单片机为核心，对信号进行采集、处理、显示，并将采集信息送往监控分站[3]。

1.1 电气原理（如图1所示）

图1 原理框图

1.2 外部结构

本仪器采用不锈钢材料制造，工艺讲究，密封性好。机身结构设计合理，各功能区位置分布有序，外壳上端有悬梁，下端为甲烷传感元件，右侧装有电源接口，正面装有数码显示屏，如图2所示。

图2 外部结构示意图

2 使用效果

我矿于2016年11月份在K8117回采工作面和K8302回风掘进工作面试验安装了9枚GJG10J激光甲烷传感器，试验1个月时间。通过井下相关实验数据结果显示，传感功能完善，数据传输稳定，监测值与实际值误差小，符合相关标准，且对温度、湿度等干扰具有很高的抵抗力，与前期使用的混合型传感器相比，减少了“催化剂中毒”、零点漂移等问题。

当前在技术应用方面采用的标准主要是：《煤矿用低浓度载体催化燃烧式甲烷传感器》等，上述标准当中对甲烷传感器可造成误差的规定范围如表1所示。

表1 混合型传感器基本误差范围

采用光谱吸收式技术的传感器形成误差范围如表2所示，混合型与激光甲烷传感器现场实测对比如表3所示。

通过对上述分析对比可以发现，激光传感器具有明显优越性。

3 激光甲烷传感器的优点及展望

GJG10J煤矿用激光甲烷传感器是以激光器为检测元件的传感器，利用合适的微功率激光能被不同浓度的甲烷所吸收的原理而设计的高精密传感器。此传感器是具有红外遥控功能的智能本安型监控仪表，用于煤矿井下空气中甲烷浓度的连续测定。本仪器具有性能稳定、寿命长、灵敏度高、开机自检、自动稳零、自动精度校正等功能特点，能够有效解决混合型甲烷传感器存在的诸多缺点。

4 结语

激光传感器可以在恶劣的工作环境中检测甲烷气体浓度，并在冲击、振动等条件下，保持工作状态稳定，而且使用寿命较长，一般不需要进行更换，因此，能够被应用在恶劣的环境当中。其维护工作环节只需要做到清洁处理即可，操作相对简单便捷。相对于催化燃烧式的传感器设备，使用激光传感器能够极大程度地节省人力物力。

表2 激光传感器技术基本误差

表3 混合型与激光甲烷传感器现场实测对比表