基于TDLAS的分布式激光甲烷监控系统研究

基于TDLAS的分布式激光甲烷监控系统研究 刘永强 国家安全生产监督管理总局通信信息中心，北京 100013 摘要：结合可调谐激光吸收光谱技术（TDLAS）研究完整分布式激光甲烷监控系统，包括TDLAS监测系统整体架构、光源和气体传感器、光电转换、信息采集等部分设计，甲烷检测设计难点，并与国内外多监测点的在线气体监测系统比较，说明其具备的优势。                                                            关键词：可调谐激光吸收光谱技术;分布式激光甲烷监控系统; 甲烷监测 Research on Distributed Laser Methane Monitoring System Based on TDLAS LIU Yong-qiang (Communication and Information Center of State Administration of Work Safety) Abstract：This paper combines tunable laser absorption spectroscopy (TDLAS) to study the complete distributed laser methane monitoring system, including the overall architecture design of TDLAS monitoring system, light source and gas sensor, photoelectric conversion, information acquisition and so on. The difficulties in methane detection design are also analyzed and the distributed laser methane monitoring system proposed in this paper has a distinct advantage comparing with the other online gas monitoring system of multiple monitoring points at home and abroad. Key words： Tunable Laser Absorption Spectroscopy；Distributed Laser Methane Monitoring System; Methane Monitoring 1    TDLAS监测技术的应用背景 目前在我国煤矿安全事故中，瓦斯事故占据煤矿事故的绝大部分,造成重大的人员伤亡和经济损失，成为困扰煤矿安全生产的重大难之一[1]。因此研发反应灵敏、可靠性高的瓦斯浓度监测系统尤为重要，将为保护煤矿工人的人身安全和保障煤矿企业的安全运行发挥重大的作用。 常用的检测瓦斯气体的方法可分为光学方法和非光学方法。光学法检测瓦斯主要是依据光在被测气体中的光学特性，以及测量光与气溶胶浓度间的关系。非光学法主要是测量瓦斯气体分子间的作用。按照具体测量原理，可分为光干涉测量、热催化测量、热导测量、超声波测量、气敏传感、荧光测量和红外光谱吸收测量方法。 20世纪80年代美国科学家率先提出TDLAS技术，即可调谐激光吸收光谱技术。这种技术的原理是利用半导体激光的可调谐特点来检测光谱。随着波长调制、谐波探测等技术的发展，TDLAS在气体检测方面表现出高灵敏、高响应、高分辨等效果，在环境监测、火灾现场氧气浓度、矿井以及石油管道甲烷浓度监测等方面有重要应用[2]。 相比于其他传感技术，TDLAS技术的主要优势为：(1)测量精度高；(2)可实现超快测量，测量速度高于其他方法；(3)可实现现场测量；(4)可有效抑制光电元件本身及环境因素带来的干扰；(5) 使用范围广，可检测甲烷、硫化氢等多种常见气体浓度[3]。 近红外TDLAS的发展得益于近年来光纤通讯行业的巨大进步, 比如激光光源、光纤衍生器件以及探测器件等技术的进步使得近红外TDLAS系统的器件成本更低, 并迅速走向实用化[4]。 另外，光纤传感器件本身的电绝缘特性，与信息采集系统的高融合度、以及活动范围大可实现远距离遥测等优势使其成为光学气体检测方法中最主要的手段之一。 目前，面向煤矿广泛使用的瓦斯传感器存在稳定性差、受杂质成分干扰、易“中毒”、需频繁标校等问题，为解决上述问题研制分布式激光甲烷监控装置，综合利用先进的激光调制吸收光谱技术和分布式光纤检测技术，实现一套激光检测主机同时监测多个测点的甲烷浓度，在具备优越技术性能的同时保证高性价比。与传统的催化燃烧传感器、红外传感器相比，具有多点分布探测、精度高、标校周期长、稳定性好、工作寿命长等特点。 2    TDLAS监测系统的基本原理和整体架构 2.1    基本原理 朗伯比尔定律（Lambert–Beer law）是描述光与吸收介质（包括气体、固体、液体、分子、原子、离子）之间相互作用的基本定律，根据此定理可通过分析穿透介质后的光强信息，进而计算各种气体浓度，这也是TDLAS技术的基本原理[5]。 朗伯比尔定律： （1） 其中I()(ν)是初始光强，ν为频率， 为百分吸光系数， 为透光率。输出光强I(ν)与输入波长（光频）有着密切联系。可调谐激光吸收光谱就是通过调制驱动电流等方式实现对窄带（小于气体分子吸收谱宽度）的激光光源光谱的改变，从而进一步实现对输出光强信号I(ν)的调制。通过对光强信号I(ν)的处理分析，计算得出待测气体浓度。 一般情况下，对于二极管激光器，驱动电流信号要加载一个频率较低（约几十Hz）的锯齿波扫描信号和一个频率较高（几KHz）的正弦波调制信号便于数据采集。 （2） （3） 其中， 为吸光强度， 为频率， 为吸光质点（原子、离子或分子）数， 为吸光物质截面积， 为吸光系数。为了提高信噪比和灵敏度，在进行信号处理时普遍采用锁相放大器对谐波分量进行测量（谐波分量与气体浓度成正比）。市场上常见的锁相放大器能够检测到低次谐波分量。在洛伦兹线性条件下，由于偶次谐波分量的最大值在中心波长处出现，而奇次谐波分量的最大值则有偏移，因此实际中的检测信号多选用二次谐波信号。 2.2    TDLAS监测系统整体架构 整套监测系统主要由激光光源模块，气传感模块（含光路部分），光电转换模块以及信息采集处理模块构成。 图1.TDLAS甲烷检测工作原理框图 Figure1 TDLSA Methane Detection Working Principle Block Diagram 2.2.1    激光光源模块 该模块主要包括窄带的二极管激光器以及电源驱动系统。 （1）二极管激光器：1）瓦斯气体中的主要成分是甲烷，二极管激光器的波长应该选择在甲烷气体吸收带内；2）考虑到光纤中光传播的衰减，激光器发出光的波长还应该在光纤的低损耗窗口中。 一般选择发射光的波长在1653.72nm左右。根据HITRAN数据库的搭配图，甲烷在这个波长附近吸收线的线强要远大于其他气体，能排除所测气体中非甲烷气体的干扰，使测量结果更精确。目前TDLAS系统多数采用的是分布反馈式半导体激光器(DFBLD)。这种单纵模激光器性能良好、稳定可靠，输出的相干光谱线窄且功率大。波长扫描范围在亚纳米量级。 （2）电源驱动：主要是二极管激光器的温度和电流控制系统。通过改变激光器的工作温度,或改变注入电流的方式来改变激光器激活区的温度,实现波长可调谐。驱动电流信号要加载一个频率较低（约几十Hz）锯齿波扫描信号和一个频率较高（几KHz）的正弦波调制信号便于数据采集。 2.2.2    气体传感模块 该模块主要包括光路传输部分和气体室。 气体室作为气体传感模块中的敏感部分，用来吸收由输入光纤传入的光，并在反应完成后使光再进入输出光纤中。为减少干涉条纹的产生，避免对检测结果产生干扰，应尽量减少气体室中主光束和散射光的叠加。 为了提高检测效果。气体室在设计中应遵循以下原则：一是在工艺、成本以及光功率衰减允许的条件下尽可能增加吸收路径的长度；二是减少气体室中光路的耦合损耗。，由输出透镜祸合到输出光纤中。 以下是几种气体室或者吸收池的设计： 图2气体室设计 Figure2 Gas Chamber Design （1）图2是一种气体室，这种气室使用小型渐变折射率透镜，可与光纤良好匹配，达到低损耗、高稳定、高抗震性的效果。 图3吸收池设计 Figure3 Absorption Cell Design （2）图3中的气体吸收池可有效避免产生干涉效应，它由两个周期大于1/4的自聚焦透镜组成，激光束射在透镜上的反射光可远离主光束因而避免干涉效应。 2.2.3    光电转换模块 该模块主要包括光电探测器和信号放大部分。 光谱响应特性、时间响应特性、暗电流、归一化探测度、等噪声功率这些参数都会影响到光电探测器的选择。在选择时要确保探测器与所要测量的气体在光谱特性上的匹配。此外还要考虑光信号的信号频率、调制方式以及对应波形。主要在1.6μm波段附近常见的探测器包括InGaAs探测器、Ge探测器以及PIN探测器等。应该从暗电流、灵敏度和响应速度上综合考虑，选择最优的光敏器件。 光电探测器电流信号比较微弱，可以选择低噪声放大器对信号进行放大。对于电路部分的放大器相对比较成熟，可以提供足够的支持。尤其带有滤波特性的放大器能进一步提高信噪比。 由上文可知，带有气体浓度信息的光强信号，一般要对其二次谐波的信号进行采集分析，因此锁相放大器就成为信号探测部分不可缺少的器件。锁相放大器本身也具有信号放大和滤波特性，可实现微弱信号检测，其有效地衔接了光电探测和信号采集两部分，成为后端电路设计中重要的一环。 2.2.4    信息采集模块 该模块主要包括锁相放大器和A/D数据采集卡。 激光器调制频率的，便可以通过锁相放大器的锁定功能得到信号的一次，二次或高次次谐波分量。锁相放大器输出的信号由A/D数据采集卡来采集。。 在信号输入锁相放大器和A/D卡时，要注意阻抗的匹配行，既要保证信号的放大倍数，又要兼顾信号的线性度。实际操作中，可以增加一路参考光路消除背景噪声。 图4是利用TDLAS技术检测甲烷气体浓度的最终数据： 图4 TDLAS技术检测甲烷气体浓度曲线 Figure4 TDLAS Technical Test for Methane Gas Concentration Curve 3    TDLAS监测系统的的关键技术 TDLAS监测系统在气体传感部分设计、激光器光源、信号处理、分布式光纤传感网络等部分具备设计难点，解决这些难点可以提高甲烷浓度检测的稳定性和有效性。 （1）气体传感部分设计：面对实际环境中的复杂性和多样性，如何设计并优化传输光路和气室结构，成为实际应用中重要的技术环节。既要保证系统高灵敏度和高精度测量，又能快捷方便的实现激光在不受外界环境干扰的情况下穿透待测气体，到达探测设备，同时还要兼顾系统稳定性、可靠性。 （2）激光器光源：虽然TDLAS技术相比其他检测技术，可以很大程度降低光源本身不稳定带来的影响，但是在实际应用随着环境的变化以及长时间对二极管电流的改变，光源中心频率会发生不稳定或者调制信号本身的幅值和频率的不稳定，从而对测量结果带来影响。因此设计选择可靠稳定的激光光源十分重要。 （3）信号处理：在进行信号处理时，应周全考虑周围气压和温度等条件，因为在不同气温和气压条件下，光谱线型会表现出不同的数学模型。常温条件下，光谱线型在常压下表现为洛伦兹线型，而在低压下主要表现为伏赫特线型。适当选择最佳条件，可以最大程度提高系统灵敏度。 （4）分布式光纤传感网络：利用空分复用和光探测阵列等技术，实现可以同步测量多个通道的气体浓度监测系统，实现高通量、立体式的分布式气体监测网络。 4与国内外同类技术比较 煤矿现有多监测点的在线气体监测系统均在各个监测点均布置监测仪器或传感器，测量监测点的气体参数，分析数据并通过通讯电缆将测量数据传输至系统主机或服务器。这些监测仪器或传感器一般包括：测量敏感元件、信号处理单元、数据分析单元、信号变送传输单元等，所以普遍存在系统组成复杂、成本投入过大、故障率高等问题。目前已有的检测方法包括催化燃烧法、红外光谱法、单位激光传感法和分布式激光传感法等，表1列举了本文的方法与上述方法在测量范围、测量误差、响应时间等多个因素上面的比较结果。 表1与国内外多监测点的在线气体监测系统比较 Table1 Comparison with Online Gas Monitoring Systems at Multiple Monitoring Points at Home and Abroad 比较 类型 项目 催化燃烧甲烷传感器 红外甲烷传感器 单体激光甲烷传感器 分布式激光甲烷传感器 测量原理 催化燃烧 非色散红外 波长调制吸收光谱 波长调制吸收光谱 测量范围 0～4% 0～100% 0～100% 0～100% 测量误差 测量值±10% 0.00%-1.00% ±0.06 0.00%-1.00% ±0.06% 0.00%-1.00% ±0.06 ＞1.00% 真值±6% ＞1.00% 真值的±6% ＞1.00% 真值±6% 响应时间 15-20s 40-50s 15-20s 15-20s 长期稳定性 15天；误差0.09 15天；误差0.03 15天；误差0.01 15天；误差0.01 抗干扰能力 易受其他气体影响，受氧气浓度影响，环境中氧气含量偏低时，检测数值严重偏低 不受氧气浓度影响，但是易受水气和微尘的影响 不受氧气浓度影响和水汽、微尘影响 不受氧气浓度影响和水汽、微尘影响 校验周期 1-2周 3个月 1年及以上 1年及以上 使用寿命 2-3年 3-5年 ≥5年 ≥5年 零点漂移 不易 较易，需要不定时校准零点 不易 不易 单主机监测点 1 1 1 7 开机预热 无需预热 1-2min 无需预热 无需预热 是否易中毒 易发生高浓度甲烷中毒现象 不易中毒 不中毒 不中毒 传输原理 模拟量或数字RS485 模拟量或数字RS485 模拟量或数字 RS485 CAN总线 智能化程度 无 无 无 可实现智能传感器的智能识别 无供电电源的甲烷监测功能 无 无 无 可进行无供电电源的甲烷监测 风电瓦斯闭锁功能 无 无 无 具备风电瓦斯闭锁功能 自校准通道 无 无 无 有自校准功能 联网情况 不能单独联网 不能单独联网 不能单独联网 通过主机可实现单独联网 安装/部署 单体部署 单体部署 单体部署 分布式部署 标校工作量 每1-2周需要标校一次 每年标校50次左右 每年标校10次左右 每年标校1~2次 每年标校1~2次 后期维护 核心元件生命周期为1年左右，需要频繁维护和标校 需要经常维护和标校 维护标校工作量较小 维护标校工作量较小 检测方法 单点固定测量周围甲烷气体，将测量信号上传到联网分站，进行数据上传。 单点固定测量周围甲烷气体，将测量信号上传到联网分站，进行数据上传。 单点固定测量周围甲烷气体，将测量信号上传到联网分站，进行数据上传。 一主机可最多带7个探头，实现7个测点的甲烷气体同时监测，并由自身主机实现数据上传 价格 2000元左右/测点 6000元左右/测点 1.3万左右/测点 7000元左右/测点           5    TDLAS监测技术的展望 本文结合可调谐激光吸收光谱技术（TDLAS）研究完整分布式激光甲烷监控系统，实现了TDLAS监测系统整体架构设计、光源和气体传感器、光电转换、信息采集等部分设计。而随着信息时代下电子通信技术的飞跃式进步，未来TDLAS技术有望实现： （1）高集成度：全光纤结构；（2）智能化：结合FPGA或DSP技术；（3）传感信号遥测：利用无线传输技术实现气体浓度遥测等等。 相信在未来的发展过程中，TDLAS技术将成为传感领域中的重要支柱，为国民经济进步和国家安全生产贡献巨大的力量。 参考文献： [1] 史秦甫，刘秀磊，刘旭红等.煤矿安全本体研究[J].工矿自动化，2018，44（3）：42-49. [2] 王燕，张锐. 光电探测器特性在TDLAS气体检测中的影响[J]. 光学学报，2016，36（2）：288-294. [3] 张志荣，董凤忠，吴边等.基于TDLAS技术的工业环境中HF气体在线监测[J]. 光电子.激光，2011，22（11）：1691-1694. [4] 鲁喜辉，路培超，刘杰等. 分布式激光甲烷监控装置在葫芦素煤矿的应用[J]. 煤矿安全，2017，48（12）：94-96. [5] 刘江林，袁宏彦.煤矿安全网络监控技术在矿井甲烷监测中的应用[J]. 煤炭技术，2013，32（3）：120-121. 作者简介： 刘永强，男，1978年生，辽宁省本溪满族自治县人，博士，现就职于国家安全生产监督管理总局通信信息中心，主要从事安全生产信息化、物联网技术研究等。