基于籠形分子配合效應(yīng)的光纖甲烷傳感技術(shù)研究.pdf

1、中國(guó)是煤炭資源大國(guó),也是以煤為主要能源的國(guó)家,煤炭占一次能源構(gòu)成的70％,煤炭生產(chǎn)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位。但是,當(dāng)前煤炭生產(chǎn)環(huán)境惡劣,煤炭資源開(kāi)采誘發(fā)的重大災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生。其中,瓦斯事故是煤礦安全生產(chǎn)的最大威脅之一,被視為煤礦事故的“頭號(hào)殺手”,而監(jiān)測(cè)甲烷(瓦斯主要成分,約占83～89％)濃度則是一種預(yù)防瓦斯事故發(fā)生的重要手段之一。目前,已有基于半導(dǎo)體、熱催化、光干涉、紅外吸收、電化學(xué)法等不同類(lèi)型的甲烷傳感器。為了進(jìn)一步提

2、高礦井瓦斯監(jiān)測(cè)的能力,論文提出一種基于籠形分子配合效應(yīng)的纖芯失配型光纖甲烷傳感方法,主要工作包括制作含籠形分子敏感膜的塑料包層石英纖芯(PCS)光纖和纖芯失配型光纖甲烷傳感器、量子化學(xué)從頭計(jì)算法分析籠形分子與甲烷分子作用機(jī)制、光波導(dǎo)理論分析光纖甲烷傳感器折射率傳感原理、溶液介質(zhì)中折射率傳感實(shí)驗(yàn)、甲烷傳感實(shí)驗(yàn)、礦井瓦斯樣品試驗(yàn)等,結(jié)果表明基于籠形分子配合效應(yīng)的纖芯失配型光纖甲烷傳感器檢測(cè)礦井甲烷氣體濃度是可行的。其具體內(nèi)容包括：
　

3、　 ①以香草醛為原料,通過(guò)三步法合成籠形分子A和E,分析原料配比、反應(yīng)溫度、時(shí)間等因素對(duì)合成產(chǎn)率的影響,優(yōu)化合成反應(yīng)條件；采用核磁共振(NMR)、熒光光譜(PL)、紫外光譜(UV)、質(zhì)譜(MS)等分析籠形分子的組成、結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)；制作PCS光纖甲烷傳感器和纖芯失配型光纖甲烷傳感器,通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)研究涂覆的含籠形分子敏感膜表面形態(tài)。
　　 ②采用幾何光學(xué)分析基于子午光線的纖芯失配型光纖傳感器的光傳播路徑；利用量子

4、化學(xué)從頭計(jì)算方法,研究不同數(shù)量的甲烷分子進(jìn)入籠形分子前后永久偶極的變化規(guī)律；根據(jù)倏逝波穿透深度公式,研究倏逝波穿透深度隨敏感膜折射率的變化規(guī)律；采用菲涅耳公式和反射率表達(dá)式,分析纖芯失配型光纖甲烷傳感器敏感膜折射率傳感原理,研究傳感器輸出光功率隨敏感膜折射率變化特征,結(jié)果表明增大甲烷濃度時(shí),傳感器輸出歸一化光功率線性增加。
　　 ③從光波導(dǎo)理論出發(fā),分析PCS光纖甲烷敏感膜折射率測(cè)量原理,從理論上計(jì)算PCS光纖傳感器輸出光功率Ⅰ

5、(α)隨入射角α變化的角度分布曲線Ⅰ(α)～α；建立敏感膜折射率測(cè)試裝置,在不同甲烷濃度處測(cè)量甲烷傳感器的角度分布曲線Ⅰ(α)～α,研究Ⅰ(α)～α曲線隨不同甲烷濃度的變化規(guī)律,進(jìn)而獲取相應(yīng)甲烷濃度處敏感膜的折射率。
　　 ④理論分析纖芯失配型光纖傳感器折射率/濃度傳感原理,數(shù)值計(jì)算不同媒質(zhì)折射率時(shí)傳感器輸出歸一化光功率的變化規(guī)律；建立溶液中折射率傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；配制不同濃度的甘油溶液,采用阿貝折射儀測(cè)定其折射率,分析甘油溶液濃度

6、與折射率的關(guān)系；驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),傳感器輸出歸一化光功率隨甘油溶液折射率變化規(guī)律與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本一致。
　　 ⑤建立纖芯失配型光纖甲烷傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；開(kāi)展含籠形分子E、A敏感膜的傳感器性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn),研究不同敏感區(qū)域長(zhǎng)度處傳感器輸出信號(hào)隨甲烷濃度變化特征,獲取響應(yīng)速度、線性范圍、選擇性等信息；研究含籠形分子E敏感膜的傳感器對(duì)0～3.50％(v/v)(低爆炸限內(nèi))瓦斯標(biāo)準(zhǔn)氣體的響應(yīng)特性,發(fā)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)隨甲烷濃度增加而增大；當(dāng)瓦斯標(biāo)準(zhǔn)

7、氣體濃度低于1.00％時(shí),傳感器輸出信號(hào)呈線性增加,其斜率為0.0465,靈敏度較高；傳感器檢測(cè)限為0.10％(v/v)。
　　 ⑥開(kāi)展含籠形分子E敏感膜的傳感器對(duì)三匯一礦采掘工作面瓦斯樣品和三匯一礦、二礦北翼抽風(fēng)機(jī)房風(fēng)井口排風(fēng)瓦斯樣品測(cè)試實(shí)驗(yàn)。對(duì)于采掘工作面瓦斯樣品,傳感器測(cè)量結(jié)果(1.39％CH4)與礦井氣體多點(diǎn)參數(shù)色譜自動(dòng)分析儀分析結(jié)果(1.41％CH4)基本一致,相對(duì)誤差1.42％；當(dāng)瓦檢儀對(duì)抽風(fēng)機(jī)房風(fēng)井口排風(fēng)瓦斯中甲烷