为了实现对甲烷和二氧化碳双气体一体化测量,设计了以两个窄带中红外发光二极管(LED)作为甲烷和二氧化碳测量光源、以两个光电二极管(PD)作为探测器敏感元件的双LED-PD光学测量结构,研制了中红外甲烷二氧化碳双气体传感系统。对谱线及光学器件的选择、双LED光源脉冲电流调制、温度补偿算法进行了研究。根据甲烷和二氧化碳气体的红外线吸收光谱特征进行光学测量结构的设计,利用LED器件高速响应特性完成双光源脉冲电流调制时序算法,即采用窄脉冲模式进行电流驱动。在温度实验分析的基础上,采用中值归一数据预处理得到温度影响因子,然后对温度影响因子进行线性拟合得出温度补偿算法。实验结果表明:传感系统的平均功耗低至38.3 mW;甲烷测量误差最小为0.06%(体积分数),二氧化碳测量误差最小为0.05%(体积分数),可满足煤矿中甲烷和二氧化碳双气体浓度低功耗、稳定可靠实时测量的要求。

为了提高复杂环境中甲烷气体探测的适用性,选择空芯带隙型光子晶体光纤(单端镀全反膜)作为光学气室,实现了置入式同源甲烷浓度的探测。采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,结合长度为0.5 m的空芯带隙型光子晶体光纤,实现了甲烷气体的在线测量,系统的检测下限可达到1.92×10 -5,稳定性波动小于±2.18%。单端全反射设计配合同源探测方式使复杂环境中的甲烷浓度的置入式探测成为可能,为单光源分布式探测提供了研究基础。

利用甲烷(CH4)气体分子在16 μm的吸收特性, 使用中心波数为6 04696 cm-1的蝶形分布反馈式(DFB)激光器和自制的大内径光声池, 设计了一款紧凑高灵敏的CH4气体传感器。 为了进一步增强输出光声信号强度, 一个具有高反射率的平面镜放置在光声池后, 使透射光束被反射后, 二次通过光声池, 增强了光与被测气体的作用距离, 使光声信号提高了19倍。 传感器各项参数, 包括调制频率、 调制深度及气体流速被优化。 在标准大气压和1 s的积分时间下, 该传感器最终获得的探测灵敏度为021 ppm, 1σ归一化等效噪声系数(NNEA)为21×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。 该甲烷传感器使用性价比高的DFB近红外激光二极管作为激发光源, 装置简单, 成本低廉可以满足大气环境检测、 矿井瓦斯监测、 工业过程控制及无创伤医疗诊断等领域的需求。

利用一个波长为3.291 μm的室温连续、带间级联激光器和一个有效光程长为54.6 m的多通池, 研究了用于中红外甲烷检测的压强测量及补偿技术。通过对测得的甲烷直接吸收光谱信号进行洛伦兹吸收线型拟合, 测量了吸收池内气体压强并补偿了压强变化对甲烷浓度的影响。利用浓度为2.1×10-6的甲烷气体样品, 在1.33×104~10.64×104 Pa的范围内进行了压强标定; 对压强为9.31×104 Pa、浓度为2.1×10-6甲烷气体样品的压强测量结果进行阿仑方差分析, 结果表明, 当积分时间为2.2 s时, 压强的测量精度约为219.5 Pa。在1.33×104、3.99×104和6.65 ×104 Pa三种不同压强条件下, 对浓度分别为1.0×10-6、1.2×10-6、1.4×10-6、1.6×10-6、2.1×10-6甲烷气体样品的浓度和压强做了15组测量, 验证了所给出的压强测量和补偿技术的可行性。

为了能够在复杂的环境下实现甲烷气体浓度的高精度和高稳定性检测, 在基于光谱吸收原理的光纤甲烷检测系统的基础上, 提出了利用锯齿波调制的半波扫描技术, 较大程度改进了系统的性能指标。采用锯齿波调制光源的方式, 同时对光信号进行波长调制和强度调制, 实现对甲烷气体的洛伦兹吸收线型扫描。锯齿波调制的方式能够解决信号链路噪声、环境噪声等随机信号对光强造成的干扰, 消除光源波长漂移对检测带来的影响, 且实现了积分处理, 进一步提高检测精度; 但由于甲烷吸收光谱的对称性, 采用通用的全波扫描方式, 气体吸收光强后进行微分处理会出现正弦型曲线, 无法准确确定吸收的光强所对应的数字量; 而采用半波扫描方式, 气体吸收光强后进行微分处理只出现凹型曲线, 可以准确确定吸收的光强所对应的数字量。实验结果表明: 采用锯齿波调制的半波扫描方式, 可以准确测得甲烷气体浓度; 测量范围为0%~10%, 精度由100 ppm提升到10 ppm(1 ppm=10-6), 稳定性由0.3%提升到0.01%。该系统经过改进后在复杂环境下受温度影响小, 精度高, 稳定性好, 抗干扰能力强。

基于掺氧化镁的周期性极化铌酸锂(MgO: PPLN)晶体,研究了连续波种子光注入结构的光参量放大器(OPA)。采用重复频率为10 kHz、最大平均输出功率为6 W的1064 nm高频脉冲激光作为抽运源,晶体的极化周期为31.02 μm,在119 ℃工作温度下,将连续分布式反馈激光器(DFB)作为种子注入,在1652.3 nm处得到最大平均功率为125 mW的OPA信号光输出,量子转换效率为7.47％。实验通过改变注入种子光波长,实现了信号光nm级范围的调谐输出。信号光通过10 m外甲烷气池,观察到其光谱强度明显下降,初步验证了信号光在甲烷遥测领域的可行性。与用种子光直接检测相比,信号光强度更高,检测距离及灵敏度均有较大优势。

根据煤矿安全生产监控系统对测量甲烷浓度全量程高准确度的需要, 基于可调谐半导体激光吸收光谱技术, 设计了一种全量程一体化激光甲烷传感器.采用1 653.72 nm 分布式反馈半导体激光器作为系统光源, 单板电路实现激光器驱动、温度控制、信号调制与解调、浓度反演.为兼顾高测量准确度和大动态测量范围, 系统在低浓度时利用波长调制技术进行甲烷浓度在线检测; 当气体浓度大于阈值时, 自动切换到直接吸收检测技术.实验结果表明, 该传感器在浓度范围为0～5%内误差小于±0.06%, 在浓度范围为5～100%内误差小于真值的±6%, 响应时间约为15 s, 满足矿井实际测量需要.

运用统计学理论，通过高斯回归过程建立了一种用于矿用红外甲烷传感器温度补偿的算法模型，研究了模型中各参数对数据拟合度和拟合误差的控制效果，在Matlab软件平台上验证了模型的合理性，并利用基于贝叶斯定理的训练算法对模型进行训练，构建了该温度补偿模型的数值仿真效果图。仿真结果表明，该模型误差小、精度高，能对不同温度下传感器的非线性波动进行良好的补偿。

光谱吸收法是对甲烷浓度检测的一种有效手段，通过棱镜气室结合光子晶体光纤的应用实现光谱吸收法对甲烷浓度的高精度在线检测。但在检测过程中，由于环境中温度、压强以及系统本身设备的影响，使得接收的信号中包含大量的噪声。支持向量机(SVM)具有泛化能力强和寻求全局最优点的特点，被用于甲烷浓度检测的信号处理。Matlab实验结果表明，使用SVM原理滤波能有效地滤除噪声，把有效的信号分离出来，并用信噪比评估去噪效果。使用该方法滤波能够使信噪比达到130 dB以上，与传统的小波降噪相比有很大的提高，能达到理想的去噪目的。