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时间:2020-01-06来源:未知作者:admin点击:
(河北建筑科技学院,河北邯郸 要:叙述了光干涉瓦斯传感器的研究过程和取得的成果,通过研究,光干涉瓦斯传感器的关键环节光干涉瓦斯传感器的极精细、微弱的光干涉信号转换为

  (河北建筑科技学院,河北邯郸 要:叙述了光干涉瓦斯传感器的研究过程和取得的成果,通过研究,光干涉瓦斯传感器的关键环节———光干涉瓦斯传感器的极精细、微弱的光干涉信号转换为电信号的问题得到了解决 阐述了其应用前景和所能产生的社会经济效益关键词:瓦斯检测;光干涉瓦斯传感器;精度 中图分类号: 文献标识码:基金项目:煤炭科学基金资助项目( 目前,我国煤矿现场应用的瓦斯检测仪表其传感器主要是载体催化型元件和少量的纯铂丝及气敏半导体元件传感器,这类传感器有着各自的某些优点,但总的来说或受气候条件影响(如温度、湿度、含氧量 ……),或受元器件固有缺陷影响(如中毒现象、零点漂移……)等,造成其应用缺点是:稳定性不好, 测量准确度不高以及寿命短等 这种情况给矿井瓦斯检测数据的可靠性、准确度带来了影响 光学瓦斯检 定器没有上述缺点,但其在检测过程中是通过光干涉条纹的移动来读取读数的,给检测带来了不便,其操 作过程相对前述检测方法较为复杂 根据这种现实,笔者对光学瓦斯检定器的数字化转换进行了长时间的研究,并取得了可行性成果,通过了有关部门的鉴定 相对而言,其具有稳定性好、测量准确度高、操 作简单、寿命长的特点,为光干涉瓦斯传感器的研究打下了一定基础,且取得了突破性进展,也为井下瓦 ———激光器;———聚光镜;———平面镜;,———空气室;———待测气实;,———三棱镜;———放大镜;———光 电池;———放大器;———显示报警器;———输出线 斯的自动化检测、遥测方面开辟了新的途径 工作原理光学瓦斯传感器的光路、气路部分类似于光学瓦斯 检定器,光电转换装置原理 如图所示 被检测气体 通过气体分离器吸入瓦斯气室,利用甲烷与空气对光的 折射率的差异而使由于光程差所造成的干涉条纹偏移, 其偏移的大小则与甲烷的浓度成比例关系,干涉条纹的 偏移呈现于焦平面的分划板上,在此处设置一自研的光 电耦合器采集信号,其输出电信号经过电路放大可在检 定器上显示读数,见工作原理如图 所示 项目研究过程及成果本项目的研究成功地解决了关键环节———用光电信号转换元件实现光干涉条纹的高效能、高效益的数 字信号转换,并相应地解决了检测气体的分离问题 该方法具有科学性、先进性、可行性,以及经济上的 合理性 其研究成果在国内处于领先地位(具有国家专利证明书),在国际上也是先进的,具体可归纳如 下几个方面 ()激光光源的选用 传统的光学瓦斯检测器使用的是普通的白炽光源,研究伊始,拟定选用半导体 激光光源,并与前者进行了试验比较采用不同的光 源通过光干涉装置产生干涉条纹,照射到光电池上, 记录下相应的光电流值 当光源为白炽聚光灯泡时, 功率为 ,光电流为 ;当光源为激光器时,功率为 通过试验,笔者发现,激光光源功率比白炽光光源功率小 、功率,从而大大提高了相干 光束的强度 并且其具有单色性好、方向好、能量集 中、能量利用效率较高的特点,使相干光束的强度可 达到 (勒克司),光电池(未经放大)的电压输出可达,电流输出 以上能够使失 真减小到最低程度,从而有利于信号的采集和放大,提高检测精度 ()精密栅状光电转换元件的设计通过技术上的比较和论证,初步拟定选用硒光电池或硅光电池作 为光电转换元器件 经过试验发现,在相同的激光光源作用下,硒光池相对响应度为,硅光电池为 为光谱响应曲线根据光干涉条纹的特 点,把硅光电池材料加工成栅条状阵列器件,见图 ———光电池;———放大整形;———编码器;———译码器;———驱动器;———显示报 警器;———传输线 ()高灵敏度、低误差的干涉条纹光电转换信号采集处理技术方案的应用 为了提高光电信号采集的 灵敏度和测量的精度,研究设计了 套干涉光路: 干涉光路;双管形干涉光路;多次反射干涉光 所示干涉光路对每套方案笔者一一做了试验,采集数据 余个,并进行了技术比较和论证, 确定采用图 所示干涉光路 试验的数据(部分)见表,公海赌赌船网站登录其数据处理图形均为正弦波型曲线 采集光干 涉条纹强度曲线中斜率最大的拐点的移动距离或对应输出电压的变化值,作为测量相应的瓦斯浓度值的依 据,从而使测量精度大大提高,误差减小 ()信号放大电路 由于激光和栅状硅电池的使用,光电转 换效率高,公海赌赌船网站登录输出的电信号很强,应用高效成熟的模拟数字放大 器、编码器、译码器、驱动器、显示报警器等设计了相应的信号 放大电路 放大器与显示报警如图 所示 从栅状子光电池阵列 取出脉冲信号,经放大、整形后直接得到数字信号,然后经编码 器、译码器、驱动器带动 数码管,显示瓦斯(甲烷)浓度值,亦可超限声光报警 根据《煤矿按全规程》规定,整个电路 次实验条纹移动距离 采用本质安全型()结构()先进的气体分离方法的选择 传统的光干涉瓦斯检定器吸收剂用的是钠石灰(吸收 )和氯化钙(吸收 由于是化学吸附,吸附剂本身成分改变,不适宜再生重复使用常用于气体净化的吸 附剂有沸石分子筛、活性炭、活性氧化铝、硅胶等 ,其主要性能见表从表中可看出,沸石分子筛与 其它吸附剂相比比表面积、孔隙率都大 此外,分子筛还有一个显著的特点,即选择吸附功能 只有高极 性或高极化率的分子如 长,因是物理吸附,故本身不变质,特别适宜再生重复使用从实验资料图 再生次数对分子筛吸附效能的影响中可见, 次再生之后,分子筛吸附容量仅下降左右,且其后基本稳定下来 这些特点是选择分子筛为吸附剂的依据 沸石分子筛活性炭 活性氧化铝 硅胶 比表面积 数字型光学瓦斯检定器的主要技术指标根据本研究成果,笔者研制了一种可供煤矿井下应用的数字型光学瓦斯检定器,其所具有的主要技术 指标: 增刊郭鑫禾等:光干涉瓦斯传感器的研究 测量范围:( 测量方式:随机检测测量误差:( 测量数据显示方式:数字显示报警范围:( 或任意选定报警方式:连续声、光信号 输出信号: 应用前景及社会经济效益数字型光学瓦斯检定器具有稳定性好、测量准确度高、操作简单、寿命长等优点,且克服了现使用的 其它检测器的缺点,有利于安全生产管理,故具有相当高的社会效益 由于构成该数字型光学瓦斯检测器的元器件可购买标准件或外厂加工,所以投入固定基金较少即可生 产,进口同类产品是该检测器成本价格的 倍以上,因而该检测器有相当高的综合经济效益 ()采用传统的光干涉原理测量瓦斯浓度,利用光电耦合器转换成电信号,在提高测量范围、使用寿命,操作简单化方面有明显优点 ()选用半导体激光器代替白炽灯光源及用光电池构成栅状接收器,提高了检测精度 ()用分子筛代替传统氯化钙吸收 和水蒸汽,消除其对检测后果影响,并通过物理解吸可连续重复使用,具有先进性和新颖性 为研究开发矿用光干涉瓦斯传感器打下了基础 参考文献: 赵全福煤矿安全手册[] 北京:煤炭工业出版社, 分子筛在光干涉式甲烷传感器中的应用[]煤矿安全,(): 利用光电信号转换元件实现光干涉条纹转换的可行性研究[]大学物理研究,(): 无机化学[]北京:人民卫生出版社, 作者简介: 年毕业于河北煤炭建筑工程学院采矿工程系从事教学、科研工