无线激光甲烷传感器的设计研究

马 京

（晋煤集团晟泰公司 ，山西 晋城 048006）

瓦斯是制约矿井生产安全的不利因素，在井下采掘过程中，精准、快速、便捷的测定瓦斯浓度对促进矿井生产安全具有重要意义[1～2]。现今瓦斯传感器类型主要分为红外、催化、导热以及激光等四类，绝大多数仍是采用有线传输方式对，需要铺设大量的信号传输线路，由于井下环境十分恶劣，时常会出通信线缆断裂情况，影响井下瓦斯浓度监测[3～5]。因此，文中设计了一种可以自动进行温度、压力补偿的无线激光甲烷传感器。

1 工作原理

1.1 瓦斯检测原理

瓦斯可以吸收特定波长激光，可以通过检测激光强若来对环境中瓦斯浓度判定。为了提升检测精度，传感器采用双波长检测，相对于传统的催化传感器，设计的传感器理论上不用定期校准。对传感器进行压力、温度等补偿后的检测精度会进一步提升[6]。

根据比尔定律，发射器发出强度I0激光，通过两个单色器从而选出双波长，分别是测量波长（λa）及参考波长（λb），激光通过长度L，浓度为C的瓦斯气体时，会由于瓦斯的吸收作用而产生能量损伤，具体的测量波长（λa）及参考波长（λb）强度可以由下述公式进行计算：

其中：α表示瓦斯吸收系数；β表示背景干扰；K表示光电灵敏度；I表示透射光强度。

由于测量波长（λa）及参考波长（λb）相近，可以近似认为βλa=βλb，公式（1）/（2）可得：

调整使得 I0(λa)K(λa)I(λa)=I0(λb)K(λb)I(λb)，同时测量波长（λb）投射光强度远远小于测量波长（λa）投射光强度，对公式（3）进一步转换，瓦斯浓度C公式为：

1.2 温度、压力补偿

瓦斯吸收系数（α）会受到光波长度、空气成分、温度、压力等影响，具体确定十分困难。在理想状态下，瓦斯吸收系数（α）可以采用下述公式计算[7]：

式中：p为环境压力（kPa）；M为气体摩尔量（mol）;t为环境温度（K）;x为比例常数；V为气体体积（L）。

当瓦斯浓度C为一定值时，k会随温度、压强变化，直接影响瓦斯吸光效果。因此，通过温度、压力传感元件检测外界环境中温度、压力变化情况，根据温度、压力变化曲线建立温度、压力补偿模型，从而减少温度、压力对激光瓦斯传感器测量结果影响。

2 激光瓦斯传感器无线通信原理

基于Wave Mesh协议构建无线传输系统，具有传输效率高、组网方便灵活，且支持调频机制及多路径路由，避免其他无线传输信号干扰。构建达到传感器无线传输网络由节点（激光甲烷传感器）、汇聚节点组成，激光甲烷传感器将检测到的瓦斯浓度以无线方式传输，汇聚节点负责接收工作，并经过简单处理后传输至上层通信网络。传输系统中的网络节点可以随时的增加或者拆除，当传输系统某个节点发生故障时，系统自动的对路由优化并组网。考虑到井下环境复杂以及巷道布置特点，传输网络布置形式为树型拓扑，无线传输距离在100m以上，增加中继器数量可以提升无线传输范围。

3 传感器设计方案

3.1 总体设计方案

设计的传感器硬件结构如图1所示，组成包括锂电池、瓦斯浓度采集电路、微处理器、无线通信电路等。瓦斯探头对外界环境中的瓦斯浓度进行采集，并将采集数据传输至微处理器，数码管上显示检测结果，无线通信电路进对检测数据传输。传感器供电采用锂电池，全部电路功耗低，提升设备工作时限。当锂电池电量过低时，无线激光甲烷传感器会上传电量过低信息，提供更换电池。当检测到瓦斯浓度超限时，传感器自动发出声光报警信号。

图1 总体设计框架

3.2 激光瓦斯探头设计

设计的激光瓦斯探头工作流程如图2所示，通过调整型激光器输入电流从而发出不同波长激光。激光器发出高速正弦信号以及低速扫描信号，光电探测器接收到激光器发出的信号后将光信号转换成电压信号，通过检测输入到激光器中的电流，从而得到发出的激光波长，进行二次谐波及转换处理后，从而对低噪窄带检测。消除检测系统背景光谱干扰后，就可以实现对瓦斯浓度监测。

图2 激光瓦斯探头工作流程

3.3 温度补偿

受到外界温度变化影响，激光器发射的激光波长会受到温度影响，因此需要对温度进行控制。具体为采用TEC(半导体致冷器)，不同方向电流通过TEC会加热或者制冷，从而控制激光器环境温度保持恒定。MAX8521温度控制芯片可以控制±1.5A电流。具体的温度自动补偿控制电路如图3所示。

图3 温度自动补偿控制电路

3.4 压力补偿

在矿井井下甲烷传感器运行环境中，运行压力一般在130kPa以内，因此应选择合理的压力传感器元件。考虑到激光甲烷传感器空间布局，采用体积小，检测范围大（0～200kPa）的NPP-301压力传感器内部有高精度电阻应变片，测量电路采用惠斯顿电桥，电路设计简单，检测精度及效率高，稳定性强。

3.5 无线网络通信设计

传感器无线通信采用的组网模块为BM200N，具有无线、低功率、低能耗特点。在BM200N组网模块内部镶嵌有Wave Mesh传输协议，采用433MHz工作频段，有1个基本信号，1～15个辅助信道，具体的信道、频点选择根据实际情况确定。用以无线数据收发的RXD、TXD与微处理PTE23、PTE22引脚连接。

4 性能测试

4.1 基本误差及响应时间

按照AQ6211-2008标准，选用6台无线激光甲烷传感器，放入瓦斯浓度为 2%、3.54%、8.6%、20.01%、34.98%、60.13%、86%等7种环境中，对传感器检测数值进行记录，充分测量4次，并取平均值，具体测量结果如表1所示。从测量结果可以看出，无线激光甲烷传感器的测量精度较高，基本误差小。

表1 瓦斯浓度测量结果

对传感器响应时间测试主要检测传感器灵敏度，按照200ml/min速度将浓度为20%的瓦斯通过无线激光甲烷传感器，记录传感器显示值达到90%标准值时的时间，共测量三测，取平均值，具体的测试数据如表2所示。从表中可以看出，传感器具有较快的响应速度，可以满足井下对瓦斯浓度监控需求。

表2 传感器响应时间

4.2 温度及压力影响测试

为了验证温度对传感器影响，在40℃高温箱、0℃低温箱中放入测试样机，恒温2h后，每隔1h测量一次样机数值，共测量三次，取平均值。从测量结果可以得出，采用温度补偿后的无线激光甲烷传感器可以较好的适应外界环境温度变化。

在瓦斯浓度为 2%、3.54%、8.6%、20.01%、34.98%、60.13%、86%等7种环境中，通过使用抽气泵改变环境压力，选用40kPa、60kPa…140kPa等6种压力条件下。当无线激光甲烷传感器未进行压力补偿时，在瓦斯浓度保持不变的情况下，随着检测环境中压力增加，测量值出现变大趋势，反之，压力降低时测量值偏小，检测环境与常规环境压力差值越大，无压力补偿的传感器测量误差越高。装有压力补偿传感器瓦斯浓度相同、压力不同环境下检测结果差别不大，总体误差控制在3%以内。

5 总 结

文中提出一个基于激光检测及Wave Mesh协议的无线激光甲烷传感器，并对该传感器的工作机理进行详细叙述，给出了传感器的设计方案，具体包括总体设计方案、激光瓦斯探头设计、温度补偿、压力补偿、无线网络通信设计等内容，最后对设计的无线激光甲烷传感器性能从测量精度、灵敏度、温度以及压力响应等方面进行试验，结果表明设计的传感器具有精度高、误差小、反应灵敏等特点，可以满足矿井对瓦斯监控需要。在山西某矿井下应用结果表明，该传感器安装便捷，监测数据可以实时传输至通信网络，克服了传统有效甲烷催化传感器存在的布置局限、定期校验弊端，可以更好地为服务于矿井生产。