矿用激光甲烷传感器的校准方法及其测量不确定度评定和应用

主要分析矿用激光甲烷传感器校准方法及测量不确定度的应用,重点介绍传感器的结构原理、校准前准备工作、传感器的校准项目、不确定度评定方法及符合性评定应用等,为激光甲烷传感器的校准与符合性评定提供技术依据,为保障煤矿安全生产提供技术保障。

新型激光甲烷传感器的设计与应用研究

为了提高能源企业气体监测系统的准确性及扩展性,设计了一种新型激光甲烷传感器,同时兼顾压力补偿和温度补偿两种功能,从硬件设计及软件设计两方面进行了重点分析。通过对传感器性能进行测试,结果表明:传感器的常态误差很小,温度测量误差值小于4%,压力测量误差值小于3%,符合安全监控系统要求,可精准监测瓦斯气体。

基于VCSEL激光器的激光甲烷传感器研制与应用

基于VCSEL激光器,研制了高性能低功耗激光甲烷传感器,并进行了实际应用。该激光甲烷传感器具有响应快速、灵敏度高、抗光学与电子干扰性能优、无接触性检测且选择性强等优点,解决了当今煤矿井下广泛使用的热催化式甲烷传感器存在的零点易漂移、电气功耗高、使用周期短、易受其他有毒有害气体干扰、易受现场湿度和温度影响等诸多问题,提高了安全监测监控系统的可靠性。

煤矿气体检测设备交叉干扰及评判方法研究

目前煤矿井下气体检测设备常因交叉干扰造成误报警甚至不报警,存在安全隐患,且现行国家或行业标准并未对气体交叉干扰提出明确的评判方法。针对上述问题,结合煤矿井下实际的环境气体类型和体积分数阈值情况,采用理论分析和试验验证相结合的方法研究了基于催化燃烧、激光和电化学3种常用原理的气体检测设备的交叉干扰机理和交叉干扰特性,设计并进行了交叉干扰试验。结合现行标准中气体检测设备误差试验通用方法,提出了基于煤矿井下特殊气体环境的气体检测设备交叉干扰评判方法:采用试验方法对气体检测设备交叉干扰特性进行评估,通入交叉干扰气样,计算气体检测设备的交叉干扰值,并与设备最高精度比较,从而判断非目标气体是否对气体检测设备造成交叉干扰影响。试验结果表明:气体检测设备交叉干扰影响普遍存在,在煤矿井下特定气体环境条件下,基于催化燃烧原理的甲烷检测设备易受硫化物和氢气干扰,应避免长时间在含有硫化氢或二氧化硫的气体环境中使用,以免造成催化剂中毒或抑制,影响测量精度;基于激光原理的甲烷和乙炔检测设备基本不受煤矿井下常见气体干扰,可以不进行交叉干扰试验,基于激光原理的乙烯检测设备易受甲烷气体的影响,经交叉干扰评判合格的,可以在甲烷环境中使用,不合格的应明确产品不能在含有甲烷的环境中使用;基于电化学原理的气体检测设备的交叉干扰特性具有不确定性,需经交叉干扰评判后,明确其可以和不可以使用的交叉干扰气体环境。

基于ISSA-BP神经网络的激光甲烷传感器温度补偿研究

为有效提高宽温应用环境下激光甲烷传感器的探测精度,提出基于改进麻雀搜索算法优化BP神经网络的温度补偿模型,并利用实测大规模数据集进行验证。在模型框架上,提出具有全局寻优能力的ISSA-BP算法:利用准反射学习策略初始化麻雀种群以提高麻雀种群多样性,引入变色龙算法、Levy飞行策略和人工兔扰动策略分别对探索者位置、反捕食者位置和每代麻雀个体位置进行更新,避免算法陷入局部最优。在数据上,通过建立不同温度、不同浓度的传感器大规模实验数据集,提升温度补偿模型的训练效果并减小模型的预测误差。在-20℃~65℃温度范围内利用15800组传感器测量数据分别对BP、PSO-BP、SSA-BP和ISSA-BP四种模型进行对比。结果表明,基于ISSA-BP神经网络的温度补偿模型预测值最大相对误差仅为0.52%,比BP、PSO-BP和SSA-BP模型分别减少了7.70%、2.46%和0.74%,MAE、MAPE、RMSE和RE量化评价指标均远优于BP、PSO-BP和SSA-BP模型。本文算法可大幅提高宽温应用环境下激光甲烷传感器探测精度,对提升激光甲烷传感器的环境适用性具有重要的参考意义。

可调谐半导体激光吸收光谱式甲烷传感器温度补偿技术

随着可调谐半导体激光吸收光谱气体传感技术的发展,基于该技术的矿用甲烷传感器成为当前煤矿瓦斯监测领域的研究热点,相关产品已陆续投入煤矿现场应用,由于煤矿应用环境的复杂性,传感器测量准确性受环境温度的影响较大。针对这一问题,提出了一种基于分段插值和重心插值的自适应融合的迭代补偿算法,该方法首先取标定温度下浓度的值,计算传感器测量温度影响率,然后求出重心拉格朗日插值的不同温度下的插值函数,在此基础上再对被测浓度甲烷值进行分段插值得到新补偿温度影响率,由该新的补偿温度影响率得到补偿后的甲烷值,依此实现自适应的迭代对激光吸收光谱气体测试数据进行补偿,并进行了大量相关实验验证,在高瓦斯情况下,测量误差减小到1%,在低浓度瓦斯情况下,测量误差减小到0.01%;工程应用结果表明该补偿技术的应用有效的减小了传感器甲烷浓度测量的误差,为激光传感器在煤矿现场的正常运行提供可靠保障。

基于1665nm激光器测量甲烷气体浓度的研究

介绍了一种以1665 nm分布反馈(DFB)激光器为光源,使用双光路差分吸收光谱技术(DAS)测量甲烷浓度的检测系统。双光路差分吸收光谱技术能有效抑制由于光源光强变化、探测器零点漂移等因素所引起的测量的不准确。文中对这种检测方法进行了理论和实验分析,系统的最小探测浓度为100×10-6,响应时间约为14 s。

基于光谱吸收的甲烷气体光纤传感器

甲烷是一种易燃、易爆气体,实时可靠的检测甲烷浓度对煤矿安全生产有着重要的社会意义和经济意义。光纤光栅可以很容易地得到各种各样气体的谱特性,具有低的插入损耗、高的反射率、低成本,且有很高的可靠性等特点。将光纤传感与瓦斯检测结合,具有传统检测无法比拟的优势。在分析甲烷气体光谱吸收的基础上,利用差分吸收技术,根据光纤对甲烷吸收线选择的分析,设计光纤气体传感器。利用光纤传感器的优势,实现了测量瓦斯浓度的在线检测系统,又通过监测网络由软件来实现适时测量瓦斯浓度的要求,具有较高精度和很好的应用前景。

可调谐激光吸收光谱光纤甲烷传感器研究

甲烷光谱吸收与气室温度有关,结合甲烷波长1 653.72 nm附近2v3带R(3)支的3条吸收线,分析温度波动对甲烷吸收线的谱线特性及气体浓度反演产生的影响.基于可调谐二极管激光吸收光谱设计了一套带温度信号采集装置的甲烷浓度检测系统,利用校准系数将不同温度下检测得到的二次谐波信号转化为参考温度下的标准信号,反演待测气体浓度.研究表明,气室温度在-20～60℃范围内波动时,系统的测量误差可控制在1%以内,提高了系统的检测精度.

探测空气中甲烷的小型气体敏感器

一种新研制成功便携式以室温半导体激光器为基础的中红外气体敏感器用于测量空气中甲烷浓度。这种气体敏感器由波长为８１０ｎｍ的单极性半导体激光器和波长为１０８３ｎｍ的分布反馈式半导体激光器作为泵浦光并通过周期性极化的磷酸锂晶体产生了在３３μｍ连续差频光。通过调谐单极性半导体激光器使差频光调谐在３０４５～３１７０波数之间。外场测量空气中的甲烷得到的灵敏度为１８ｐｐｂｍ／Ｈｚ１／２，探测灵敏度主要受激光强度噪声所限制。

基于TDLAS-WMS的高灵敏度电子鼻传感器设计

为了对痕量有害气体(甲烷为例)进行非接触式检测,本文基于可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)与波长调制光谱(WMS)相结合的检测技术,采用中心波长为7.5μm的量子级联激光器(QCL),设计并研制出高灵敏度电子鼻传感器系统.在室温条件下,通过调节QCL注入电流,使其发光光谱扫过甲烷(CH4)气体吸收谱线.同时采用紧凑型herriott气室(长度为40 cm,容积为800 m L),使得系统总光程达到16 m.利用该传感器系统,对不同浓度的CH4进行测量,结果显示,测量相对误差小于7%,检测下限为1×10^(-9).同时,研究人员可以通过更换其他激射波长的QCL,实现对其它有害气体的检测.

光纤瓦斯转换装置及其在瓦斯抽采发电中的应用

设计了一种甲烷测量装置。该装置采用锯齿波调制的DFB激光器作为检测光源,利用光谱吸收的原理,实现对甲烷浓度的实时检测等功能。具有测量精度高,抗干扰能力强,使用寿命长等特点。本文首次报告了光纤瓦斯检测装置在煤矿瓦斯抽采监测方面的现场监测结果。

矿井监管物联网示范煤矿总体设计

为研究物联网在煤矿的应用,依托示范煤矿现状,对煤矿物联网的架构进行了设计,介绍了示范煤矿的建设目标、总体设计方案以及实现的主要功能。结果表明:示范煤矿的建设实现了管理的全面信息化,解决了瓦斯监测不准确、数据分析和综合预测能力较弱等诸多问题,对于推动煤矿物联网的建设和发展具有积极的促进作用,起到了良好的示范效果。

基于分布反馈式半导体激光器的光纤甲烷传感器

简介了一种基于分布反馈式半导体激光器(DFBLD)的光纤甲烷气体传感器,在甲烷气体光谱吸收的基础上,利用差分吸收技术,实现瓦斯浓度在线检测。还介绍了DFBLD工作原理,给出了初步的实验性设想。对此光纤甲烷气体传感器只要稍加改进或换上其它附件,即可测量其它多种气体的浓度,在气体浓度测量领域,具有很好的应用前景。

双光程光声光谱甲烷传感器

利用甲烷(CH_4)气体分子在1.6μm的吸收特性,使用中心波数为6 046.96cm^(-1)的蝶形分布反馈式(DFB)激光器和自制的大内径光声池,设计了一款紧凑高灵敏的CH_4气体传感器。为了进一步增强输出光声信号强度,一个具有高反射率的平面镜放置在光声池后,使透射光束被反射后,二次通过光声池,增强了光与被测气体的作用距离,使光声信号提高了1.9倍。传感器各项参数,包括调制频率、调制深度及气体流速被优化。在标准大气压和1s的积分时间下,该传感器最终获得的探测灵敏度为0.21ppm,1σ归一化等效噪声系数(NNEA)为2.1×10^(-8 )cm^(-1)·W·Hz^(-1/2)。该甲烷传感器使用性价比高的DFB近红外激光二极管作为激发光源,装置简单,成本低廉可以满足大气环境检测、矿井瓦斯监测、工业过程控制及无创伤医疗诊断等领域的需求。

用于中红外甲烷检测的压强测量与补偿（英文）

利用一个波长为3.291μm的室温连续、带间级联激光器和一个有效光程长为54.6 m的多通池,研究了用于中红外甲烷检测的压强测量及补偿技术。通过对测得的甲烷直接吸收光谱信号进行洛伦兹吸收线型拟合,测量了吸收池内气体压强并补偿了压强变化对甲烷浓度的影响。利用浓度为2.1×10^(-6)的甲烷气体样品,在1.33×10~4~10.64×10~4 Pa的范围内进行了压强标定;对压强为9.31×10~4 Pa、浓度为2.1×10^(-6)甲烷气体样品的压强测量结果进行阿仑方差分析,结果表明,当积分时间为2.2s时,压强的测量精度约为219.5Pa。在1.33×104、3.99×10~4和6.65×10~4 Pa三种不同压强条件下,对浓度分别为1.0×10^(-6)、1.2×10^(-6)、1.4×10^(-6)、1.6×10^(-6)、2.1×10^(-6)甲烷气体样品的浓度和压强做了15组测量,验证了所给出的压强测量和补偿技术的可行性。

面向矿山安全物联网的光纤传感器

针对矿山安全监测系统中传统电子传感器存在的精度低、可靠性差、维护工作量大、有监控盲区等问题,提出采用光纤传感器与无线传感器构建煤矿人、机、环多维度、多参数、大容量监测系统;介绍了光纤传感器在矿山安全监测系统中的应用优势,重点介绍了激光光谱分析气体传感器、光纤光栅物理量传感器、光纤分布式温度传感器等矿用传感器的工作原理;以煤矿安全监控系统中的激光甲烷传感器、矿山微震监测系统中的光纤加速度传感器及采空区火灾监测预警系统中的光纤分布式温度传感器为例,介绍了矿用光纤传感器在矿山安全物联网中的应用情况。

宽温紧凑型全量程激光甲烷传感探头设计

针对测量动态范围大、室外环境温度变化剧烈等因素,设计了宽温度范围(−40~60℃)紧凑型全量程激光甲烷探头.为减小传感器体积,电路采用层叠结构设计,通过单片机STM32F405实现激光器温度控制、波长扫描调制、数字锁相放大及浓度信息实时反演.电路系统和测量气室封装在仅Φ35 mm×60 mm的不锈钢外壳内,中间有窗片实现物理隔离,确保本质安全.低浓度时使用波长调制技术,保证探头测量精度和测量下限;高浓度时,使用直接吸收光谱技术,保证量程和线性度.在25℃标准大气压下,低浓度(<2%)测量误差小于±5.00×10^-4,检出限为2.24×10^-4,在允许基线校准或者背景扣除的条件下,测量下限可以提高到6.026×10^-5;高浓度(2~100%)测量误差小于真值的±5%.在−40~60℃环境温度下,分别使用1.2%和20%标准气体进行温度性能测试,最大相对测量误差为−3.3%和−3.15%,完全满足国家相关标准要求,可广泛应用于城市综合管廊、天然气管道及站场泄露监测、煤矿安全预警等场合.

天然气水合物开采井CH_(4)-CO_(2)光纤气体传感监测仪器研发

天然气水合物资源开发备受关注,日本、中国等国家相继实施海域天然气水合物试采,证实了其资源潜力和开发可行性。目前对水合物开采过程中生产井内气体成分的监测手段尚不完善,制约了对生产过程监控及安全风险预估等工作的开展。本研究基于可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)原理,设计出一套CH_(4)、CO_(2)气体成分传感监测系统,并针对天然气水合物生产井工况进行小型化、抗干扰改良,最终形成设备样机。经测试验证,研制的光纤气体传感监测仪器具备对浓度>50×10^(-6)的CH_(4)、浓度>100×10^(-6)的CO_(2)稳定的测量能力。

分布式激光甲烷检测系统振动干扰诊断与辨识

为消除外界振动对分布式激光甲烷检测系统的影响,在分析振动对光纤物理特性及甲烷检测的影响、振动波形频率特征的基础上,提出一种基于实时采样信号和设定频率信号的振动波形辨识算法。该算法通过傅里叶变换、互相关运算、最大相似系数判定和甲烷浓度解算等步骤,有效识别出不同频率的外界振动波形,进而可准确删除振动波形,消除外界振动对甲烷浓度测量值的影响。实验室测试及工业性测试结果表明,该算法能有效识别出不同频率的振动干扰,避免振动信号引入的测量误差。