光纖氣體傳感器及其安全工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，關(guān)系著國計民生和國家安全。在能源的開采利用過程中，生產(chǎn)安全成為經(jīng)濟發(fā)展中的一項重要課題。近年來，國家對安全生產(chǎn)給予了極大的重視，安全生產(chǎn)事故總量呈下降趨勢，但是重特大事故頻發(fā)且危害嚴(yán)重。在我國煤炭領(lǐng)域，瓦斯和自然發(fā)火是煤礦安全生產(chǎn)中的兩種主要災(zāi)害。針對瓦斯災(zāi)害，瓦斯監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)測預(yù)警的主要手段。當(dāng)前煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的主要問題在于所用的催化燃燒式傳感器存在可靠性差，頻繁校準(zhǔn)，壽命短、量程小等問題;傳

2、統(tǒng)紅外傳感器存在易受背景氣體干擾，在高粉塵、高濕度環(huán)境無法正常使用，烯烴類氣體交叉干擾嚴(yán)重、功耗大等難題;這些傳感器已不能適應(yīng)礦山安全的需求。煤礦自然發(fā)火的預(yù)測預(yù)警主要采取氣體指標(biāo)分析預(yù)報辦法。傳統(tǒng)自然發(fā)火所用的痕量氣體檢測設(shè)備主要是色譜分析系統(tǒng)，存在著設(shè)備復(fù)雜、操作復(fù)雜、分析速度慢、不能實現(xiàn)在線監(jiān)測等問題，限制了其應(yīng)用范圍。隨著技術(shù)進步，改進的束管系統(tǒng)采用紅外分析儀來代替部分色譜分析儀，加快了檢測速度，存在的缺陷是測量氣體種類少，無法

3、實現(xiàn)存在較大交叉干擾的烯烴類痕量氣體檢測。因此現(xiàn)有檢測技術(shù)的缺陷限制了火災(zāi)預(yù)測預(yù)報技術(shù)的發(fā)展。
　　基于激光光譜技術(shù)的光纖氣體檢測技術(shù)具有高分辨率、高選擇性、多組分以及低功耗等優(yōu)點，成為工業(yè)有害氣體檢測的有效工具，能有效解決煤礦安全領(lǐng)域氣體檢測存在的問題，為煤礦災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報提供可靠的數(shù)據(jù)保障。
　　本論文來源于煤礦安全的實際需求。結(jié)合礦山安全的發(fā)展現(xiàn)狀尤其煤礦安全對氣體檢測技術(shù)的需求，提出用可調(diào)諧激光光譜技術(shù)來解決煤礦瓦斯

4、和火災(zāi)等主要災(zāi)害急需的氣體傳感產(chǎn)品的需求問題。通過調(diào)研分析，從儀器整體設(shè)計的主要矛盾出發(fā)，討論了光纖氣體傳感系統(tǒng)中存在的激光器波長漂移導(dǎo)致測量誤差的問題，痕量氣體檢測中光學(xué)噪聲的干擾問題，以及多組份檢測中存在的交叉干擾問題等;提出了一種基于預(yù)置零點背景氣體的痕量氣體檢測方法和基于多變量的交叉干擾去除方法;研制了低光學(xué)噪聲的探測器和光纖耦合長光程氣室;開發(fā)了光纖甲烷傳感器和光纖多組份氣體傳感器;對傳感器性能進行了全面的測試分析;并系統(tǒng)的在

5、煤礦安全領(lǐng)域多個場合的進行了現(xiàn)場試驗研究。結(jié)果表明研制的光纖氣體傳感器具有良好的性能，滿足煤礦安全領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
　　文章主要研究了以下幾個方面的內(nèi)容:
　　1.通過調(diào)研分析，確定了課題研究方向。對激光光譜技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識進行深入研究，通過光譜吸收技術(shù)一般理論以及激光吸收光譜的理論分析，為傳感器的研制提供了理論依據(jù)。
　　2.研制基于激光吸收光譜技術(shù)的光纖甲烷傳感器。采用直接吸收光譜技術(shù)，針對當(dāng)前光纖甲烷傳感器存在

6、的易受光強擾動和激光器漂移造成的穩(wěn)定性差和測量誤差大難題，提出基于參考光路與參考氣室的自校準(zhǔn)方案，有效消除了激光波長漂移的影響。提出了一種基于最小二乘法的氣體校準(zhǔn)方法，通過阻尼最小二乘法提高了大量程范圍的測量精度。對研制的傳感器進行了詳細的性能和可靠性測試。
　　3.分析了激光吸收光譜中對微量氣體分析中存在的問題，針對光器件中存在的光學(xué)噪聲，研制了低噪聲光電探測器;基于赫里奧特池原理研制了一種光纖耦合的長光程檢測氣室。對不同的噪聲

7、處理算法進行了研究，采用傅里葉變換濾波算法較大抑制了光學(xué)干涉噪聲，采用卡爾曼濾波算法進行測量結(jié)果的噪聲濾除，提高了測量穩(wěn)定性。
　　4.由于不同光學(xué)元件造成的背景波動，限制了系統(tǒng)的探測限的提升。為了進一步提高系統(tǒng)檢測限，提出了一種基于預(yù)置零點的背景優(yōu)化痕量氣體檢測方法，結(jié)合最小二乘擬合算法實現(xiàn)了ppm級一氧化碳氣體的準(zhǔn)確、穩(wěn)定探測。
　　5.根據(jù)多種氣體檢測的需求，提出了基于波分復(fù)用的激光器陣列的多氣體檢測技術(shù)方案。針對不同

8、氣體之間測交叉干擾難題，結(jié)合多組分檢測，提出了基于氣體濃度和光譜的多變量分析方法，實現(xiàn)了交叉干擾的有效去除。
　　6.針對煤礦安全的需求，研究了一氧化碳、乙烯、乙炔等痕量氣體的檢測，進行了系統(tǒng)的測試，實現(xiàn)了氣體濃度的高靈敏度高精度檢測。
　　7.結(jié)合現(xiàn)場需求，開展了光纖氣體傳感器在煤礦安全領(lǐng)域的應(yīng)用研究，驗證了傳感器應(yīng)用于現(xiàn)場測量的可行性。
　　通過本課題的研究，主要做了以下幾個方面的創(chuàng)新性工作:
　　1.研制了

9、一種光纖甲烷傳感器。針對當(dāng)前激光甲烷傳感器存在的易受光強擾動和激光器輸出波長漂移造成的穩(wěn)定性差和測量誤差大難題，提出基于參考光路與參考氣室的自校準(zhǔn)方案，有效消除了激光波長的影響。開展了針對光纖甲烷傳感器的可靠性試驗，為傳感器未來的實際應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。
　　2.分析了光器件中存在的光學(xué)干涉噪聲，研制了一種低噪聲光電探測器，解決了探測器光學(xué)噪聲引起的檢測背景漂移難題。
　　3.基于赫里奧特長光程池原理，研制了一種光纖耦合的長

10、光程檢測氣室。氣室可以做為了獨立元件使用，也可以通過光纖進行級聯(lián)形成更長光程的氣室，方便了痕量氣體檢測技術(shù)的研究。
　　4.提出了一種基于預(yù)置零點的背景優(yōu)化氣體檢測方案。采用參考氣室與傳感氣室的級聯(lián)實現(xiàn)了傳感信號背景的增強，有效消除了噪聲造成的背景波動，結(jié)合最小二乘擬合和卡爾曼濾波算法最終實現(xiàn)了ppm級一氧化碳氣體的準(zhǔn)確穩(wěn)定探測。
　　5.基于波分復(fù)用方式實現(xiàn)了多激光器陣列的多組分氣體檢測技術(shù)，結(jié)合多變量分析方法，有效減小氣