激光甲烷传感器原理及应用
基于光谱吸收激光式甲烷传感器
我国煤矿现有的甲烷传感器主要分为： 催化元 件式（ 热催化式） 、电化学式、光干涉式及红外式，目
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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（ 第 44 卷第 1 期）
设计·开发
前煤矿所使用最多的传感器为热催化式甲烷传感 器，催化元件式（ 热催化式） 采用表面热催化原理， 利用瓦斯在催化元件表面无焰燃生热量，由测温元 件测量温度的变化，从而得到甲烷浓度，但是催化元 件温度升高易使表面的催化剂挥发和烧结，造成零 点漂、灵敏度低、使用寿命短等问题，需定期进行调 零和校正灵敏度等维护。特别是当瓦斯浓度超过 5． 0% 时，元件表面温度可能达 800 ～ 1 000 ℃ ，致使 元件本身成为一个引爆源，具有潜在的危险性。而 光干涉式及红外式虽然测量精度高，但是响应时间 慢、功耗大并且会受到其它气体的影响［1］。
通过改变结区温度或注入电流等方式来调制半 导体激光器的输出光频率，温度调制特点为范围大、 精度低、速度慢； 而电流调制特点为范围小、精度高、 速度快。
调制信号的选择根据具体使用所选择的频率不 同，一般情况下三角波的频率为 10 Hz，正弦波为 20 kHz。将激光器的工作温度控制在 25 ℃ ，这样可以 使激光器的工作温度与室温保持平衡，降低了通过 控制激光器工作温度而消耗的功耗。电流的扫描范 围为： 35 ～ 75 mA，这样在 55 mA 处可以控制激光器 发出 1 653． 7 nm 的激光波长，此波长可达到近红外 甲烷气体吸收最好的效果。通过 TDLAS 可调谐技 术将激光器光源所发出的激光波长控制在 1 653 nm 左右，当甲烷气体通过气室后激光光线会被甲烷气 体所吸收，根据 Beer － Lambert 定律分析光电探测器 所接收到的光电信号就可以判断出甲烷气体的浓 度，从而检测出甲烷浓度是否在安全范围之内，如果
激光甲烷传感器在瓦斯抽放管道在线监测的应用
煤矿瓦斯抽采管道这种恶劣环境下应用。 由于抽采管道内气体的压力和环境温度变化较=C
∫= ∞−∞ − ln II0 dλ
PSL
A
PS (T ) L
（3）
收稿日期 2018-09-25 作者简介 金光贤（1983-），男，本科，中级工程师，研究方 向为激光甲烷传感器。
在已知压力、吸收线强度和光吸收气体的有效 长度等参数的情况下，将 -ln(I ⁄ I0 ) 在频域上的积分
2 管道无线激光甲烷传感器监测系统
物联网是新一代信息技术的重要组成部分，在 瓦斯抽放管道使用物联网技术，是时代的进步及趋 势。实现随时随地可查看瓦斯抽放管道的数据，对 于煤矿安全生产意义非常大。 2.1 系统构成
2018 年第 11 期
表 1 激光甲烷传感器温度补偿数据（标准气体 20%）
序号
温度 温度补偿前浓度
56
值带入式（3）中，就可以最终得到气体浓度值。 通常情况下不直接对光谱吸收率信号进行积分，而 采用对应的线型函数进行拟合，从线型拟合结果中 精确得到该积分值，减小直接积分时测量误差的影 响。实际传感器设计中一般先假设气体的压力和吸 收线是一个常数，只需测量吸收前后光强的变化即 可测得待测气体的浓度。为了提高测量的准确性和 可靠性，需要温度和压力补偿 [8]。
-0.87%
激光甲烷传感器在 -10℃ ~50℃内测量趋势如图
2 所示。
图 1 无线激光甲烷传感器监测系统 该系统由传感器端、服务器端、PC 及移动终 端组成。传感器使用矿用无线激光甲烷传感器，通 讯方式为 GPRS 通讯方式，设备终端由常规的电脑 终端、手机等移动设备端组成。服务器端使用有人 服务器，实现传感器与电脑端、手机移动端的连接， 实现实时监测的目的。
激光传感器原理及其应用
激光传感器原理及其应用摘要：激光技术和激光器是二十世纪六十年代出现的最重大的科学技术之一。
激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器，在生产生活领域有独特的优势和应用。
关键字：激光；传感器；优势1 引言激光技术和激光器是二十世纪六十年代出现的最重大的科学技术之一。
激光技术与应用的迅猛发展，已与多个学科相结合，形成新兴的交叉学科，如光电子学、信息光学、激光光谱学、非线性光学、超快激光学、量子光学、光纤光学、导波光学、激光医学、激光生物学、激光化学等。
这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展，使得激光器的应用范围扩展到几乎国民经济的所有领域。
本文主要介绍激光传感器的原理以及其主要应用领域。
[1]2 激光传感器原理激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。
它由激光器、激光检测器和测量电路组成。
激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
激光与普通光不同，需要用激光器产生。
激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1，在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量激发而跃迁到高能级E2。
光子能量E=E2-E1=hv，式中h 为普朗克常数，v 为光子频率。
反之，在频率为v 的光的诱发下，处于能级E2 的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。
激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布),就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v 的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生大的受激辐射光，简称激光。
激光具有3 个重要特性。
[1]2.1 高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米。
2.2 高单色性，激光的频率宽度比普通光小10 倍以上。
2.3 高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。
3 两种激光传感器主要原理和应用利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。
激光气体传感技术
激光气体传感技术激光气体传感技术是一种基于激光原理和光谱分析的先进技术，可以用于检测和监测气体浓度和成分。
它在环境监测、工业生产、医疗诊断等领域具有广泛的应用前景。
本文将从激光气体传感技术的原理、应用领域和未来发展方向等方面进行阐述。
一、激光气体传感技术的原理激光气体传感技术是利用激光束与气体发生相互作用的原理来实现气体浓度和成分的检测。
当激光束通过气体时，会与气体分子发生光谱吸收，吸收的光谱特征与气体的浓度和成分密切相关。
通过测量激光束经过气体后的光强变化，可以反推出气体的浓度和成分信息。
1. 环境监测：激光气体传感技术可以用于监测大气中的污染物浓度，如二氧化硫、氮氧化物、臭氧等。
它具有高灵敏度、高准确度和快速响应的特点，可以实时监测环境中的气体污染情况。
2. 工业生产：激光气体传感技术可以用于监测工业生产过程中产生的有害气体，如氨气、氢气、甲烷等。
通过实时监测和控制气体浓度，可以保证生产过程的安全性和环境的可持续发展。
3. 医疗诊断：激光气体传感技术可以用于医疗诊断领域，如呼吸道疾病的诊断、肺功能评估等。
通过检测呼吸气中的气体成分和浓度，可以判断患者的病情和疾病的类型。
4. 安全监测：激光气体传感技术可以用于安全监测领域，如煤矿安全、化工厂安全等。
通过实时监测有害气体的浓度，可以及时预警和采取措施，保障人员的安全。
三、激光气体传感技术的发展方向随着科学技术的不断进步，激光气体传感技术也在不断发展和创新。
未来，激光气体传感技术有以下几个发展方向：1. 提高传感器的灵敏度和准确度：通过改进传感器的结构和材料，提高传感器对气体的灵敏度和测量精度，以满足更高的检测要求。
2. 实现多气体同时监测：当前的激光气体传感技术主要针对单一气体的检测，未来的发展趋势是实现多气体同时监测，提高传感器的多通道性能。
3. 发展远程传感技术：激光气体传感技术在工业生产过程中需要远程监测，因此，发展远程传感技术是未来的一个重要方向。
基于TDLAS的扫描式激光甲烷检测技术在天然气站场的实践运用
基于 TDLAS的扫描式激光甲烷检测技术在天然气站场的实践运用摘要：介绍了激光式甲烷检测技术的相关原理，并与其它传统甲烷检测技术相比较，可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)以其响应速度快、灵敏度高、维护成本低等优点必将得到广泛应用；并对扫描式激光甲烷检测仪在某天然气分输站的实际应用效果进行了分析。
关键词：TDLAS 天然气站场泄漏监测光谱吸收实际应用分析1概述管道输气是天然气的主要运输方式，天然气管道运输将是今后相当长时间内国家能源发展战略，而输气站场是整个管输天然气系统的枢纽，由于目前我国大多数输气管道站场工艺区为露天、敞开区域，天然气泄漏后难以及时发现，因此为燃气站场提供稳定灵敏、准确实时的天然气泄漏检测技术十分重要。
近几年来，随着窄线宽半导体激光器技术的飞速发展，使得可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS- Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy)甲烷检测技术逐步成熟。
该技术对天然气泄漏检测技术的发展具有重要意义，比较传统天然气泄漏检测技术性能更优越，更能满足对无人站智能监测的需要。
2基于TDLAS的激光甲烷检测技术2.1 与传统检测技术的比较到目前为止，己有许多技术可实现甲烷检测。
检测方法可分成传统检测方法和光谱吸收检测方法。
基于技术原理的不同，传统的检测方式又可细分为催化燃烧型、电化学型和非色散红外型（NDIR）等。
催化燃烧型：催化燃烧型传感器主要由桥式电路和气敏元件组成，具体原理是甲烷和空气中的氧气受催化发生氧化反应，在检测元件敏感体表面无焰燃烧，释放热量导致敏感体温度升高，检测元件阻值因此发生改变，桥式电路失去平衡产生电流，通过测量该电流信号即可判定检测气体的浓度。
基于该技术的甲烷检测仪具有结构简单、价格便宜、只对可燃气体有反应不受非可燃气体干扰，而且输出信号接近线性，易于处理。
但该技术也存在在可燃气体范围内，无气体选择性，且有引燃爆炸的风险，检测精度一般检测范围窄，且高浓度甲烷和硫化物会对传感器产生中毒作用从而使检测仪失效因此需要经常性标定，易出现零漂和灵敏度漂移的情况。
GJG100J矿用激光甲烷传感器说明书(20190423110129)
的密码（默认密码 123），否则无法进入标定状态。传感器开机后在默认的测量显
示界面下按遥控器的功能键使小数码管显示“ 4”，大数码管不显示，按遥控器的确 定键进入密码输入状态，小数码管显示“ P”，大数码管显示 3 位密码数字。在该界
6
面下按遥控器的功能键改变密码位置，再按增加或减少键改变对应密码位的数字使
同。具体的功能码见 4.1 所述。
4.7 恢复出厂设置 如因误操作导致参数错误而无法正常使用时，可通过遥控器操作使仪器恢复出
厂设置。操作方法如下：传感器开机后在默认的测量显示界面下按遥控器的功能键 使小数码管显示“ d”，大数码管不显示，按遥控器的确定键进入密码输入状态，小 数码管显示“ P”，大数码管显示 3 位密码数字。在该界面下按遥控器的功能键改变 密码位置， 再按增加或减少键改变对应密码位的数字使输入的密码为已知的密码时， 按遥控器的确定键进入恢复出厂设置界面， 小数码管显示 “ d”，大数码管显示 “ FFF”, 按遥控器的确定键完成操作。
F04：甲烷浓度 0~10%~100% 对应频率 200~1000~2000Hz 4.6 报警值、断电值、复电值设置
4.6.1 报警值范围在 0.00~9.99 区间 传感器开机后在默认的测量显示界面下按遥控器的功能键使小数码管显示
“ 7”，
大数码管不显示，按遥控器的确认键进入密码输入状态，小数码管显示“
传感器由激光测量探头、信号处理电路，主控制器，电源调理电路，信号输出 电路等组成。激光测量探头由主板提供稳定电源，内部电路驱动激光管产生甲烷气 体特征吸收激光。激光经过测量室后被探测器接收，经光电转换后由单片机处理， 计算激光强度的变化，并换算为气体浓度。主控制器对信号进行处理运算得到甲烷 浓度，显示在液晶屏或数码管上，同时控制信号输出电路输出标准的频率信号或 RS485数字信号。 2.3 原理框图
科技成果——激光甲烷检测报警仪、激光甲烷传感器
科技成果——激光甲烷检测报警仪、激光甲烷传感器
技术开发单位
煤炭科学技术研究院有限公司装备分院
适用范围
该产品适用于检测煤矿井下甲烷浓度。
成果简介
1、首次在检测仪内嵌入无线模块，实现检测仪数据的无线上传，可与安全监控系统中的无线网关配套使用，上传数据至地面上位机；
2、通过选择低功耗芯片及研究低功耗算法的研究，降低整机功率，从而延长整机工作时间。
关键技术
1、采用激光敏感元件，不受外界温湿度和粉尘影响，检测准确，响应时间快，可靠性高；
2、抗干扰性强，免标校；
3、具有无线传输功能，检测数据可上传至地面上位机；
4、具有电池电量显示、欠压报警、欠压保护等功能；
5、具有故障自检功能，便于使用与维护；
6、具有历史数据查询功能；
7、显示方式采用OLED液晶显示，屏幕显示清晰，抗震性能好；
8、采用大容量电池及低功耗设计，连续工作时间长达24h；
9、壳体采用一体化注塑方式成型，抗摔打，耐摩擦，防护等级可达IP65。
应用情况
目前无线激光甲烷检测报警仪已经在神华、阳煤等多家矿业集团成功应用，反响良好。
根据煤安监2016年12月31日印发的《煤矿安全监控系统升级改造技术方案》中“推广使用激光、红外等低功耗传感器”及“建议采用无线传感器”的相关规定，我国煤矿监测急需先进的便携式甲烷检测报警仪的技术和设备，无线激光甲烷检测仪满足我煤矿技术和装备的发展需求，未来应用市场广阔。
一种激光甲烷气体传感器的制作方法
一种激光甲烷气体传感器的制作方法导言激光甲烷气体传感器是一种用于检测环境中甲烷气体浓度的设备，其应用广泛，包括工业安全、矿井监测、天然气管道检测等领域。
本文将介绍一种常见的激光甲烷气体传感器的制作方法。
材料准备制作激光甲烷气体传感器所需的材料包括：激光二极管、光电二极管、反射镜、透镜、气体吸收室、电路板、滤光片等。
步骤一：激光发射器的组装将激光二极管连接到电路板上，并通过电路控制激光的发射。
然后，将透镜固定在激光二极管上，以聚焦激光束。
最后，将反射镜放置在透镜的另一端，用于将激光束反射回传感器。
步骤二：光电检测器的组装将光电二极管连接到电路板上，并通过电路控制光电二极管的接收和信号处理。
将滤光片放置在光电二极管前面，以滤除无关波长的光信号。
步骤三：气体吸收室的设计和组装气体吸收室是用于吸收环境中的甲烷气体，并与激光相互作用。
设计气体吸收室时，需考虑其结构紧凑、密封性好，以保证气体的充分吸收和传感器的准确测量。
在气体吸收室的壁上应涂覆特殊材料，以增强甲烷气体吸收效果。
步骤四：电路设计和调试根据传感器的工作原理，设计电路板，包括激光控制电路、光电信号处理电路和数据输出电路等。
通过合理的电路设计和调试，确保传感器的稳定性和精确度。
步骤五：传感器的标定和测试将制作好的激光甲烷气体传感器进行标定和测试。
标定过程中，将传感器暴露在已知甲烷浓度的气体环境中，并记录传感器输出的信号强度。
通过与已知浓度的对比，确定传感器的灵敏度和准确度。
总结激光甲烷气体传感器的制作方法包括激光发射器的组装、光电检测器的组装、气体吸收室的设计和组装、电路设计和调试以及传感器的标定和测试。
通过合理的组装和优化的电路设计，激光甲烷气体传感器能够准确、稳定地检测环境中甲烷气体的浓度。
这种传感器的制作方法为相关领域的研究和应用提供了一种可行的技术手段。
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激光甲烷传感器原理及应用
概述
甲烷是一种常见的气体，也是一种重要的温室气体。
甲烷的浓度变化对于气候变化和
环境污染都有重要影响。
在环境监测、工业生产和安全保护等领域中，开发快速、高灵敏度、高精度和非侵入性的甲烷检测技术显得尤为重要。
激光甲烷传感器是一种基于激光光
谱技术的气体检测方法，具有快速、高精度、高灵敏度、非侵入性等优点，因此在环境监测、工业生产、气候研究等领域得到广泛应用。
原理
激光甲烷传感器的原理是利用红外吸收谱线的特性，通过激光调制和光路设计等技术，检测出样品气体分子中特定频率处的光线被吸收的量，从而测量出样品气体中甲烷的浓
度。
应用
1.环境监测
激光甲烷传感器可用于大气、水质和土壤等环境中甲烷的检测。
在大气中，激光甲烷
传感器可用于测量甲烷的排放量和分布状况，为空气质量监测提供可靠数据。
在水质监测中，激光甲烷传感器可检测水中甲烷的浓度，为水体环境的污染物监测提供精准数据。
在
土壤监测中，激光甲烷传感器可用于检测土壤中甲烷的浓度，为土壤碳循环研究提供数据
支持。
2.工业生产
激光甲烷传感器可用于工业生产中的安全监测和工艺控制。
在煤气、石油和化工等行
业中，激光甲烷传感器可用于检测管道、储罐等设备中甲烷泄漏情况，确保生产过程中的
安全。
在钢铁、玻璃、陶瓷等行业中，激光甲烷传感器可用于检测窑炉中的甲烷浓度，对
生产工艺进行控制。
3.气候研究
激光甲烷传感器可用于气候研究中，了解大气中甲烷的分布和排放情况，从而探究全
球温室气体排放和气候变化的影响机制。
卫星上搭载的激光甲烷传感器可监测全球甲烷浓
度的变化并制作地图，对于环境保护和气候预测有重要意义。
总结激光甲烷传感器是一种非常有效的工具，可以检测空气和水中的甲烷浓度。
通过
使用激光技术，可以准确地测量甲烷浓度，并可以应用于多种环境监测和工业应用中。
在环境监测方面，激光甲烷传感器可用于检测甲烷的浓度和分布情况。
特别是在大气污染和气候变化的研究中，激光甲烷传感器可以反映大气中的甲烷浓度，为环境研究提供可靠的数据。
激光甲烷传感器还可用于水质监测中，监测海洋和湖泊中的甲烷含量，以了解水体的卫生情况。
在工业生产中，激光甲烷传感器可用于检测工业设备中的甲烷泄漏情况，确保工业生产过程的安全性。
在石油和天然气行业中，激光甲烷传感器可以测量管道和储罐中甲烷的浓度，帮助提高制定工业安全标准的精度和相关法规的制定。
激光甲烷传感器还可用于气候研究中。
根据研究指出，甲烷是一种重要的温室气体，它对全球气候变化有着重要影响。
激光甲烷传感器可以有效地监测甲烷的浓度，以评估全球变化中甲烷有关机制的影响，并帮助制定减少温室气体排放的相关政策。
激光甲烷传感器是一种非常有用的技术，可以应用于多种潜在的环境监测和工业应用中，在日常使用时需要用户具备专业的操作技能，以确保操作的安全性和可靠性。
随着技术的不断发展，相信激光甲烷传感器将有更广泛的应用。
除了应用于环境监测和工业生产中，激光甲烷传感器还可以在其他领域中发挥作用。
激光甲烷传感器可以在能源领域中应用。
由于甲烷是一种重要的天然气，在石油和天然气行业中有着广泛的应用，因此激光甲烷传感器可以用于评估天然气含量和质量，以及监测石油和天然气钻探过程中的甲烷泄漏情况。
激光甲烷传感器还可以在农业领域中发挥作用。
甲烷是奶牛、羊和其他反刍动物排放的主要气体，在畜牧业中也是重要的温室气体排放源之一。
激光甲烷传感器可以用于监测畜牧业中的甲烷排放量，帮助评估农业领域中的温室气体排放。
在空间科学领域中，激光甲烷传感器在探索其他星球和行星大气中的甲烷浓度中发挥了重要作用。
在火星大气研究中，激光甲烷传感器可以用于探测火星大气中的甲烷浓度，以帮助科学家了解火星大气的组成和化学反应，为未来火星探测任务提供重要信息。
激光甲烷传感器在多个领域中都有广泛的应用，包括环境监测、工业生产、能源、农业和空间探索等领域。
随着技术的不断发展和应用场景的增多，相信激光甲烷传感器将在未来有更加广泛和深入的应用。
除了以上几个领域，激光甲烷传感器还可以在安全领域中应用。
甲烷是一种易燃气体，激光甲烷传感器可以检测到甲烷泄漏，从而预警潜在的火灾和爆炸危险，帮助保护人员和物质安全。
在煤矿和石油钻井等行业中，激光甲烷传感器可以用于检测瓦斯中的甲烷含量，从而提高工作安全性。
激光甲烷传感器还可以在科学研究领域中应用。
在气候和环境研究中，研究甲烷浓度的变化和分布可以更好地了解温室气体的形成和影响，以便制定对应的应对措施。
激光甲烷传感器还可以用于研究人体呼出气体中的甲烷含量，以帮助诊断和监测某些疾病。
除了以上几个方面，随着技术的不断升级和工业应用的需求不断增加，激光甲烷传感器今后可能还会有更广泛的应用。
在智能家居和建筑领域中，激光甲烷传感器可以用于检测家庭和建筑中的甲烷泄露，提高建筑安全性。
激光甲烷传感器是一种非常重要的气体检测技术，具有快速、高精度、高灵敏度、非侵入性等优点，在多种领域中得到广泛应用。
随着技术的不断发展，相信激光甲烷传感器将在未来发挥更加重要的作用，推动工业和环境保护等领域的发展。