基于红外差分检测的甲烷气体传感器研制

摘要

甲烷是一种易燃易爆气体，是矿井瓦斯及天然气等多种气体燃料的主要成分。它广泛存在于地质煤层中，是威胁煤矿安全的第一因素。因此，研究一种检测方法，实时准确地检测甲烷浓度，对煤矿安全运行有重要意义。
　　 到目前为止，检测甲烷气体浓度的方法有很多种，国内使用的检测方法主要有：催化元件法、热传导法、光干涉法和红外光谱吸收法。红外光谱吸收法是近几年来发展起来的一种新方法，它是由光谱分析技术发展的产物。利用这种原理所研制的瓦斯传感器可以克服现役传感器固有的缺陷，实现反应快、寿命长、调校周期长等技术目标。用红外吸收法检测甲烷气体浓度时，误差的补偿是提高检测精度的核心。通常采用各种差分的方法来进行误差补偿，提高检测精度。
　　 本文基于红外差分检测原理，设计了一种双波长差分甲烷传感器。利用旋转滤光盘控制滤波和光的通过，使测量光和参考光分时通过光路，实现了单光源单光路单探测器结构。这种结构消除了光源功率波动、光路损耗以及探测器的不稳定带来的误差，提高了检测精度。本文所做的工作主要有：
　　 (1).阐述了检测甲烷气体浓度常用的几种检测方法，对比分析了几种方法的优缺点，并重点介绍红外光谱吸收法测甲烷的检测机理。
　　 (2).介绍了红外法补偿误差常用的谐波检测法和差分吸收法。重点分析几种常用的差分检测方法，经过对比，选择时间双波长差分法作为检测方法。
　　 (3).介绍了改进的双波长差分甲烷气体传感器的设计方案。传感器采用一个四位的波长转换装置，实现了单光源单光路单探测器结构，消除了探测器不稳定带来的误差。设计的半开放式多光路反射气室，可方便地动态调节系统灵敏度。
　　 (4).采用标准气体对传感器进行了浓度标定，用MATLAB软件对得到的测量结果进行三项式拟合的运算，得到三项拟合式。进行了示值对比实验和稳定度实验，并对实验结果进行分析。