提高CO 傳感器靈敏度的優(yōu)化設(shè)計分析

劉瑞瑞

（晉能控股集團(tuán)四老溝礦信息中心， 山西 大同 037036）

引言

我國具有大量的煤礦進(jìn)行地下煤層的開采，在煤炭的開采過程中，由于井下的爆破作業(yè)及煤層的緩慢氧化等，會產(chǎn)生一定的CO 氣體。CO 氣體無色無味，不易察覺，當(dāng)超過一定濃度時存在著爆炸的危險[1]，且對井下工作人員的健康造成威脅，是煤礦開采過程中的安全隱患。在井下作業(yè)中，采用CO 傳感器對井下的CO 氣體進(jìn)行濃度檢測是保證煤礦安全必不可少的環(huán)節(jié)[2]。在進(jìn)行井下的CO 氣體檢測中，傳感器的形式多樣，在使用過程中存在著傳感器系統(tǒng)的體積過大、靈敏度不足的問題，對礦井中的CO 氣體檢測精度不足，針對這一問題，采用光聲光譜技術(shù)進(jìn)行CO傳感器的設(shè)計[3]，利用檢測系統(tǒng)的靈敏度與CO 氣體的吸收線強(qiáng)度關(guān)系提高傳感器檢測的靈敏度，從而提高對礦井CO 氣體的檢測精度，及時有效地掌握礦井的CO 氣體濃度[4]，從而采取針對性的措施，保證煤礦的安全開采。

1 光聲光譜CO 傳感器的設(shè)計

為保證檢測系統(tǒng)的靈敏度，采用六氟化硫（SF6）氣體代替空氣作為反應(yīng)環(huán)境。六氟化硫作為絕緣介質(zhì)材料，具有強(qiáng)電負(fù)性的特點(diǎn)，絕緣強(qiáng)度是空氣的2.5倍，能保證傳感系統(tǒng)的檢測精度[5]，在電氣設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用。采用光聲光譜技術(shù)對CO 氣體的濃度進(jìn)行檢測，對CO 氣體的吸收特性進(jìn)行分析[6]，CO 氣體的紅外波長具有 1.56 μm、2.33 μm 及 4.7 μm 三個較強(qiáng)的吸收帶，SF6氣體在10～17 μm 內(nèi)的吸收性較好。為提高檢測系統(tǒng)的靈敏度，應(yīng)選擇4.7 μm 的基頻作為探測波長進(jìn)行設(shè)計，但在4.7 μm 的波長時SF6氣體的濃度較大時會對其他氣體衍生物的探測造成影響[7]，影響對CO 氣體濃度的檢測。

對CO 氣體及SF6進(jìn)行混合測定紅外吸收光譜，得到如圖1 所示的紅外吸收譜線分布。從圖1 中可以看出，在波長大于3.3 μm 的區(qū)域內(nèi)，SF6氣體具有較強(qiáng)的吸收譜線，在4.7 μm 時SF6氣體濃度的變化會對光聲信號的強(qiáng)弱造成影響[8]，從而影響對CO 氣體的檢測精度。由此針對CO 氣體的紅外吸收光譜，選擇2.33 μm 作為檢測目標(biāo)的吸收線波長，此時的SF6氣體對CO 氣體的吸收沒有影響，從而可以提高檢測系統(tǒng)的靈敏度。

圖1 CO 與SF6 氣體的吸收光譜分布

采用單模的DFB 激光器作為激勵光源，建立CO氣體傳感器的檢測系統(tǒng)如圖2 所示。采用純凈的SF6氣體與一定配比后的CO/SF6氣體進(jìn)行混合后輸入到配氣系統(tǒng)中[9]，在系統(tǒng)的進(jìn)氣口及出氣口采用壓力控制器及針閥控制系統(tǒng)的壓強(qiáng)及氣體流速，保證檢測環(huán)境的穩(wěn)定。光聲池采用光學(xué)的諧振室、光學(xué)窗口及緩沖室構(gòu)成，在諧振室的中間位置帶有小孔，安裝靈敏度較高的麥克風(fēng)進(jìn)行光聲信號的采集[10]。采用DFB激光器進(jìn)行激光信號的發(fā)射，沒有激勵激光發(fā)生時，由于光聲池的對稱結(jié)構(gòu)設(shè)置，此時檢測到的氣流及環(huán)境噪聲等一致，當(dāng)有激勵激光產(chǎn)生時，采用差分電路的形式降低系統(tǒng)的噪聲影響進(jìn)行CO 氣體濃度的檢測。

圖2 CO 氣體傳感器檢測系統(tǒng)示意圖

DFB 激光器采用臺式溫度控制器進(jìn)行控制，設(shè)定采樣的溫度為29 ℃，通過電流驅(qū)動器進(jìn)行激勵激光的電流控制[11]，信號發(fā)生器發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)的鋸齒波信號及正弦信號，并通過加法器后由電流驅(qū)動器進(jìn)行掃描激光信號的波長，經(jīng)過DFB 激光器輸出的激光通過光纖準(zhǔn)直器的校正輸入到光聲池中，此時的激光信號經(jīng)過準(zhǔn)直后直徑為7.3 mm，可以保證與光聲池?zé)o接觸通過光聲池。

對CO 氣體進(jìn)行濃度檢測，在檢測過程中傳感器的響應(yīng)時間對于檢測結(jié)果的精度及準(zhǔn)確性也具有重要的影響。響應(yīng)時間指CO 氣體濃度變化時，檢測到氣體到達(dá)到信號穩(wěn)定幅值的90%所需的時間，在煤礦井下的CO 氣體濃度變化過程中，響應(yīng)時間越小對于檢測的靈敏度及精度越有利[12]。在CO 氣體的檢測系統(tǒng)中，氣體與池壁之間的吸附過程較快，其吸附的時間可以不計，對檢測響應(yīng)時間造成影響的主要是傳感器系統(tǒng)的換氣時間。換氣時間的長短主要與氣體的氣流速度及光聲池的體積相關(guān)，在設(shè)計好的光聲池中，為縮短換氣時間，可通過增加氣流速度的形式減小傳感器的響應(yīng)時間。在CO 傳感器中，光聲池的噪聲會隨氣體流速的增加而增加，不能單純地提高氣流的速度，為此將光聲池的換氣通道改為雙通道的結(jié)構(gòu)，對氣流的噪聲進(jìn)行抑制的同時提高傳感器的響應(yīng)時間，進(jìn)一步優(yōu)化提高傳感器的靈敏度。

2 光聲光譜CO 傳感器的性能評估

對所設(shè)計的傳感器進(jìn)行性能評估，在所設(shè)計的傳感器系統(tǒng)中將不同濃度的CO/SF6氣體注入到光聲池中，在系統(tǒng)的光聲信號輸出值穩(wěn)定后，記錄100 s 時光聲信號的幅值進(jìn)行傳感器靈敏度的測定。在CO/SF6氣體體積分?jǐn)?shù)不同時，光聲信號的幅值響應(yīng)如圖3 所示。從圖3 中可以看出，在不同的氣體體積分?jǐn)?shù)下的光聲信號值不同，在50×10-6體積分?jǐn)?shù)時，信號幅值為19.6 μV；經(jīng)計算得到在1 s 內(nèi)傳感器檢測的靈敏度為1.85×10-6體積分?jǐn)?shù)，靈敏度達(dá)到10-6，傳感器的靈敏度較高，可以大幅提高煤礦CO 氣體檢測的靈敏度特性。

圖3 不同氣體濃度檢測的光聲信號響應(yīng)值

為保證傳感器檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對傳感器的響應(yīng)線性度進(jìn)行分析，同樣將不同濃度的CO/SF6氣體注入到光聲池中，在系統(tǒng)的光聲信號輸出值穩(wěn)定后，對所產(chǎn)生的幅值最大值進(jìn)行記錄，得到在CO/SF6氣體體積分?jǐn)?shù)不同時，光聲信號的幅值響應(yīng)線性度如圖4 所示。從圖4 中可以看出，對傳感器的響應(yīng)線性度進(jìn)行擬合得到其R2值為0.999 7，表明傳感器的線性響應(yīng)性能優(yōu)異，保證了煤礦使用測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 CO 傳感器線性響應(yīng)度分布

3 結(jié)語

煤礦井下的開采過程中會產(chǎn)生CO 氣體，對煤礦的安全開采造成影響，需采用CO 氣體傳感器對井下的CO 氣體濃度進(jìn)行實時的檢測，保證煤礦的安全。針對CO 氣體傳感器的檢測靈敏度不足的問題，采用光聲光譜技術(shù)對CO 氣體傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。采用SF6惰性氣體搭建CO 氣體檢測的絕緣環(huán)境，并選擇2.33 μm 作為檢測的波長，通過DFB 激光發(fā)生器作為激勵光源，對CO 氣體的濃度進(jìn)行檢測，并采用雙通道的光聲池結(jié)構(gòu)提高傳感器檢測的響應(yīng)時間，保證檢測的精度。對所設(shè)計的CO 氣體傳感器進(jìn)行性能檢測，靈敏度達(dá)到10-6，傳感器的靈敏度較高，且具有較高的線性響應(yīng)度，保證了對井下CO 氣體檢測的準(zhǔn)確性，為煤礦的安全開采提供保障。