基于金字塔分光镜的高性能可燃气体浓度探测器的研究

非分散红外型(NDIR)可燃气体浓度探测器能够对矿井中泄露的瓦斯气体进行有效的检测。防止在开采过程中出现瓦斯泄露,以保证煤矿的安全生产。为提高NDIR型可燃气体浓度探测器的检测精度、灵敏度和鲁棒性。基于金字塔分光镜矩阵对敏感元件内部光路结构进行了全新设计,采用多频点信号叠加技术对红外光源进行调制,设计了基于有线性调频Z变换(CZT)的4通道可燃气体浓度冗余算法,通过信号的特征频段做频谱细化分析,给出可燃气体浓度检测结果以及检测结果的可信度等级。实验表明,该探测器有效检测的浓度为10%~90%爆炸浓度下限(甲烷爆炸浓度下限为5%),检测结果可信度等级为0.014×10^(-6);探测器对可燃气体的极限测量浓度可达到0.5×10^(-6),检测结果可信度等级为0.01×10^(-6);在探测器光学窗口被遮挡2/3的不利条件下,探测器仍能正常检测,且检测结果可信度仍能达到0.01×10^(-6);在湿度为85%和粉尘质量浓度为100 mg/m3的极端环境下,探测器仍能进行有效检测,且检测结果可信度仍能在0.01×10^(-6)级别。研制的可燃气体浓度探测器将检测灵敏度提高到10^(-6)级别,并能够给出检测结果的可信度等级;设计的光路结构使探测器在高湿、高粉尘极端环境中仍能实现对可燃气体的高精度检测。有效地提高了探测器的检测精度、灵敏度和鲁棒性,使其能够适应煤矿矿井这种恶劣的使用环境。既可以实现对煤矿泄露的极早期检测,也能降低的探测器的维护成本。