摘  要： 近年来受到国民经济快速发展的推动，煤矿的开采量和消费量呈现快速增长的势头，同时很多煤矿企业存在着安全监测不完善等煤矿安全问题，严重影响了煤矿的开采和人员的安全，其中瓦斯监控是煤矿安全中的重要组成部分。介绍了一种基于非分光红外原理的瓦斯传感器的工作原理，同时阐述了压力补偿的必要性,然后基于最新的单光源双通道甲烷传感器进行分析，介绍了一种压力补偿方法，基本克服了压力的漂移问题，提高了测量的准确性。
关键词： 非分光红外；瓦斯；气体传感器；压力补偿

    煤炭是我国的主要能源之一，对国民经济的发展有重大的意义，目前煤矿生产中，很多企业都存在安全监测不完善、管理落后等问题，导致安全生产形势不容乐观。监测矿井现场各种气体浓度、风速和设备的状态可以有效地保障生命财产安全，降低事故的发生率。煤矿事故中由瓦斯造成的伤亡比例超过50%，可见瓦斯监控的重要性。瓦斯主要来自矿井中的煤气，主要成分是甲烷，爆炸通常发生在瓦斯占空气浓度5%～16%。因此监测到瓦斯浓度超标时应该立刻停止工作，撤出人员，查明原因，采取措施。
    现有的瓦斯监测手段主要有电化学式、光干涉式、载体催化式和非分光红外型几种。
    光干涉型传感器存在着体积大、调校频率高、空气成分复杂时测量不准确、容易发生误报等问题，干涉信号向电信号的转变困难也限制了它的发展。
    载体催化型又称“黑白元件型”，比光干涉型整体性能有所提升，但是存在着“高浓度冲击损坏”、“催化剂中毒”等现象，限制了它的量程和使用的环境，需要经常维护和更新设备，无形中提高了成本。
    最新的基于非分光红外原理的瓦斯传感器具有灵敏度高、调校周期长、寿命长等特点，而且不存在中毒现象，可以测量100%的浓度。目前国外用于精密气体测量的传感器使用的都是非分光红外原理，国内虽然也在研究但是还没有到达实用化的阶段,在应用方面存在很多问题。总体来说红外原理的传感器性能要优于使用其他几种原理的传感器[1]。
    温度补偿方法很多，而压力补偿的方法却寥寥无几，本文重点介绍一种非分光红外原理的瓦斯传感器的工作原理及其压力补偿方法。
1 非分光红外检测原理
    非分光红外原理主要根据不同的气体对不同波长的红外光吸收率不同，一般来说多原子分子和非对称的双原子分子都对某一波长的红外光具有强吸收，如表1所示[2]。

     式中ACT、REF是工作通道和参考通道的峰峰值，ZERO是之前在氮气(空气也可以)中计算出来的零点，a、n是固定的线性化参数，C是此时标准气体的浓度。可以看出它是式(6)的一个变形，用来标定整个量程。ZERO和SPAN应该存储在非易失存储器中，例如EEPROM或者Flash，每次上电都应读取这些参数进行浓度计算。
2.3 浓度计算
    经过上面的分析，由式(6)可以得到目标气体的计算公式：
    C=(-ln[1-(NA/SPAN]/a)(1/n)          (9)
    可见，瓦斯浓度与热电传感器输出电压比呈非线性关系。
    以上数据都要经过滤波处理，采用单次测量误差会非常大，一般采用滑动均值滤波和限幅滤波相结合的方法[4]。
3 压力补偿
    甲烷传感器分为3类，A、B类的工作环境压强为80 kPa～116 kPa，而C类的是50 kPa～130 kPa，C类通常在管道中使用，被测气体浓度和压力的变化较大，为了进行精确测量需要进行相应的温度和压力补偿。目前温度补偿已经有比较完善的方法，例如利用查表线性差值等方法可以很好地进行温度补偿[5]，而压力补偿方面并没有通用的方法。下面介绍一种瓦斯传感器压力补偿方法，假设实验在温度不变的环境下进行。
    在实验室25 ℃的环境下，以空气作为零点标定的背景气，用高精度的直流稳压电源给探头供电，并提供驱动信号，输出信号经过滤波放大用电压表进行测量，标定的数据也事先经过多组测量取均值得到。表2、表3分别是在不同浓度、不同压力下5个甲烷传感器进行10组测量得到NA和SPAN的均值，NA是与浓度非线性关系的参数，SPAN则是校正值。
    由表2、表3可以看出，两个参数都随着压力的变化发生了漂移，当浓度一定时NA随着压力近似线性增长，最终反映到测量结果上会使计算出的浓度偏大，SPAN值是标定的固定值，它不随着浓度的变化而变化，与压力也呈现近似的线性关系。

    图2是未进行压力补偿时的计算浓度。不同的线代表通入不同浓度的标准气体，可见低浓度测量时压力影响较小，当进行高浓度测量时浓度漂移十分严重，会超过100%，需要进行相应的压力补偿。

3.3 压力补偿
    由式(11)进行压力补偿，最后可以得到进行压力补偿和未进行压力补偿的数据。图4与图2相似，是0～100不同标准浓度在60 kPa～140 kPa的压力下测得的数据，相比于图2，曲线趋于平缓，基本上达到了压力补偿的目的。
    本文主要介绍了基于非分光红外原理的瓦斯传感器的工作原理，同时阐述了温度及压力补偿对于大范围高浓度测量的必要性，并且在数据的基础上，使用统计的方法总结出一种通用的压力补偿方法，基本克服了高浓度测量时漂移严重的问题，可以满足在压力变化较大的环境中使用的要求。目前红外原理的气体传感器并没有统一的光学系统结构，不同的结构要求使用不同的方法来进行温度和压力补偿。本文的补偿方法针对单光源双通道的传感器进行分析，若要在其他结构的传感器上使用需要进行相应的修改。
参考文献
[1] 卓邦远，吕贤帝，刘海波.红外甲烷传感器与催化甲烷传感器性能比较研究[J].科技创新导报，2010(17)：10-12.
[2] 李秀华.红外气体分析仪研究[D].武汉：武汉工程大学，2007.
[3] 罗勇，毛晓波，黄俊杰.红外检测瓦斯传感器的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2007(8)：4-6.
[4] 王汝琳.红外检测技术[M].北京：化学工业出版社，2006.
[5] 潘中桥，马世伟，孙波，等.红外甲烷气体传感器算法研究[J].电子测量技术，2008，31(12)：113-115.