第31卷，第2期 2011年2月
谱
学
与光谱
分析
光
Spectroscopy and Spectral Analysis
基于红外吸收光谱的瓦斯气体浓度检测技术
罗达峰，杨建华，仲崇贵南通大学理学院，江苏南通226001
Vol.31.No.2.pp384-386 February,2011
摘要针对现有矿井瓦斯传感器的缺点，基于红外光谱吸收原理，采用差分吸收技术设计了红外瓦斯气体浓度探测系统。该系统采用单光路吸收气室和单光路双波长探测技术，利用差动放大电路为核心的微弱信号处理电路实现瓦斯浓度输出信号的检测，并采用线性关系式拟合瓦斯浓度和输出电压的关系曲线，实现了对瓦斯浓度的全量程精确探测。实验表明，该系统的测量误差小于2%，具有很高的测量精度，具备了煤矿应用的基础。
关键词调红外光谱吸收；差分吸收；线性关系式
中图分类号：TD212
引言
文献标识码：A
DOI; 10, 3964/j. issn, 1000-0593(2011)02-0384-03
查得甲烷在1.33，1.67和3.31m处的线型强度之比为： 1：8：1000。可见，甲烷在中红外区域的吸收线强度远远超过在近红外区域的吸收线强度。因此本文选用甲烷在3.31
瓦斯爆炸是煤矿安全生产的重要威胁之一，近年来瓦斯煤炸事故频繁发生，因此，实时准确地检测瓦斯气体浓度对煤矿安全生产和保护人民生命财产安全有重要的社会和经济意义。
矿井瓦斯主要是煤层气构成的以甲烷为主的有害气体容易引发煤炸和人员案息死亡等事故。国外对高瓦斯矿井一般采取关停措施，而我国对煤炭依赖严重，在煤矿管理上尚有许多不完之处。在现有的瓦斯浓度检测手段中，普遍采用的是基于热催化原理的瓦斯传感器1.3)，存在测量范围小、容易发生“中毒"现象和调校州堆等缺点。本文基于红外光谱吸收原理(4和差分吸收技术(%6)，采用光源调制技术(7]，实现了对瓦斯气体浓度的实时精确检测。
1红外吸收式瓦斯气体浓度检测理论
光谱吸收式光纤气体传感器是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱的一致性原理。当光通过某种介质时，利用介质对光吸收而使光衰减这一特性研制成吸收型气体传感器，
甲烷分子具有四种固有的报动方式，相应产生四个基额，波长分别为3.433，6.522，3.312和7.658μm*。在近红外区，有许多泛频带和组合带。例如，甲烷气体在1.33和 1.67μm附近，都有较强的吸收。通过HITRAN数据库可以
um处的波长检测瓦斯气体浓度。其光谱图如图1所示。
1.6 1.2 er-01A
0.4
3010
3012
3016
3014
Wave number/cm*l
3020
3018
Fig, 1Absorption spectrum of methane near 3. 3 μm
根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律(9)，假定气体分子在波长入处存在吸收峰，则有
IG) = I()eat
(1)
式中，I(a)是透射光强，I。()是人射光强，α(>)为波长在入处的吸收系数，为待测气体浓度，1为光和气体作用长度即吸收长度。
为消除光源波动和光路中产生的干扰，引人了双波长差
收稿日期：2010-05-10，修订日期：2010-08-25
基金项目：国家白然科学基金项日（10974104)和南通大学白然科学研究项目(06Z005)资助
作者简介：罗达峰，1980年生，南通大学理学院讲师万方数据
e-mail; luodfok@126, com