（交通信息工程及控制专业论文）基于光纤传感的危险环境安全监测方法和关键技术的研究.pdf

武汉理工人学博十学位论文 中文摘要 危险环境是安全事故高危地点，对人类生命财产和社会安全构成极大危害， 必须建立科学而严密的安全管理体系，有效地防止重大事故的发生。同时利用高 新技术，建立完善的、有效的安全监测系统，以提高自防自救能力。 对于危险环境中的信号检测，传统的电类传感器存在长期稳定性、耐久性和 分前i 测。茸 等问题，特别是通过电信号进行检测和传输势必要将电信号引入危险区 域，无法从根本上消除安全隐患。而光纤传感技术有效地克服了电类传感系统存 在的不足，尤其是其本质安全的特性，为解决危险环境中的安全参数检测，提供 了一种良好的技术手段。 本文是在国家科技部8 6 3 项目“光纤光栅传感技术及产业化研究、国家科 技部国家新产品项目“光纤光栅感温火灾报警系统”等支持下，在导师的悉心指 导下，经过5 年的努力，从基础理论、基本方法、关键技术和工程应用上研究了 安全检测技术和光纤传感技术及其在危险环境中构成的光纤传感安全监测系统， 解决了危险环境安全监测重大技术问题，满足了危险环境工业安全生产的需要和 网络化信息管理的需要。本文多项研究成果通过相关的成果鉴定，并已在工业生 产中得到广泛的应用，为危险环境中的安全生产管理提供了新的解决方法。 本文研究了危险环境安全检测的基本方法和理论。分析了危险环境安全检测 的检测参数，为危险环境安全检测系统提供检测手段；讨论了检测系统的可靠性 技术和影响检测系统可靠性的问题及其一般的解决办法。还研究了危险环境中的 光纤传感技术。从传感器的本质安全特性出发，论述了危险环境对传感器的防爆 特性要求。介绍了光纤传感器的原理和分类，比较了几种不同类型的光纤传感器 的性能。并重点讨论了光纤光栅感温火灾报警器及光纤光栅感温火灾报警系统、 光纤光栅应变传感器、光纤液位计、光纤气体探测器等危险环境光纤检测技术的 主要设备。同时还研究了危险环境光纤传感器的信号采集和传输技术，并研究了 基于m o d b u s 现场总线技术的光纤传感网络数据传输技术。这是危险环境光纤传 感安全监测技术的基础。 在此基础上本文研究了基于光纤传感的危险环境安全监测系统理论。论述了 基于光纤传感的危险环境安全监测系统的基本组成，以多种光纤传感器为安全信 息获取手段，以计算机网络技术为平台，建立安全监测系统体系结构。重点研究 了光纤传感安全监测系统中的光纤光栅解调技术、多光纤传感器系统集成、信号 传输技术及系统软件的实现技术和方法。最后讨论了系统的可靠性和具体的抗干 扰措施及防雷措施。 本文最后研究了危险环境光纤传感安全监测系统的工程应用技术。研究了危 4 武汉理工大学博卜学位论文 险环境光纤传感安全监测系统数据采集和传输、冗余网络设计、o p c 技术和远程 维护等关键技术，提出并研究了利用光纤液位计和光纤光栅温度传感器联合实现 泄露检测、光纤光栅火灾报警器和视频监视器联合实现视频联动安全监测的应用 方法。并以光纤传感安全监测系统在油田、油库、隧道的典型应用为例，验证了 基于光纤传感的危险环境监测方法和技术的可行性、实用性和安全性。 关键词：危险环境本质安全安全监测系统安全检测技术 光纤传感 技术光纤光栅 5 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t d a n g e r o u se n v i r o n m e n t i s h i g h l yc r i t i c a ls a f e t ya c c i d e n tp l a c e ，w h i c hw i l l e n d a n g e rt h eh u m a n l i f ea n ds o c i a ls e c u r i t y i ti sn e c e s s a r yt oe s t a b l i s has c i e n t i f i ca n d r i g o r o u ss e c u r i t ym a n a g e m e n ts y s t e mt h a te f f e c t i v e l yp r e v e n t st h em a j o ra c c i d e n t m e a n w h i l e ，u t i l i z i n gn e wa n da d v a n c e dt e c h n o l o g i e sa n de s t a b l i s h i n gp e r f e c t ， e f f e c t i v es e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e m sa n de n h a n c et h ea b i l i t yo fs e l f - d e f e n c ea n d s e l f - h e l p f o rs i g n a ld e t e c t i n gi nd a n g e r o u se n v i r o n m e n t ，p r o b l e mo ft r a d i t i o n a le l e c t r i c a l s e n s o r sa r el o n g - t e r ms t a b i l i t y , d u r a b i l i t ya n dd i s t r i b u t e dm e a s u r e m e n t e s p e c i a l l yt h e d e t e c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fe l e c t r i c a ls i g n a li n t r o d u c ee l e c t r i c i t yi n t od a n g e r o u s a r e a s ，w h i c hc a nn o tb a s i c a l l ya v o i dt h ep o t e n t i a ld a n g e r o p t i cf i b e rs e n s i n g t e c h n o l o g ye f f i c i e n t l yc o n q u e r st h ed e f i c i e n c yo ft h ee l e c t r i c a ls e n s i n gs y s t e m ， e s p e c i a l l yi t sf e a t u r eo fi n t r i n s i cs a f e t y t h i sa f f o r d sap r o m i s i n gt e c h n i c a ls o l u t i o nt o d e t e c ts e c u r i t yp a r a m e t e ri nd a n g e r o u se n v i r o n m e n t s w i t ht h ef i n a n c i a ls u p p o r tf r o mn a t i o n a lm o s ti n c l u d i n gt h e8 6 3p r o j e c t f i b e r g r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g ya n di t si n d u s t r i a l i z a t i o n a n dt h en e wp r o d u c t i o np r o j e c t “f i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r es e n s i n gf o rf i r ea l a r ms y s t e m ，u n d e rm yt u t o r sg u i d a n c ei n 5y e a r s ，s e c u r i t ym o n i t o r i n g ，o p t i cf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g ya n do p t i cf i b e rs e n s i n g s e c u r i t ys y s t e ma r es t u d i e di nb a s i ct h e o r y , b a s i ca p p r o a c h , k e yt e c h n o l o g i e sa n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h e s er e s o l v et h em a j o rt e c h n o l o g yp r o b l e mo fd a n g e r o u s e n v i r o n m e n ts e c u r i t ym o n i t o r i n ga n ds a t i s f yt h ei n d u s t r ys a f e t yp r o d u c t i o na n dt h e n e t w o r k i n gi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t m a n yi t e m so ft h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e r h a sp a s s e dt h ej u d g m e n ta n dh a sw i d e l yu s e di ni n d u s t r yp r o d u c t i o np m v i d i n gan e w r e s o l v e n tf o rs e c u r i t yp r o d u c t i o nm a n a g e m e n ti nd a n g e r o u se n v i r o n m e n t s t h i sp a p e rs t u d i e st h es e c u r i t ym o n i t o r i n gb a s i cm e t h o da n dt h e o r yi nd a n g e r o u s e n v i r o n m e n t t h es e c u r i t ym o n i t o r i n gp a r a m e t e ra n de x i s t i n gm e t h o da r ea n a l y z e d ； p r o b l e m sa n di t ss o l u t i o n sw a yt h a ti n f l u e n tt h er e l i a b i l i t yo fm o n i t o r i n gs y s t e ma r e d i s c u s s e d o p t i cf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yi nd a n g e r o u se n v i r o n m e n ti ss t u d i e d ；t h e r e q u i r e m e n to fs e n s o re x p l o s i v ep r o o ff e a t u r ei sd i s c u s s e db a s e do nt h ei n t r i n s i c s a f e t yf e a t u r eo fs e n s o r s t h ep r i n c i p l ea n dc a t a l o go ft h eo p t i cf i b e rs e n s o r sa r e i n t r o d u c e da n ds e v e r a ld i f f e r e n tk i n d so fo p t i cf i b e rs e n s o r sa r ec o m p a r e d k e y i n s t r u m e n to fo p t i cf i b e rm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi nd a n g e r o u se n v i r o n m e n ti s d i s c u s s e d ，i n c l u d i n gf i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r es e n s i n gf i r ea l a r ma n di t ss y s t e m ，f i b e r 6 g r a t i n gs t r a i ns e n s o r s ，f i b e rl i q u i dl e v e lm e t e r sa n d f i b e rg a sd e t e c t o r s m e a n w h i l e ，t h e s i 酬s a m p l i n ga n d t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi nd a n g e r o u se n v i r o n m e n ta r er e v l e 眦d ， i n c l u d i n gt h eo p t i cf i b e rs e n s i n gn e t w o r kd a t at r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e d o nt h e m o d b u sf i e l db u st e c h n o l o g y , w h i c hi st h eb a s i co fo p t i cf i b e rs e c u r i t ym o n i t o r i n 。g t e c h n o l o g yi nd a n g e r o u se n v i r o n m e n t s t h et h e o r yo fs e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi nd a n g e r o u se n v i r o n m e n t b a s e do nt n e o p t i c 舶e rs e n s i n gi si n v e s t i g a t e d t h eb a s i cc o m p o s i t i o ni s d i s c u s s e d ，t h es y s t e m s t r u c t i 】r eo fs e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi s e s t a b l i s h e du s i n go p t i cf i b e rs e n s o r 嬲 m e m o dt oo b t a i ns e c u r i t yi n f o r m a t i o na n du s i n gc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y 嬲 p l a t f o m t h ei m p l e m e n tt e c h n o l o g y a n dm e t h o da r ed i s c u s s e d ，i n c l u d i n gf i b e r g r a t i n gd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g y , m u l t io p t i cf i b e r s e n s o r ss y s t e mi n t e g r a t i o n ，s l g n a l t r a n s m i s s i o nt e c l l r i o l o g ya n di t ss y s t e ms o f t w a r e t h er e l i a b i l i t y o ft h es y s t e ma n d m a t e r i a la n t i - j a m m i n gm e t h o d ，l i g h t n i n gp r o t e c t i o nm e a s u r e sa r ed i s c u s s e d i nt h el a s t t h el a s tc h a p t e ri se n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo fd a n g e r o u se n v i r o n m e n t o p t i cf i b e rs e n s i n gs e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e m t h ek e yt e c h n o l o g i e sa n di m p l e m e m t e c h n o l o g i e so fd a t as a m p l i n ga n dt r a n s m i s s i o no ft h i ss y s t e m ，r e d u n d a n t e n e t 、o r k d e s i g n i n g o p ct e c h n o l o g y a n d l o n g d i s t a n c e m a i n t e n a n c ea r es t u d l e d ln e a p p l i c a t i o nm e m o d sa r es t u d i e do nh o w t or e a l i z et h eo i ll e a kc h e c kw i t hf i b e rl i q u i d l e v e lm e t e r sa n df i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r es e n s o r s ，t h e v i d e o - l i n k e ds a f e t yc h e c k w 乱hf i b e rg r a t i n gf i r ea n n u n c i a t o r sa n dv i d e om o n i t o r s t h et y p i c a la p p l i c a t i o no f f m e ro p t i cs e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e mi no i lf i e l d ，o i ld e p o ta n dt u n n e lv a l i d a t et h e f e a s i b i l i t y , p r a c t i c a b i l i t ya n ds e c u r i t yo ft h em o n i t o r i n gm e t h o da n dt e c h n o l o g y m d a n g e r o u se n v i r o n m e n t b a s e do no p t i cf i b e rs e n s i n g k e y w o r d s ：d a n g e r o u se n v i r o n m e n t ，i n t r i n s i c s a f e t y , s e c u r i t ym o n i t o r i n gs y s t e m ， s e c u r i t ym o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , o p t i cf i b e rs e n s i n g t e c h n o l o g y , f i b e rg r a t i n g 7 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确说明 并表示了感谢。 研究生签名： 日期：叠竺g ：! ：! 壁 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以使用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名导师签 m邑j 一 戮：逊驾 武汉理工大学博十学位论文 1 绪论 1 1 概述 1 1 1 研究背景及意义 危险环境包括爆炸性气体环境、爆炸性粉尘环境和火灾危险环境，如油库、 汽车加油站、油轮、油罐火车、油罐汽车、爆炸物品仓库、储气罐等，是安全事 故高危场所。近年来，随着工业化和市场经济快速发展，我国安全生产特大事故 发生的概率也在增加。特别是危险环境中的工业生产，由于安全监测与管理技术 落后，时有重大安全事故发生，这方面有血的教训【1 一。 例如1 9 8 9 年8 月1 2 日，中国石油天然气总公司某油库老罐区，2 3 万立方 米原油储量的5 号混凝土油罐，由于非金属油罐本身存在的缺陷，遭受对地雷 击产生感应火花而引爆油气。大火前后共燃烧1 0 4 小时，烧掉原油4 万多立方米， 占地2 5 0 亩的老罐区和生产区的设施全部烧毁，这起事故造成直接经济损失 3 5 4 0 万元。在灭火抢险中，1 0 辆消防车被烧毁，1 9 人牺牲，i 0 0 多人受伤。通 过该案例分析，发现还存在安全系统设计错误、生产管理漏洞等问题，需改进现 有油库区防雷、防火、防地震、防污染系统，采用新技术、高技术，建立自动检 测报警联防网络，提高油库自防自救能力。 再如1 9 9 7 年6 月2 7 同，北京某化工厂在从铁路罐车经油泵往储罐卸轻柴油 时，由于操作工开错阀门，发生火灾爆炸事故，死亡9 人，伤3 9 人，2 0 余个 1 0 0 0 1 0 0 0 0 立方米的装有多种化工物料的球罐被毁，直接经济损失1 1 7 亿元。 通过统计分析，我国安全生产形势严峻，事故高发的主要原因之一是安全监 测与生产科技基础薄弱，安全技术滞后于生产技术的发展。具体表现在安全监测 方法落后、危险源监测手段缺乏、网络化缺陷造成信息的阻塞等方面。 因此，开展安全监测技术研究，提高安全检测科技水平；利用高新技术，建 立完善的、有效的安全监测系统；建立起科学而严密的安全管理体系，对有效减 少危险环境事故隐患，预防和控制重、特大事故的发生，遏止群死群伤、重大经 济损失和保障国家经济与社会的可持续发展具有重大现实意义【4 5 l 。 1 1 2 危险环境的基本概念 根据国家相关规范陋1 ，危险环境包括爆炸性气体环境、爆炸性粉尘环境和火 灾危险环境。爆炸危险环境，是指生产、使用、储存易燃易爆物质，并能形成爆 武汉理工大学博七学位论文 炸性混合物，且具有爆炸危险的环境场所。火灾危险环境是指在生产过程中，产 生、使用、加工、储存或转运闪点高于场所环境温度的可燃物质，并在可燃物质 的数量上和配置上，能引起火灾危险的环境。 根据对可能出现爆炸的场所进行分析，将危险环境进行以下分类： ( 1 ) 爆炸性气体环境：根据出现的频率和持续时间把危险环境分为三个区 域。 0 区：在正常运行时连续出现、短时间频繁地出现或长期出现爆炸性气体 混合物的环境； 1 区：在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境； 2 区：在正常运行时不可能出现爆炸性气体混合物的环境，或即使出现也 仅是短时存在的爆炸性气体混合物的环境。 ( 2 ) 爆炸性粉尘环境：按其危险程度大小分为两个区域等级。 l0 区：正常运行时可能连续地、短时间频繁地出现或长时间存在的环境； 1l 区：在正常运行时不可能出现，或即使出现也仅是短时出现的环境。 表1 1 为与爆炸危险区域相邻场所的等级划分表。 表卜1与爆炸危险区域相邻场所的等级划分表 用有门的墙隔开相邻场所等级 危险区域等级两道有门隔墙附注 一道有门隔墙 ( 通过走廊或套间) 0 区1 区 气体1 区2 区 非危险场所 两道隔墙门框 2 区 非危险场所之间的净距离 1 0 区1 1 区不应小于2 米 粉尘 1 1 区 非危险场所非危险场所 危险环境分类的目的，是为了使用于该类爆炸危险场所的防爆电气设备的选 型和安装具有足够的安全性和良好的经济性。仅仅确定某处危险环境的区域类别 还不够，还必须确定这类危险区域在设备内部和周围存在的数量，而且要确定每 类危险环境的空间范围，即要对环境的空间范围进行准确的定量。其基本安全原 则是： ( 1 ) 对处理或贮存可燃性物质的设备及装置进行设计时，应尽可能使危险 场所的类别成为危险性最小的类别，尤其应使o 区场所及1 区场所的数量及范围 都成为最小，亦即尽可能使大多数的危险场所都成为2 区场所。 1 2 武汉理工大学博士学位论文 ( 2 ) 危险场所的类别确定后，不得随意进行变更。对于维修后的工艺设备， 必须认真检查后确认其是否能保证原有设计的安全水平。 1 1 3 危险环境中电气设备防爆基本要求 爆炸发生应具备三个要素：能引起爆炸的介质；和空气混合形成一定的浓度； 触发源。危险环境的防爆就从这三个方面入手 。危险环境使用的防爆电气设备， 在运行过程中，必须具备不引燃周围爆炸性混合物的性能。满足这些要求的电气 设备可制成本质安全型、隔爆型、增安型、正压型、充油型、充砂型、无火花型、 防爆特殊型和粉尘防爆型等类型。 1 本质安全型电气设备( i ) 在正常运行或在标准试验条件下所产生的火花或热效应均不能点燃爆炸性 混合物的电气设备。 本质安全型电气设备及其关联设备还可根据故障条件，细分为i a 、i b 两级。 2 隔爆型电气设备( d ) 具有隔爆外壳的电气设备，是指把能点燃爆炸性混合物的部件封闭在一个 外壳内，该外壳能承受内部爆炸性混合物的爆炸压力并阻止向周围的爆炸性混合 物传爆的电气设备。 3 增安型电气设备( e ) 正常运行条件下，不会产生点燃爆炸性混合物的火花或危险温度，并在结构 上采取措施，提高其安全程度，以避免在正常和规定过载条件下出现点燃现象的 电气设备。 4 正压型电气设备( p ) 具有保护外壳，且壳内充有保护气体，其压力保持高于周围爆炸性混合物气 体的压力，以避免外部爆炸性混合物进入外壳内部的电气设备。 5 充油型电气设备( 0 ) 全部或某些带电部件浸在油中使之不能点燃油面以上或外壳周围的爆炸性 混合物的电气设备。 6 充砂型电气设备( q ) 外壳内充填细颗粒材料，以便在规定使用条件下，外壳内产生的电弧、火焰 传播，壳壁或颗粒材料表面的过热温度均不能够点燃周围的爆炸性混合物的电气 设备。 7 无火花型电气设备( n ) 在正常运行条件下不产生电弧或火花，也不产生能够点燃周围爆炸性混合物 的高温表面或灼热点，且一般不会发生有点燃作用的故障的电气设备。 武汉理工人学博上学位论文 防爆电气设备的选型原则是安全可靠，经济合理。防爆电气设备应根据爆炸 危险区域的等级和爆炸危险物质的类别、级别、组别选型( 表1 2 ) 。0 级区域只 准许选用ia 级本质安全型设备和其他特别为0 级区域设计的电气设备( 特殊 型) 。 表1 - 2气体爆炸危险场所用电气设备防爆类型选型表 适用的防护型式 爆炸危险区域 电气设备类型符号 1 本质安全型( ia 级) 1 a 0 区 2 其他特别为0 区设计的电气设备( 特殊型) s 1 适用于0 区的防护类型 2 隔爆型 d 3 增安型 e 4 本质安全型( ib 级)i b 1 区 5 充油型o 6 正压型p 7 充砂型q 8 其他特别为1 区设计的电气设备( 特殊型) s 1 适用于0 区或1 区的防护类型 2 区 2 无火花型 n 1 - 2 - 国内外研究现状 1 2 1 危险环境安全信息获取 危险环境的工业生产对象的主要安全参数如温度、压力、流量、可燃气体 探测、火灾特征( 烟、温度、光) 等，一般使用传感器获取。传感器是一种以一 定的精度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量 装置。传感器处于检测系统的最i j 端，它决定被测量的可测范围、测量准确度和 检测系统的使用条件。只有准确地检测到危险环境中的各种安全参数，并将各种 信息迅速完整地传递到相关操作、管理人员或控制设备，才能准确及时地执行各 种操作，预防事故的发生，或者将事故的损失降到最小。 对于危险环境安全监测最重要的参数温度的检测方法一般分接触式测 温方法和非接触式测温方法。接触式如热膨胀式、热电偶、热电阻等，非接触式 1 4 武汉理t 大学博士学位论文 如辐射温度计、热敏电阻探测器等。 通过压力的检测能够判断压力容器或管道的内压的异常，从而为安全生产 提供决策依据，一般采用压力传感器进行采集。压力传感器就是利用敏感元件将 被测压力转换成各种电量，根据电量的大小间接测量，如电阻式、电感式、电容 式、压阻式、压电式、应变式、振频式、霍尔式等。 流量的检测是检测一段时间内流体物质流过的量。流体总量对于物质的损 耗与储存、流体的贸易都有重要的意义。检测设备一般有差压式、容积式、速度 式、质量式等流量计。 近年来工业生产中，相当部分的安全事故都是由于可燃气体燃烧或爆炸引 起的，为了实现对可燃气体的检测，采用了各种气体传感器，根据基本工作方式 和原理一般有接触( 催化) 燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、半导体式气 体传感器、湿式化学气体传感器等。 所有这些传感器在工业生产中发挥了巨大的作用【8 。但是目前我国安全监 测传感器存在种类少、质量不稳定，且监测数据的处理、计算机应用等与发达国 家仍存在一定差距。特别在危险环境中，由于易燃易爆危险性大、污染大、电磁 干扰强、温度和湿度变化大等特点，更限制了传感器性能的充分发挥。例如火灾 报警器，根据不同的火灾燃烧现象研制的火灾探测器传统的一般包括电类的感温 火灾探测器、感烟火灾探测器和感光火灾探测器三种，他们在诸多行业发挥了巨 大作用。但是在石油化工、公路隧道和电力设施等环境中，由于危险性大、污染 大、烟雾大、电磁干扰强、维修难、温度和湿度变化大等特点，对火灾自动探测 设备提出了独特的要求，也导致这些场所的火灾报警成为业界的一个难点问题。 如石化仓库中，易燃易爆危险品限制了电类探测器的使用；隧道烟雾大，限制了 感烟型火灾探测产品的应用；隧道、电力和石化场所污染大，容易污染感光型火 灾探测设备传感器，造成漏报或延长报警时间；车辆日夜行驶，隧道内产品发生 故障，维修不便，更难以经常维护火灾报警产品；一年之中气温变化大，要求感 温型火灾报警必须实现定温与差温报警，等等。 因此如何发展新型的传感技术，适应易燃易爆、高污染、高干扰、恶劣条件 下的危险环境中准确、稳定、可靠的安全检测，以确保危险环境中的工业生产的 安全，已经成为智能材料与检测技术科学家们关注的重要课题【l u 。 1 2 2 危险环境中的光纤传感技术 光纤传感技术是在光纤通信技术的基础上，七十年代末期发展起来的- - i - j 新 兴技术。它是一种通过调制、检测光纤中转输的光波的特征参量实现对各种物理 参量测量的技术。光纤是七十年代为适应光通讯的要求而发展的一种新型材料， 武汉理1 = 大学博上学位论文 它与其它材料相比，具有许多独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光纤具 有良好的传光性能( 对光波的损耗目前可达0 2 d b k m ，甚至更低) ，光波不产生 电磁于扰，也不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电 光转换，易与高速发展的现代电子装置和计算机相匹配；光纤工作频带宽( 具有 比微波高5 个数量级的频带) 、动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低 损耗传输线；光纤本身就是一个敏感元件，即光在光纤中传输时，光的特性如振 幅、相位、偏振态等将随检测对象而相应变化；光纤本身不带电，体小质轻，易 弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好，特别适合于易燃易爆、空间受严格限制及强 电磁干扰等恶劣环境下使用n 1 坦13 j 。 光纤传感器就是用光纤作为功能材料，以光纤为媒介，用来检测光在光纤中 传播时，因光纤的全部或部分环节所在环境( 物理量、化学量或生物量等) 的变化 带来光传输特性改变的装置。光纤传感器除了在大多数场合下可替代传统的电传 感器外，还可为电传感器难以涉足的极端恶劣场合下提供多种参量的新的可靠检 测方法。它与传统的各类传感器相比具有以下独特优点： ( 1 ) 对环境的适应性好。光纤是一种石英绝缘介质，不受环境的电磁干扰、 耐高压、耐腐蚀，且信号为光的传输，因此本质防爆，适用于易燃、易爆、强电 磁干扰等恶劣场合。 ( 2 ) 高灵敏度、高精度。光纤传感技术使用数字技术检测和处理测量数据， 精度高。如对光波的相位检测可以得到光程的准确信息，相当于一个原子核直径 的量级。 ( 3 ) 低损耗，可实现远距离的精确测量及远距离传输。 ( 4 ) 耐腐蚀和化学稳定性，可适用于化工、医药、食品等行业的无污染测量。 ( 5 ) 非接触、非破坏测量，对被测对象或系统无扰动。由于光纤传感是通过 光的反射、透射、衍射等方式被调制而获得所需信息，因而不会产生破坏性。 ( 6 ) 能满足各种结构形式的要求。光路可挠曲性好、柔软纤细，几何形状容 易改变，因此可做成各种形式以适应不同的使用要求的传感器和传感器阵列。如 光纤传感技术与生物、化学等学科的结合，可制造出新型的光纤生物传感器和光 纤化学传感器；与材料科学的结合可组成光纤智能材料和结构系统，即“神经网 络”系统。 ( 7 ) 易实现网络化、多功能、智能化，满足现代工程的需求。同一根光纤 可以制成传感不同物理量的传感器，且采用基本相同的发送、接收系统，具有技 术的共同性，使于实现综合检测。基于传感器的复用技术，能发挥“感 、“传 合一的优势，易于与光纤传输系统联网、便于与计算机联接以实现系统的遥测和 控制。 1 6 武汉理工大学博上学位论文 正因为光纤传感技术具有上述独特的优点，因此，光纤传感技术一问世就受 到极大的重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动传 感技术蓬勃发展。自1 9 7 7 年光纤传感器问世以来，国内外发展迅速，研究开发 的品种达数百种，其中较为成熟的有：液位类传感器、流量类传感器、温度类传 感器、压力类传感器、振动传感器、旋转传感器、惯性传感器、应力一应变传感 器、陀螺传感器等，已在石油、化工、交通、能源、建筑、冶金、水电、医药、 食品、军工、核工业等行业得到成功应用。但是，虽然光纤传感技术的研究取得 了巨大的发展，目前大多数还处于实验室研究阶段，离实用化、工程化、产品化 的标准还有相当距离。特别是光纤传感器的可靠性、稳定性难以满足危险环境中 的应用要求，以及多光纤传感器集成的光纤传感检测技术、光纤传感安全监测技 术基本空白。随着光纤传感技术的不断发展和光纤传感监测方法的完善，将使得 光纤传感器成为目前最有发展前途，最有代表性的光纤无源器件之一n 钔。 1 2 3 传统传感器与光纤传感器的比较 危险环境对传感器特性要求可分为四类： ( 1 ) 可能性指标，主要包括灵敏度、频率范围和频带宽度等； ( 2 ) 可行性指标，包括集成特性、性能稳定性、寿命特性和可维护性等； ( 3 ) 有效性，包括线性特性、迟滞特性、空间分辨率等； ( 4 ) 防爆性能指标。 对于危险环境中的信号检测，传统传感器都是电类传感器，有很多无法解决 的问题。而光纤传感器综合指标上优于其它传感器。其主要原因在于： ( 1 ) 干扰问题传统的电类传感器响应输出的电信号易受环境因素( 如温度、 湿度、电磁干扰等) 的影响，进而导致传感的准确度、灵敏度、持久性降低。 ( 2 ) 分布性能及布线问题传统的电类传感器大多为分立型器件，不易与复 合物集成，没有分布测量的能力，并且需要另外的信号传输载体，导致传感器及 引线的巨大增加，现场实施困难。 ( 3 ) 寿命问题作为检测元件，需要在各种恶劣的环境中长期连续工作，这 就要求传感器的长期在线的可靠性、耐久性和寿命长，一般的电类传感技术并不 具备上述能力。 ( 4 ) 防爆性能对于危险环境，传统的电类传感器均需通电才能正常工作， 势必要将电信号引入危险区域，有产生电火花的可能，无法从根本上消除安全隐 患。而光纤传感器只需通过光纤将弱光信号引入危险区域，不可能产生电火花， 达到了本质安全，而且传输光缆可以避免引入雷电感应信号，进一步消除了安全 隐患。 1 7 武汉理工大学博：b 学位论文 光纤传感器相比传统的电类传感器，具有材料和传感性能两方面的优势，加 上自身固有的良好的分布特性和本质安全性能，成为危险环境中传感技术的首 选。 1 2 4 危险环境安全监测系统 危险环境的安全生产的保障，说到底是一个生产过程的安全监测问题，因此 安全监测技术是安全生产和工业装置安全运行的基础。安全监测是一项复杂的系 统工程，监测任务的完成，主要由数据采集、数据处理、故障判断和安全对策四 个部分构成的，其相关理论和方法构成安全监测技术n 5 | 。 随着计算机技术和控制技术的发展，安全监测技术的发展主要表现在两个方 面：( 1 ) 监测网络集成化，即将监测对象按功能划分为若干个系统，每个系统由 相应的监测系统实行监测，所有的监测系统与中央控制计算机连接，形成监测网 络，从而实现对生产系统实行全方位的安全监测。( 2 ) 预测型监测系统，计算机 根据检测结果按照一定的预测模型进行预测计算，根据计算结果确定安全对策， 这对危险环境的安全监测尤为重要。 对于光纤传感安全监测系统，光纤传感技术由于无电传输，具有本质安全性 而得到人们的重视。以光纤火灾报警系统为例，在上世纪8 0 年代中，国外发明 了拉曼光纤温度监测系统，使用光纤进行分布式温度测量。但是，这种系统是基 于对微弱的反射模拟信号的测量，容易受光源起伏等其它因素的干扰；另一方面， 它的测量精度和响应时间相互制约，无法同时实现短的响应时间和高的测量精 度；再加上技术全部为国外垄断，导致系统价格较高，一直难以在国内石化和电 力等行业推广应用，使我国这些领域火灾报警仍以非本质安全的电类传感器为主 1 7 2 0 2 i o 光纤光栅传感技术由于传感信号为光的波长，与传统技术相比具有很多优 势，如：精度高、寿命长，能实现数字式传感，测量信号不受光源功率起伏和连 接传输损耗等因素的影响。因此光纤光栅温度、应变等传感器在国际上获得了快 速的发展瞳2 一引，但是，受使用光源带宽的限制，多个光栅复用进行分布式测量时， 光纤光栅复用数量极为有限。而危险环境的安全检测，一般测点分布广、数量多， 如在大型油罐等易燃易爆场所，按规定一般火灾探测需要5 - 8 米布设一个火灾监 测报警点，石化、电力和隧道等场所火灾探测所需测点多达数百个，在地下空间， 巨型油库等大面积火灾监测场所，火灾探测点数会随着监测面积的增大而急剧增 加。因此，光纤光栅复用数量有限和火灾探测点数复用需求很大这一对矛盾，是 国外光纤光栅传感技术没有成功应用在火灾报警技术领域的主要原因之一乜“2 钉。 我国光纤光栅传感技术还面临着另一个重要问题，即光纤光栅波长解调核心 武汉理t 大学博士学位论文 技术完全为国外掌握，性能一般的器件，价格也十分昂贵，高端器件由于军用背 景极强，被技术封锁和禁运，因此国内工程界到目前仍然只能购买国外性能一般 但价格昂贵的器件使用，增加了系统成本，使光纤光栅技术难以在危险环境大规 模应用瞳r 删。因此国内光纤光栅传感器的研究开发相对于国外要落后一些。 在国家8 6 3 和省科技攻关计划支持下，武汉理工大学光纤中心研究解决了一 般光纤光栅无法大容量多点分布检测的技术难题和低成本、高速波长解调等关键 技术问题，通过编码光纤光栅等多项发明专利的实现，取得了一系列具有完全自 主知识产权的创新成果；自行开发了光纤传感技术中的关键技术波长解调 器；在光纤b r a g g 光栅的封装方面摸索出一套适用于不同应用领域和传感信息的 方法，实现了批量生产。由于关键技术打破了国外封锁，并集成较为完整的新型 光纤传感技术体系，形成了具有完全自主知识产权的新技术，打破了国外垄断， 满足了石油、化工、隧道、电力、钢铁等场所安全监测实际工程需求，为我国安 全生产提供了新技术嘲脚1 。并获得国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖等 多项奖励。本文多项研究成果成为这些奖项的构成部分。 1 3 关键技术与本文的主要工作 本文是在国家科技部8 6 3 项目“光纤光栅传感技术及产业化研究 ( 项目编 号：2 0 0 2 a a 3 1 3 4 0 ) 、国家科技部国家新产品项目“光纤光栅感温火灾报警系统 ( 项目编号：2 0 0 4 e d 7 6 0 0 0 1 ) 、国家自然科学基金重点项目“光纤传感敏感材料 与光纤微加工技术研究”( 项目编号：6 0 3 7 7 3 0 2 ) 、湖北省科技厅重点攻关项目 “光纤光栅传感监测系统 ( 项目编号：2 0 0 3 a a i o i a 0 5 ) 以及光纤传感技术与信 息处理教育部重点实验室开放基金“基于光纤传感技术的油品储备管理信息化系 统的研究 等支持下，在导师的悉心指导下，经过5 年的努力，从基础理论、基 本方法、关键技术和工程应用上，研究了安全检测技术和光纤传感技术及其在危 险环境中构成的光纤传感安全监测系统，解决了危险环境安全监测中的一些重大 技术问题，基本满足了危险环境工业安全生产的需要和网络化信息管理的需要， 并己在一些典型的场所得到应用，为危险环境中的安全生产管理提供了新的解决 方法。 1 3 1 多种光纤传感器的系统集成 本文研究了多种光纤传感器在危险环境中的集成问题以及多个检测点的分 布式测量的实现方法。危险环境光纤传感安全监测系统安全检测参数一般包括温 度、压力、泄露、结构、可燃气体、粉尘等，在光纤传感安全数据采集系统中， 1 9 武汉理t 大学博士学位论文 温度信号采用光纤光栅温度传感器进行采