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[摘 要]光谱吸收原理的激光式甲烷传感器， 传感器能够及时、准确地检测瓦斯气体的产生源浓度，通过在煤矿井下现场和地面与催化燃烧式传感器进行对比试验，得出激光甲烷传感器在井下环境适应性强、长期稳定性好、使用与维护简单方便及兼容性好等特性，对于煤矿安全生产有着十分重要的意义。
[关键词]传感器；激光；光谱吸收
中图分类号：TD712.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0334-01
中国是世界上煤炭产量最多的国家，同时也是世界上煤矿事故及事故率最大的国家。在我国每年由瓦斯引起的煤矿事故造成的直接经济损失超过百亿元，降低了生产效率，每年间接经济损失无法估量。随着国家对安全生产的日益重视及社会对矿工生命的日益尊重，煤矿安全技术工作已被《国家中长期科学和技术发展规划纲要》列为重点攻关领域。“矿井瓦斯、突水、动力性灾害预警与防控技术”被列为重点研究内容，提高瓦斯监控产品技术迫在眉睫。
如何早期和精确地检测井下瓦斯的状况将是预防瓦斯爆炸的关键环节。现阶段，我国矿用甲烷传感器主要分为： 催化元件式（热催化式）、电化学式、光干涉式及红外式，其中大部分采用热催化式传感器，其误报率大、灵敏度低、使用寿命短，需定期进行校正，特别是当瓦斯浓度超过5.0%时，元件表面温度可能达800～1000 ℃，致使元件本身成为一个引爆源， 具有潜在的危险性。而光干涉式及红外式虽然测量精度高， 但是响应时间慢、功耗大并且会受到其它气体的影响。
1 光谱吸收式激光甲烷传感器研究现状
广泛应用于煤矿瓦斯监测的传感器基本上全部是黑白催化元件和热导元件"黑白元件的量程在以下，每隔两周必须标定一次；热导元件误差比较大；催化元件和热导元件组成的混合型传感器尽管可以实现大量程，但是对瓦斯的突出响应不够迅速。特别对于监测易燃的气体鉴别能力！快速的响应能力，对温度湿度等干扰的抵抗力，简单可靠的气体传感探头以及易于形成网络等优点，因而是目前最有前途的气体传感技术。
西方发达国家当中针对吸收式光纤气体传感方面的研究相对起步较早，而采用光谱式技术则最早出现在日本。早在1990年的时候，日本东京大学的H.Tai就制造了基于反馈技术的激光传感设备。通过采取波长调节的方式完成对室温条件下的甲烷气体进行浓度检测。当前社会环境中主要采用吸收式技术制造甲烷传感设备。这其中例如的瑞典、美国以及法国等国家的企业在分差光谱技术方面都十分成熟。我国在进行光谱吸收式技术传感设备的研究相对较晚，截止到上个世纪的80年代，我国在吸收式光纤气体方面的研究仍然停留在LED光源基础上。直到1989年的时候，在西安的光学杂志上我国才第一次有了针对差分光谱方面的介绍。直到2001年的时候，由吉林大学方面的王教授在借鉴了朗博吸收定律的基础上，设计完成了我国具有现代意义的全新光路以及电路结构检测仪器。这项甲烷检测仪器研制成功也意味着我国在光谱吸收激光甲烷传感器方面的研究真正迈向了国际水平。
2 试验过程
现在就某矿井安装与布置光谱吸收激光甲烷传感器为例，描述试验过程。采用这项技术能够完成对井下多点同时甲烷气体浓度检测，并在检测的过程中很好适应工作条件。光纤瓦斯传感技术对使用条件要求不高，一般采用悬挂式。
光纤瓦斯监测技术则会与井下相关分站彼此连接。采用光谱吸收式传感技术在井下试验三个月时间，通过调试能够促进光谱吸收式传感技术性能情况，并对其进行进一步的校正。试验过程中主要对几个方面进行改进：首先，电源模块，通过进行耗电量使用情况的调节，能够有效提升实测过程中探头整体待机状态的耗电情况。确保误报警环境中的整机电流≤350ma以下；其次，提升兼容性。试验中传感设备的断电输出与使用模式低电平断电两者之间存在不相符的情况。通过修正这个问题能够被较好的解决。
上述技术设备在进行校正与改进之后，光谱吸收式传感设备的性能又有了提升。通过1A井下相关实验数据结果显示，传感功能完成较好，数据传输相对稳定，符合相关标准。GJG4传感产生延迟15S，相对于当前规范当中指出的时限有所提升。光谱吸收式传感技术与设备在井下使用的对比数据结果相对于催化燃烧式数据波动值相似，通过走何种不敏感性的数据结果分析，采用催化燃烧式的传感检测技术与设备可能对可燃气体产生反应。实测得到的传输距离范围在2000m；工作电流量维持在99-135ma范围。传感设备在经过重新校对之后下井使用，通过6个月为期测试，设备运行稳定，基本上只需要简单维护，相对与催化燃烧式的检测传感设备，极大程度上降低了维修工作量。
3 试验分析与性能对比
当前在技术应用方面主要采用的标准主要是：《煤矿用低浓度载体催化燃烧式甲烷传感器》等，上述标准当中对甲烷传感器可造成误差的规定范围如下图谱1.
而采用光谱吸收式技术的传感器形成误差范围如图谱2.
通过对上述中的两种图谱标准进行分析可以发现，光谱式测量数据内容具有明显优越性。在井下使用两种数据测量标准，并进行对比分析发现：
通过对比可知，采用光谱吸收式技术标准测量数据形成稳定性高，具有较高实用性。
4 结论
综上所述，采用本次研究当中的光谱吸收技术可以适应在恶劣的工作环境中检测甲烷气体浓度的任务，并在冲击、振动以及相关条件下，保持工作状态稳定。光谱吸收技术激光检测传感器的探头使用寿命较长，一般不需要进行更换。因此，能够应用在恶劣的环境当中，维护工作环节只需要做到清洁处理即可，操作相对简单便捷。相对于催化燃烧式的传感器设备使用这项技术与设备能够极大程度上节省人力物力。系统兼容性与适应能力极佳，具有重要的实践意义。
[关键词]传感器；激光；光谱吸收
中图分类号：TD712.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0334-01
中国是世界上煤炭产量最多的国家，同时也是世界上煤矿事故及事故率最大的国家。在我国每年由瓦斯引起的煤矿事故造成的直接经济损失超过百亿元，降低了生产效率，每年间接经济损失无法估量。随着国家对安全生产的日益重视及社会对矿工生命的日益尊重，煤矿安全技术工作已被《国家中长期科学和技术发展规划纲要》列为重点攻关领域。“矿井瓦斯、突水、动力性灾害预警与防控技术”被列为重点研究内容，提高瓦斯监控产品技术迫在眉睫。
如何早期和精确地检测井下瓦斯的状况将是预防瓦斯爆炸的关键环节。现阶段，我国矿用甲烷传感器主要分为： 催化元件式（热催化式）、电化学式、光干涉式及红外式，其中大部分采用热催化式传感器，其误报率大、灵敏度低、使用寿命短，需定期进行校正，特别是当瓦斯浓度超过5.0%时，元件表面温度可能达800～1000 ℃，致使元件本身成为一个引爆源， 具有潜在的危险性。而光干涉式及红外式虽然测量精度高， 但是响应时间慢、功耗大并且会受到其它气体的影响。
1 光谱吸收式激光甲烷传感器研究现状
广泛应用于煤矿瓦斯监测的传感器基本上全部是黑白催化元件和热导元件"黑白元件的量程在以下，每隔两周必须标定一次；热导元件误差比较大；催化元件和热导元件组成的混合型传感器尽管可以实现大量程，但是对瓦斯的突出响应不够迅速。特别对于监测易燃的气体鉴别能力！快速的响应能力，对温度湿度等干扰的抵抗力，简单可靠的气体传感探头以及易于形成网络等优点，因而是目前最有前途的气体传感技术。
西方发达国家当中针对吸收式光纤气体传感方面的研究相对起步较早，而采用光谱式技术则最早出现在日本。早在1990年的时候，日本东京大学的H.Tai就制造了基于反馈技术的激光传感设备。通过采取波长调节的方式完成对室温条件下的甲烷气体进行浓度检测。当前社会环境中主要采用吸收式技术制造甲烷传感设备。这其中例如的瑞典、美国以及法国等国家的企业在分差光谱技术方面都十分成熟。我国在进行光谱吸收式技术传感设备的研究相对较晚，截止到上个世纪的80年代，我国在吸收式光纤气体方面的研究仍然停留在LED光源基础上。直到1989年的时候，在西安的光学杂志上我国才第一次有了针对差分光谱方面的介绍。直到2001年的时候，由吉林大学方面的王教授在借鉴了朗博吸收定律的基础上，设计完成了我国具有现代意义的全新光路以及电路结构检测仪器。这项甲烷检测仪器研制成功也意味着我国在光谱吸收激光甲烷传感器方面的研究真正迈向了国际水平。
2 试验过程
现在就某矿井安装与布置光谱吸收激光甲烷传感器为例，描述试验过程。采用这项技术能够完成对井下多点同时甲烷气体浓度检测，并在检测的过程中很好适应工作条件。光纤瓦斯传感技术对使用条件要求不高，一般采用悬挂式。
光纤瓦斯监测技术则会与井下相关分站彼此连接。采用光谱吸收式传感技术在井下试验三个月时间，通过调试能够促进光谱吸收式传感技术性能情况，并对其进行进一步的校正。试验过程中主要对几个方面进行改进：首先，电源模块，通过进行耗电量使用情况的调节，能够有效提升实测过程中探头整体待机状态的耗电情况。确保误报警环境中的整机电流≤350ma以下；其次，提升兼容性。试验中传感设备的断电输出与使用模式低电平断电两者之间存在不相符的情况。通过修正这个问题能够被较好的解决。
上述技术设备在进行校正与改进之后，光谱吸收式传感设备的性能又有了提升。通过1A井下相关实验数据结果显示，传感功能完成较好，数据传输相对稳定，符合相关标准。GJG4传感产生延迟15S，相对于当前规范当中指出的时限有所提升。光谱吸收式传感技术与设备在井下使用的对比数据结果相对于催化燃烧式数据波动值相似，通过走何种不敏感性的数据结果分析，采用催化燃烧式的传感检测技术与设备可能对可燃气体产生反应。实测得到的传输距离范围在2000m；工作电流量维持在99-135ma范围。传感设备在经过重新校对之后下井使用，通过6个月为期测试，设备运行稳定，基本上只需要简单维护，相对与催化燃烧式的检测传感设备，极大程度上降低了维修工作量。
3 试验分析与性能对比
当前在技术应用方面主要采用的标准主要是：《煤矿用低浓度载体催化燃烧式甲烷传感器》等，上述标准当中对甲烷传感器可造成误差的规定范围如下图谱1.
而采用光谱吸收式技术的传感器形成误差范围如图谱2.
通过对上述中的两种图谱标准进行分析可以发现，光谱式测量数据内容具有明显优越性。在井下使用两种数据测量标准，并进行对比分析发现：
通过对比可知，采用光谱吸收式技术标准测量数据形成稳定性高，具有较高实用性。
4 结论
综上所述，采用本次研究当中的光谱吸收技术可以适应在恶劣的工作环境中检测甲烷气体浓度的任务，并在冲击、振动以及相关条件下，保持工作状态稳定。光谱吸收技术激光检测传感器的探头使用寿命较长，一般不需要进行更换。因此，能够应用在恶劣的环境当中，维护工作环节只需要做到清洁处理即可，操作相对简单便捷。相对于催化燃烧式的传感器设备使用这项技术与设备能够极大程度上节省人力物力。系统兼容性与适应能力极佳，具有重要的实践意义。