矿用激光甲烷传感器的稳定性试验及应用

丁 栋，田晓波

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100）

0 引言

工作面内瓦斯含量会严重威胁矿井的安全生产，当瓦斯浓度达到5%～16%时，在密闭的空间内遇到明火就会发生爆炸。因此，在煤炭开采过程中，要快速、准确地监测井下瓦斯浓度[1]。由于激光甲烷传感器采用全光学设计，传感器灵敏度高、绝缘性好、响应速度快、功耗低、能实现远距离的传输，因而在井下复杂的环境中占据优势，但激光甲烷传感器的稳定性受等许多因素的影响，还需要考虑矿井环境对传感器的影响，加上传感器工作稳定性的试验周期较长。因此，需要分析各种因素下激光甲烷传感器的稳定性，并寻找合适的试验方法，为瓦斯浓度监测提供先进的技术，满足井下安全高效生产。

1 激光甲烷传感器测量原理

激光甲烷传感器属于光谱吸收型气体传感器，以DFB 激光器为光源，在正弦波调制信号电流上叠加三角波信号电流，驱动DFB 激光器发射激光，通过检测激光光强被吸收的强弱程度，判断甲烷气体的浓度，不同气体的光谱吸收曲线不同，基于甲烷吸收线尺寸和形状，采用单色光谱技术计算甲烷浓度，且不受其他气体的影响，测量精度较高，其原理图如图1 所示。

图1 激光甲烷传感器原理图

采用测量波长和参考波长双波长检测法来测定待测气体，按照比尔定律，激光器发出激光，在经过2 个不同的单色器后，选出测量波长和参考波长，穿过甲烷气体被吸收产生损失，激光强度变为[2]：

式中：I是投射光强度；I0是激光器发出的强度；λa是测量波长；λb是参考波长；a是甲烷吸收系数；β是背景干扰；K是光电灵敏度；C是甲烷气体浓度；L是甲烷气体长度。

由于测量波长和参考波长相差较小，且测量波长的投射光强度远小于参考波长的投射光强度，因此，得到甲烷气体的浓度为：

采用这种方法，在理论上可以消除光路背景对测量造成的干扰，通过调整吸收系数，消除光功率不稳定造成的影响。

2 稳定性试验设计

2.1 试验设计

在安全标志检验过程中，激光甲烷传感器要经受一些列高强度试验，例如交变湿热试验、工作温度试验、冲击试验等，因此，通过进行一个长周期的摸底试验，确定影响传感器测量误差的因素有激光器件、受光器件稳定度、温度和气压补偿效率以及结构可靠性，这几个因素之间相互影响，相互牵连[3]。为了对比激光甲烷传感器与催化式甲烷传感器的稳定性，制定一套试验方案，试验周期为445 d，在实验室环境和交变湿热环境下，让不同类型的传感器长期通电，对比不同传感器的测量误差。

一组在实验室环境下进行检测，试验过程中，详细记录试验的温度、湿度以及大气压力等环境参数。

二组在交变湿热环境下进行检测，以12 h+12 h为一个周期，试验周期大于56 个周期，高温度设置在40+2℃左右，高湿度设置在98+2%RH 左右。在通气前，对标准气样与交变湿热箱中的空气进行混合，使用质量流量计按照1∶9 的比例混合，得到标准气体的相对湿度为85 %、甲烷浓度为2 %，使用专用的试验气嘴进行通气，通气结束后，及时取下气嘴，使传感器探头与周围环境充分接触[4]。

在进行降温前2 h 开始通气，持续通气10 h 以上，设定3 个测试误差时间点，分别为测试点1、2、3，每个周期内对测试点4、5 进行短时通气，具体的试验方案如图2 所示。将所有的传感器输出都连接到监控分站板上，通过监控软件进行数据记录。

图2 湿热条件下的稳定试验方案

初期试验：在各个测试点分别进行误差测量，如果测试点连续试验7 d 内，如果数据变化不大，则进入中期试验1 阶段；如果测试点连续试验7 d 内，如果数据出现单调增或减变化，则再试验第8 d，如果数据持续单调变化，则终止试验；如果测试点连续试验7 d 内，数据变化是随机、没有规律的，则进入中期试验2 阶段。

中期试验1：对测试点4 和5 进行误差测量，如果测试点连续试验10 d，数据变化不大，则直接进入后期试验。

中期试验2：对测试点4 和5 进行误差测量，如果测试点连续试验10 d，数据变化是随机、没有规律的，则终止试验。

后期试验：间隔一个周期在测试点4 和5 进行误差测量，连续试验40 d，在试验的最后一个周期，对所有的测试点进行试验，结束后对样品进行灵敏度漂移分析。

2.2 加速试验设计

将温度作为传感器稳定性试验的加速应力，对加速应力值进行研究，其中应力适用范围、应力极限、试验应力精度能力以及试验箱温度控制精度等因素都会影响加速应力水平，其中试验应力精度能力和试验箱温度控制精度等因素可以通过采用精度较高的试验装备来消除，应力极限因素则是加速试验的关键因素。由于激光甲烷传感器是一种高精度电子产品，激光器、光探测器、电阻等电器元件的温度极限都超过100℃，在大量集成电路下，各电器元件的工作温度最高温度只能达到85℃。通过研究，激光器的工作温度会直接影响发射波长的长度，从而对传感器的精测精度产生直接影响。考虑到试验成本以及检测能力，采用恒定温度加速试验方案，为了保证试验结果的准确性和有效性，选择加速试验温度为75℃。

以激光甲烧传感器的误差稳定性作为故障条件，取10 台样机进行检验，将样机全部放置在75±3℃温度试验箱中，连续运行12 d，每天进行测量误差测试，在测量误差的超限次数小于2 h，可判定甲烷传感器的工作稳定性达180 d。

2.3 试验结果分析

激光甲烷传感器在测试的180 d 内，误差没有超出规定范围，传感器的稳定性较好。在实验室环境下，经过475 d 试验后，催化式甲烷传感器和激光传感器都出现明显的偏差，在2%浓度点处，催化式甲烷传感器向负方向偏差0.5 %，激光甲烷传感器向正方向偏差0.4%；在20%浓度点处，激光甲烷传感器的最大偏差为1.2 %，可见，激光甲烷传感器的稳定性较好。

在交变湿热环境下，催化式甲烷传感器在试验32 d 时，向负方向偏差10 %，在试验52 d 时，向负方向偏差超出25 %，在试验70 d 时，向负方向偏差超出50%，激光甲烷传感器在试验的475 d 内均正常工作，均向正方向偏差，在满足传感器稳定性的同时，验证了激光甲烷传感器的高测量精度，且能适应矿井下的复杂环境，大大减少了运维人员的工作量。

3 应用效果

由于郭庄煤矿的U 形采煤工作面是瓦斯涌出的必经口，极易出现瓦斯积聚，造成瓦斯浓度较高，由于工作面的位置较高，周边的配套设备较多，频繁地标定传感器会增加工作难度，因此将激光甲烷传感器悬挂在所需监测的位置，具体位置如图3 所示。

图3 激光甲烷传感器安装示意图

由于工作面上还有一氧化碳、一氧化硫等有害气体，也容易受水汽和电磁等干扰，通过在不同位置分别悬挂激光甲烷传感器和催化式甲烷传感器，对比其测试结果如表1 所示。

表1 甲烷传感器测试对比表

在现场测试475 d，可以看出，使用催化式甲烷传感器，需要每周对传感器进行调校，维修工作量较大。而使用激光甲烷传感器，不需要更换传感器的探头，也不需要重新进行标校，只需要对防尘滤片进行简单清洗即可，大大降低了维修强度。

4 结 论

为解决郭庄煤矿采煤工作面甲烷传感器频繁标定、稳定性差的问题，通过分析激光甲烷传感器的工作原理，对不同环境下传感器的稳定性进行试验分析，结果如下：

（1）在实验室环境下，催化式甲烷传感器和激光传感器有明显的偏差，催化式甲烷传感器向负方向偏差0.5 %，激光甲烷传感器向正方向偏差0.4 %；在交变湿热环境下，催化式甲烷传感器向负方向偏差超出50%，激光甲烷传感器在试验的475 d 内均正常工作，可见，激光甲烷传感器的稳定性较好。

（2）通过与催化式甲烷传感器检测精度对比，结果表明，激光甲烷传感器的检测精度高、响应速度快，能实时检测到工作面内的甲烷气体浓度，保证矿井的安全高效生产。