第30卷：第10期 2010年10月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Voi. 30. No. 10-pp2857-2860
October.2010
基于光谱吸收的光纤甲烷监测系统在瓦斯抽采中的应用赵燕杰1.2，王
昌"，刘统玉"，王哲1，魏玉宾1,2，李艳芳1，尚
盈，主
1.山东省光纤传感技术重点实验室，山东省科学院徽光研究所，山东济南
250014
2.山东大学信总科学与工程学院，山东济南250100
摘要研究了一种基于光谱吸收的光纤甲烷远程实时在线监测系统，分析了该系统在瓦斯抽采中的应用。该系统以1665nm波长半导体激光器作为光源，以单片机C8051F410为核心处理器，采用锯齿波信号实现
示等。利用内置参考池对激光波长漂移进行自适应调能，可以实现甲烧吸收线的锁定。该系统已在国内外建立多个示范1程，试验表明，该系统具有很好的稳定性，在0%～100%虽程实现了分布式多点甲烷气体浓
度的实时在线监测和显示，监测的灵敏度可达Ppm级，在煤矿瓦斯拍采领域具有广泛的应用前景。关键词光谱吸收；瓦斯抽采；光纤传感器；甲烷监测；单片机
中图分类号：O433.1;TP212.9
文献标识码：A
引言
煤矿瓦斯防治是煤矿安全生产的重中之重。先抽后采，是防范瓦斯事故、提高煤矿生产安全保障程度的治本之策。同时，抽采的瓦斯气体进行发电，可以将瓦斯变害为宝，为社会带来巨大的经济效益.2]，然面，要做好瓦斯抽采的工作，实时在线监测瓦斯浓度是重点工作之一，对于瓦斯抽采具有非常重要的意义。目前应用于甲烷气体检测的方法主要有载体催化燃烧式、热导式、光干涉式、红外吸收式等，但这些检测手段均存在不同程度的弊端3.4)，比如电化学类瓦斯传感器易漂移，每一到两周需要校正一次，长期可靠性差，精度低，易中毒等；红外吸收式传感器易存在不同气体的交义吸收。随着光纤传感技术的发展，基于激光光谱吸收的光纤传感器越来越受到人们的青睐5")，使用光导纤维作为传感器件或信号传输媒介，具有不带电、本质安全、不受电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、灵敏度高和长期稳定可靠等优点。在一根光纤上可以串联多个相同或不同类型的传感器，实现分布式多点监测。因此，光纤传感技术在瓦斯抽采中的应用，不供能大大提高我国煤矿安全生产水平，减少重大恶性事故的发生，降低人身伤亡及财产损失，面且具有非常可观的环保价值，为资源的可持续性利用微出了重要责献
本文基于光纤传感技术"]，根据甲烷光谱吸收特性[]，设计了一种由单片机C8051F410控制的甲烷监测系统[10]，收稿日期：2009-11-26，修订日期：2010-03-02
DOI: 10. 3964/j. issn. 1000-0593(2010)10-2857-04
结合A/D转换电路、通讯电路、显示电路等，可进行声光报等，LCD藏晶显示等。该系统已在国内外建立多个示范工程，试验表明，该系统具有很好的稳定性，在0%～100%量程实现了分布式多点甲烷浓度的实时在线监和显示。
工作原理及系统框图 1.1工作原理
根据比尔-朗伯(Beer-Lambert)暖收定律，激光器发出强度为I。，率为v的激光，通过长度为L的吸收介质后，在接收端测得的光强为
I() I()exp[())
(1)
其中L为样品吸收池的光路长度，α（v）是气体在一定频率处的吸收系数，c为吸收气体的分子数浓度。
当光源的中心波长精确对准瓦斯气体的吸收峰时，光通过瓦斯时就会被吸收，其吸收强度与该气体浓度有关，通过
对输出光强分析就可以检测到气体的浓度， 1.2
系统框围
光纤中烧监测系统包括两大部分：光纤申烧监测仪和吸
收式光纤申烧传感器。光纤申烷监测仪主要由以下儿分维成：波长为1665nm的分布反馈式半导体激光器（DFB激光器）、参考池、光源驱动电路、温度控制电路、C8051F410单片机、光电探测电路、放大和滤波电路、输出品示、键盘等入和数据输出接口等。光纤甲烷传感器主要包括自案焦透
基金项目：刚家科技支撑计划项目(2009BAK54B01)，山东省科技发展计划项目(2007GG20006007)和山东省重大专项(2006ZZ13)资助
作者商介：赵蒸杰，女，1981年生，山东省科学院微光研究所助理研究负万方数据
e-mail:yjzhao1001@163.com