紅外瓦斯傳感器在小煤礦應用的可行性分析
學術交流
作者：蔣澤
【摘要】紅外瓦斯傳感器以其測量精度高，穩定性好的特點，通過對紅外檢測原理的詳細分析，並結合小煤礦使用的實際情況，分析出紅外瓦斯傳感器能夠在小煤礦應用是可行的。
【關鍵詞】小煤礦；紅外吸收；瓦斯傳感器
1.引言
瓦斯傳感器作為煤礦安全監測係統和設備中的關鍵設備，它肩負著檢測礦井瓦斯濃度的重任，也作為礦井瓦斯綜合治理和災害預測數據的提供者。
煤礦井下常用的瓦斯傳感器，按檢測原理分類可分為催化燃燒式、紅外吸收式、光纖式、半導體氣敏法、和光幹涉法等，其中固定式瓦斯傳感器煤礦應用最主要就是催化燃式型和紅外吸收式。其中催化燃燒式占到整個瓦斯傳感器用量的95%以上。紅外瓦斯傳感器隨著國家政策的引導在煤礦上也逐步的進行了應用。
本文主要從重點分析紅外瓦斯傳感器工作原理、對比分析各類瓦斯傳感器的優缺點、分析小煤礦應用的實際情況，最後總結分析了紅外瓦斯傳感器在小煤礦推廣的可行性。
2.紅外瓦斯傳感器的工作原理
2.1 紅外吸收型原理
紅外吸收型的全稱是紅外光譜吸收型[1][2]，是通過檢測氣體透射光強或反射光強的變化來檢測氣體濃度的方法。該方法的基礎是每種氣體分子都有自己的吸收（或輻射）譜特征，隻有當光源的發射譜與氣體吸收譜重疊時才會發生吸收現象，吸收後的發射譜光強將發生變化，因而具有高度的選擇特性。當一束紅外光通過充有氣體的氣室時，如果紅外光光譜恰好覆蓋一個氣體吸收線，那麼部分光就能被該氣體吸收並轉化為分子振動和能量，使紅外光的光強發生相應的衰減。根據朗伯-比爾（Beer-Lambert）定律[2]，即可推算出氣室中氣體的濃度。
I（）=I0（）e-KCL （2.1）
式2.1中：I（）為紅外光被氣體吸收後的能量；
I0（）為紅外光的初始能量；
K為與氣體及紅外光波長有關的常數；
C為被測氣體的濃度；
L為紅外光透過的氣體層厚度。
2.2 紅外瓦斯傳感器的組成
紅外瓦斯傳感器主要由光學部分和電氣部分組成。從其傳感器組成中可以看到其主體電氣處理部分和傳統傳感器類似，礦方相關人員容易理解和接受，便於傳感器的日常管理與維護。
2.3 紅外檢測元件組成
紅外檢測元件一般包括紅外光源、采樣氣室、濾光片和紅外探測器四部分[4]。為了減小紅外光源的背景幹擾，一般采用兩路信號的結構，一路作為測量信號，一路作為參考信號。
2.4 紅外光源
為了最終得到有效的測量信號，紅外光源在氣體強烈吸收紅外輻射的波段處應具有較高的輻射能量，也就是說，它必須提供測量所需的足夠的光強。目前，一些中紅外區域的大功率紅外線發射管其價格偏高，所以紅外氣體檢測元件一般采用以鎢絲為燈絲的白熾燈作為紅外光源。
2.5 紅外濾光片
紅外光源發出的光覆蓋很寬的頻譜，光源發出的光被氣體吸收以後，到達探測器的時會包含多個氣體的吸收譜線。
為了確保傳感器對甲烷氣體的高選擇性，防止混合氣體的幹擾，須將其他氣體的吸收線濾除。采取的方法是，將氣體吸收後的透射光通過以甲烷氣體特征吸收波長為中心波長的紅外濾光片（選取3.39μm），使該波段內的紅外輻射得以通過到達探測器，而其他波段的光強受到抑製無法通過。探測器檢測到的即為甲烷氣體特征吸收線處的光強。參考光路使用的紅外濾光片的中心波長選在絕大多數氣體都不會涉及的波段，通常在選取4.0μm附近波長。由此可以看到紅外檢測元件的氣體選擇性較好，不受其它氣體的影響。
2.6 紅外探測器
透過濾波片的光能量需轉換成電信號才能用於處理，而這一過程是通過紅外探測器來完成的，探測器的光敏層由鋰、鉭酸鹽單一晶體化合物組成的薄板電容器組成，鋰鉭是一種熱電晶體，當它被加熱時便反向承載。[5]描述的是紅外輻射線變成為電信號的過程，通過一個窗口或紅外過濾器，傳輸率t的射線到達熱點元件，該射線被吸收並在熱電裝置中產生一個溫度△T。由熱向電的轉化取決於△T的變化和電極的承載密度，這之後伴隨著電信號的轉化△U。
通過探測器的工作過程，了解到紅外探測器影響著整個紅外檢測元件的測量精度和響應時間，而探測器對光子強度反應靈敏度高，其測量分辨率也較高，這就決定了紅外檢測元件具有較高測量精度和較快的響應時間。