瓦斯气体吸收谱线实验研究

　　　　作者：郑鸿章，胡小波，童志鹏
　　　　（深圳市众望达光电有限公司、深圳市明鑫科技发展有限公司）
摘 要：本文主要针对矿下作业特别是煤矿矿井作业产生的瓦斯气体，设计了一种新型高效的瓦斯气体探测方案以尽量避免事故的发生。该方案是利用了瓦斯气体对1650nm光谱的吸收特性，寻找瓦斯气体浓度与光强的变化规律。
关键词：1650nmSLED；1650nm超窄线宽半导体激光器；光纤气室等。

1 引 言
     我国煤矿的使用量每年都在以惊人的数量递增，在煤矿的挖掘过程当中会产生大量的瓦斯气体。我们首先了解一下瓦斯气体，瓦斯气体是一种无色无味的有毒气体，人体吸入少量会产生头晕等症状；大量吸入体内会与人体内的氧气发生化学反应并使人窒息；另外一个更大的潜在危险是当瓦斯气体到达一定浓度的时候会很容易引起爆炸，爆炸威力非常惊人。传统的瓦斯探测系统是采用弱点探测方式，但也避免不了煤矿爆炸事故的频频发生。因而便产生了用光纤传感的方式来对瓦斯气体的浓度进行探测。
    用光纤传感的方式有几个显著的优点：
    一、由于光纤采用的是二氧化硅的材料制作的没有金属的成分，所以不受任何电磁波的干扰。
    二、不具备引爆的条件，非常安全。
    三、传输数率快，及时反映气体浓度的变化。
　　四、精确度非常高等。

2实 验
2.1 实验装置
    本次实验使用的设备仪器有：1、Advantest Q8384光谱仪；2、NEWPort 1830-C/818IG台式功率计；3、光纤熔接机切割刀及剥纤钳；4、1650nmSLED宽带光源；5、1650nm超窄线宽半导体激光光源；6、1650nm光纤气室；7、浓度5%瓦斯气体一瓶；8、1650光纤隔离器、衰减器等无源器件。


2.2实验过程
    本次实验首先采用1650nmSLED宽带光源接1650nm隔离器的输入端，隔离器的输出端与光纤气室相接，光纤气室另一端与光谱仪相接。打开光谱仪，将起止波长调至1640nm和1660nm，将光纤气室放置于空气当中，打开SLED光源开关。打开光谱仪中扫描按纽，让光谱仪对SLED光源进行光谱扫描并分析。

    后将光纤气室装入密封容器当中，将容器内的空气抽空并慢慢的驻入浓度5%的瓦斯气体，当瓦斯气体在容器中到达一定的浓度以后，此时我们发现光谱仪的谱线图正在逐渐的发生变化，慢慢出现了大概有8到9处的凹陷，随着瓦斯浓度的逐渐增加，凹陷的部分越来越明显，我们相信这就是瓦斯气体对某个特定波长光谱的的吸收峰。

    我们挑选了一个吸收最为明显的峰值所对应的波长（1648.×××nm），然后关掉1650nmSLED光源的供电开关，把容器内的瓦斯气体抽空并完全驻入空气，再把1650nmSLED光源与1650隔离器之间断掉。而后将1650nm超窄线宽半导体激光光源接入1650隔离器的输入端。通过调节光源内的波长调谐旋纽对激光光源波长进行微调（调谐范围为：0.9nm，线宽为：20KHZ），将波长微调至1648.×××nm，用光谱仪测光谱。待稳定下来后再次将容器内的空气抽空并慢慢的驻入浓度5%的瓦斯气体，我们可以明显的发现光谱仪中的光源功率逐渐下降。然后把光纤气室与光谱仪的连接端断开并接入NEWPort 1830-C/818IG台式功率计中。再次把容器内的瓦斯气体抽空并慢慢的驻入空气。可明显发现功率计测量的数值在逐渐增加。重复对装光纤气室的容器进行冲气与放气测试。每次冲入瓦斯气体，功率计显示功率都会逐渐下降，下降功率变化量为12%；每次将瓦斯气体逐渐抽空，功率计显示功率都会逐渐上升，上升功率变化量也是为12%。

3 结 论
   由本次实验得到的结果再一次有力的证明用1650nm的光源检测瓦斯气体浓度是非常好的方案。我们会尽快完善这个探测系统，让它更具有可实施性。通过我们的这一套检测系统使得矿井作业更加的安全。希望在不久的将来煤矿矿井将不再有事故的发生。