以,实时而精确地监测爆炸气体的浓度,对于安全生产和保障生命财产的安全来说,显得尤为重要。在矿井有害气体检测上,它相对于普通传感器来说有诸多优点,轻便、灵巧、不会产生电火花、不会出现中毒现象,具有相当高的灵敏度和快速的响应能力。
在气体传感器中使用最多、效果最好的是光谱吸收型气体传感器,许多种气体在红外波段(4~10μm)都有本征吸收,这个波段远远超出了石英光纤的透射窗口(0.8~1.7μm),所以光谱型气体传感器一般都是利用气体在近红外和可见波段的较弱的泛频吸收,在这一波段发光器件和接收器件都是比较理想的光电转换器件,因此用这种方法可以对大多数气体浓度进行较高精度的测量。光通过被测气体以后由于气体的吸收会使光的强度发生衰减,输出光强可用Beer-Lambert定律给出:
I=I0e-αLC(1)
式中,I0为入射光强,α为吸收系数,C为气体浓度,L为光通过气体的长度。由此我们可以通过
测量光强度的损耗计算气体的浓度。
典型的光谱吸收型气体传感器由光源、气室、光路和信号处理4个环节组成,它的探头部分是一个气室,气室有一个进风口和一个出风口,保持空气采样的实时性。光从气室的一端射入,另一端射出,为了增加光通过气体的有效光程,可采用反射式的方式或用怀特腔的方式,但怀特腔的腔壁造成的反射损失会抵消它的好处,因而并没有多大实际意义〔5〕。图1为一个反射型的检测气体浓度的气体传感器气室结构图。
图1 采用反射式气室的示意图
2 粉尘传感器
同瓦斯一样,煤尘也是矿井的隐患之一,所以对煤尘浓度的检测也是煤矿安全生产的重要环节。粉尘传感器一般也采用气室作为探头,光从悬浮着煤尘颗粒的空气中通过时,由于煤尘颗粒的吸收和散射效应,光强会有相应的吸收和散射两部分衰耗,如下式:
I=I0exp{(α1+α2)L} (2)
式中,α1为吸收系数,α2为散射系数。根据光强的衰减量可以计算出煤尘的浓度。
光学测量法较传统的称重测量法有很多优点,能连续进行实时测量,并具有较高的精度。但光学测量法存在尘染的问题,附着在反射镜的镜面上的粉尘会影响传感器的测量精度,为了克服这一缺陷,设计采用双光路差分补偿式的方式,其原理与双波长气体传感器相同。
光束在通过含尘空气时会产生吸收和散射,从而引起光强在其传播方向上的衰减,且符合指数规律,当光束传播距离较短时,光强减弱对于粉尘浓度的变化是不敏感的,所以利用光吸收原理直接测量浮游粉尘浓度是不可行的。
采用米氏散射理论〔4〕,利用测定散射光的强度测量粉尘的浓度是一种好方法。图2是双光路粉尘浓度传感器的采集腔光路示意图。
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1-光发射器;2 -监测接收器;3
