（测试计量技术及仪器专业论文）多点光纤甲烷浓度监测系统的研究.pdf

摘要 摘要 在煤矿生产中，随着煤层的开采，往往会从矿井中涌出瓦斯。它与空 气混合后，当其体积百分比为3 5 1 6 时，如遇明火就会发生爆炸，给矿 井的安全生产带来巨大的威胁。因此，对瓦斯进行实时监控在矿井通风系 统中显得非常重要，要实现瓦斯监控的自动化和智能化，使用高性能的传 感器是不可缺少的条件。光纤气体传感技术是一项正在发展中的新型高新 技术。光纤气体传感器拥有优良的性能，在工业生产、环境监测和医学等 领域具有广阔的应用前景。 本文阐述了光纤气体传感技术的原理，给出了气体吸收测量的理论依 据。确定了甲烷气体的吸收谱线，找出了适合普通石英光纤进行较长距离 低损耗传输的光谱特性。论述了d s p 技术和c a n 现场总线技术，在对d s p 和c a n 总线主流控制芯片分析的基础上，采用美国n 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片和p h i u p 公司生产的c a n 总线控制器s j a l 0 0 0 ，组成总线型的网络监 测系统。对t m s 3 2 0 f 2 4 0 系y i j d s p 与c a n 总线构成的现场局域网及d s p 与远 程计算机组成多级网络结构进行了深入的分析与研究。 针对我国煤矿中存在的问题，本文在全面、细致地分析煤矿监测系统 的发展趋势、可靠性及其特点的基础上，提出一种新的解决方案，即以数 字信号处理器为核心，以c a n 现场总线为现场设备之间的通信网络，以光 纤传感器作为现场监测设备组成监测网络系统。 本文以甲烷为目标气体，研究了基于近红外光谱吸收方法的全光纤传 感器。以s l e d 作光源，以宽带光源差分吸收、谐波检测方法为理论基础， 结合以锁相放大器为核心的微弱信号检测电路实现对甲烷气体的浓度监 测。根据实验室现有的实验条件和仪器设备，对所设计的系统进行了实验 研究，实验结果验证了本设计的可行性。 关键词甲烷；谐波检测：近红外吸收光谱；数字信号处理器；现场总线 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t i nc o a lm i n ep r o d u c t i o n , a l o n gw i t ht h ee x p l o i t a t i o no f c o a ls e a m , u s u a l l y g u s hm e t h a n e c l e a rf i r ew i l ll e a dt og a se x p l o s i o nw h e nt h ev o l u m ep e r c e n to f m e t h a n er e a c h e s3 5 1 6 s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt om o n i t o rt h ed e n s i t yo f m e t h a n ei nc o a li l l i n ep r o d u c t i o n , a n ds e i l s o rw i t hh i g hp e r f o r m a n c ei se s s e m i a l t ot h ea u t o m a t i o na n di n t e l l e c t i o no fm o n i t o r i n gs y s t e mo fm e t h a n e o p t i c a l f i b e rg a ss e n s i n gt e c h n o l o g yi sad e v e l o p i n ga n dn o v e lt e c h n i q u e ，w h i c hh a sa w i d ea p p l i c a b l ep r o s p e c ti ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n ga n d m e d i c a ls c i e n c eb e c a u s eo f i t sq u a l i t yp e r f o f i n a n c e i nt h i sp a p e r ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo f o p t i c a lf i b e rs e i l s o rt e c h n o l o g ya n dt h e a c a d e m i cb a s eo ft h eg a sa b s o r p t i o nm e a s u r e m e n tt h e o r ya l ei n t r o d u c e d 1 1 1 e a b s o r p t i o ns p e c t r u mo fm e t h a n ei se o n f m n e da n dt h es p e c t r ac h a r a c t e r i s t i c s w h i c hi sf i tf o rl i w - l o s so p t i c a lf i b e rt ot r a n s m i tal i n gw a yi sa l s od i s c u s s e d ， a tt h es a m et i m ed s pt e c h n o l o g ya n dc a nt e c h n o b g ya r ei n t r o d u c e d i t m a k e san e t w o r k e dm o n i t o r i n gs y s t e mu s i n gt m s 3 2 0 f 2 4 0a n ds j a l0 0 0b a s e d o nt h ea n a l y s i so fd s pa n dc a n t e c h n o l o g y i ta l s om a k e sp r o f o u n da n a l y s i s a n dr e s e a r c ho f t h en e t w o r km a d e - u pb yd s pa n dc a na n dc o m p u t e r i nt e r mo f t h ep r a c t i c a lp r o b l e mi no u rc o u n t r y sc o l l i e r y ，a f t e ro v e r a l la n d d e t a i l e da n a l y s i so f d e v e l o p i n gt e n d e n c ya n dr e l i a b i l i t yo f t h em i n em o n i t o r i n g s y s t e m , i tp u t sf o r w a r dan e wm e t h o dt o i n s t i t u t em o n i t o r i n gs y s t e m t 1 1 e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fe q u i p m e n ta d o p t sc a nf i e l db u s a n di t sc o r ei s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , a n di t sl o c a lm o n i t o r i n ge q u i p m e n ti so p t i c a lf i b e r n s o r i nt h i sp a p e r , m e t h a n ei su s e da sar e s e a r c hs a m p l c 1 1 1 ep a p e r d e s i g n sa n a l lo p t i c a l f i b e rg a ss e n s o rb a s e do i li l e a l i n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u mm e t h o d u s m gs l e da st h el i g h ts e l 】i c eb a s e do nt h et h e o r yo fw i d es o b r c ed i f f e r e n c e a b s o r p t i o na n dh a r m o n i cd e t e c t i o n ，b e i i l gc o m b i n e dw i t haw e a ks i g n a l a b s t r a c t m e a s u r ec i f c u i tw i t ht h ec o r eo f l o c k - i na m p l i f i e ra n dt h ec i r c u i to f c o m p u t e r s c o n t r o l , t h es y s t e mi sa c h i e v e dt on 蛾u r et h ec o n c e n t r a t i o no f m e t h a n e u s i n g t h ei n s t r u m e n ta n dt h ec o n d i t i o no fl a b o r a t o r y , t h ee x p e r i m e n to f t h ed e s i g n e d s y s t e mi sc a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u k sc o n f i r mt h ef e a s i b i l i t yo ft h e m e a s u r e m e n ts y s t e m k e yw o r d sm e t h a n e ；h a r m o m cd e t e c t i o n ；c a nf i e l db u s ；d s p ；n e a r i n f r a r e d a b s o r p t i o ns p e c t r u m 1 1 1 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文多点光纤甲烷浓度监测 系统的研究，是本人在导师指导下。在燕山大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签字趔亚丽日期：“年1 1 月歹日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 多点光纤甲烷浓度监测系统的研究系本人在燕山大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山大学 所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完 全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕 山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 年解密后适用本授权书。 ) 作者签名： 赵亚丽日期：9 0 占年，月岁日 导师签名： 五五1 司 日期：伽彩年f 月一；日 在 。 ，囱“ 口 密打 密 保内 保 不框方 于 应 属 相 文 上 论 以 位 在 学 请 本 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着现代经济的发展，及时、准确地对易燃易爆、有毒有害气体进行 监测预报和控制已成为当前煤炭、石油、化工、电力等部门急待解决的重 要问题。同时，随着人们生活水平的提高，人们对生态环境的要求也越来 越高，迫切要求实时监测易燃易爆和有毒有害气体，以减少环境污染。 在煤矿中含有大量易燃易爆气体，如果发生事故就会造成巨大的经济 损失，甚至危及矿工的生命i 卜8 】。随着煤矿开采规模的扩大及开采深度的不 断延伸，安全上的隐患也越来越多。瓦斯爆炸事故在煤矿事故中占的比例 也越来越高。因此，研制气体传感系统，并应用于矿井下气体的监测己成 为当今传感技术发展领域的一个重要课题。 甲烷是矿井瓦斯的主要成分，约占8 3 , 一8 9 4 1 。在我国煤矿安全事故 中，瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的5 0 以上。仅2 0 0 3 年3 月到5 月，我国就发生了5 起煤矿瓦斯爆炸特大事故，造成2 3 2 人死 亡，给国民经济和人身安全造成巨大损失，成为实现安全生产的最大障碍 和困扰煤矿安全生产的重大难题。甲烷也是多种液体燃料的主要成分，在 大气中的爆炸限是3 5 一1 6 。同时，甲烷也是温室效应的主要气体之一， 空气中的甲烷浓度每年以1 的速度增长。综上，及时、准确地检测甲烷 气体的产生源、泄漏源及浓度，对于煤矿安全运行、人身安全及环境保护 有着十分重要的作用。 1 2 气体传感器的发展与现状 1 2 1 气体传感技术概况 气体传感按机理可划分为化学法，气相色谱法和与光谱吸收相关的光 谱方法。 l 燕山大学工学硕士学位论文 气敏化学传感器的机理基本上就是敏感体和环境物质间发生一定的物 质交换，从而导致敏感体电导率、晶振频率和电容等电学性质的变化。用 于化学传感器的材料通常是电解质、金属氧化物和高分子聚合物。其转换 检测量基本上有三种，一是检测敏感体因吸附气体分子产生的阻抗变化而 导致的电位变化；二是检测敏感体因吸附气体分子造成质量变化引起晶振 频率变化：三是以检测敏感体作为电容极片时的振荡频率发生变化。 把用吸附剂使物质组分按吸附能力的强弱层析在吸附剂( 色谱柱) 上的 过程称之为色谱法，它与蒸馏、重结晶、溶剂萃取、化学沉淀及电解沉淀 法一样，也是一种分离技术。将充入玻璃管内静止不动的一相称为固定相， 自上而下的一相称为流动相，装有固定相的管子称为色谱柱。流动相载气 进入色谱柱，出色谱柱后进入热传导池。另外有一路气体直接进入热导池， 热导池内有一加热体将两个热敏电阻密闭分开，通过桥式检测电路的输出 可得到气体组分的浓度。 光谱法通过检测样气透射光强或反射光强的变化来检测气体浓度。每 种气体分子都有自己的吸收谱特征，光源的发射谱只有在与气体吸收谱重 叠的部分才产生吸收，吸收后的光强发生变化。b e e r 于1 8 5 2 年提出了吸 光度与介质浓度的关系，即l a m b e r t b e e r 定律 i = i oe x p ( - a l c ) ( 1 - 1 ) 式中 ，是光通过介质吸收后的透射光强；i o 是入射光强；口是介质的吸 收系数；c 是介质浓度；工是光通过介质的长度。 气体传感器是一类特殊的化学传感器，可以用于探测气体种类、测量 气体浓度以及一些气体物理化学特性。传统的气体传感器是基于气体电化 学及物理特性的电气体传感器，例如基于热催化原理，热导原理的气体传 感器等。它们的主要问题是长期稳定性差，易中毒，对外部环境温度、压 力及湿度变化敏感，容易老化。而且电类的传感器很难解决在可燃易爆环 境下以及强电磁干扰下可靠工作问题。气体传感器由于存在可靠性、稳定 性、选择性和灵敏度等一系列问题，因而妨碍其实用化。 经过几十年不断的研究，载体催化元件逐步成熟并占据了矿井瓦斯和 多种可燃可爆气体检测领域的首位。当前国内生产的瓦斯测量仪、报警仪、 2 第l 章绪论 断电仪和遥测仪有近2 0 种，混合可燃气体测量仪，高能燃料报警器和家庭 煤气报警器等至少有4 0 0 个品种的产品。然而现场并不满足目前元件的性能 指标，迫切需要提供更好的元件，其中特别要求进一步提高元件的长期稳 定性和延长使用寿命。另一发展方向是研究抗毒能力强的元件。表1 1 就是 基于各种原理的气体传感器的性能分析。 表1 - 1 气体传感器性能比较 t a b l e1 - 1p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no f g a ss e n s o r 方法灵敏度选择性稳定性可靠性响应速度 半导体非常好差稍差稍差 较快 催化燃烧 良好稍好良好良好 非常迅速 电化学法稍好良好良好良好快 光纤传感器非常好非常好非常好非常好快 从表中可以看出，光纤气体传感器具有选择性好、灵敏度高、稳定可 靠等优点，所以本文采用光纤气体传感技术作为气体检测系统的理论方法。 1 2 2 光纤气体传感技术 利用外界因素使光在光纤中传播时的光强、相位、偏振态及波长等特 征参数发生变化，从而对外界因素进行检测和信号传输的技术即为光纤传 感技术。在通常情况下，光纤传感器由光源、传感或传输光纤、光电检测 器、解调器及信号处理电路等部分组成瞄卅，如图1 1 所示。 图1 - 1 光纤传感器结构图 f i g 1 1 s t r u c t t eo f o p t i cf i b e rs e l l g o r 光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区( 测量区) ，在调制区内 外界被测参数作用于进入调制区内的光信号，使其光学性质如光的强度， 3 燕山大学工学硕士学位论文 波长、频率、相位偏振态等发生变化成为被调制的信号光；再经过光纤送 入光电检测器，光电检测器对进来的光信号进行转换，输出电信号；最后 对电信号进行信号处理得到可用信号，从而获得被测参数。 光纤传感技术在国际上是七十年代后期迅速发展起来的新技术。由于 光纤气体传感器具有体积小、重量轻、电绝缘性好、抗电磁干扰、灵敏度 高、便于利用现有光通信技术组成测量网络等优点，而且它能扩展、提高 传统传感器的性能，在很多情况下能完成传统传感器很难甚至不能完成的 任务，因而受到广泛重视。目前，世界上已有果百种光纤传感器【8 1 9 】。诸如 位移、速度、加速度、压力、流量等物理量都实现了不同性能的光纤传感。 新的传感原理及应用不断出现，传感用的特殊光纤及专用器件、技术的出 现使许多光纤传感器网络代表了光纤传感技术在方法和技术上的发展方 向，即光纤传感技术与光纤通信技术的充分结合而形成的智能结构 1 0 1 2 1 。 目前在大容量、高速率光纤通信中己经和将要应用的时分复用( c t d 8 3 、 波分复用( v d m ) 、以及频分复用( f d m ) 等技术在光纤传感器网络中将得到 同样普遍的应用，从而大大扩展光纤传感器的容量和功能。 光纤气体传感技术是光纤传感技术的一个重要应用分支。近年来，它 在环境监测、电力系统以及油田、矿井、辐射区的安全保护等方面的应用 受到广泛重视。在强电磁干扰环境中对易燃易爆气体的监测更能显示其优 越性。 光纤气体传感器( f i b e ro p t i cg a ss e n s o r ) 也是利用光纤本身作为传感 元件( 传感型) 或附于光纤端的某种材料或结构作为传感介质( 传光型) 将气 体传感信号用光纤传输至信号处理单元。光纤用于气体传感有着其它传感 器不可比拟的优势： ( 1 ) 适合于长距离的在线测量，光纤传输损耗小、体积小、重量轻、柔 软可弯折，化学性质稳定，可将传感探头放入恶劣或危险的环境，由光纤 将信号引出，在远距离安全地带进行遥控遥测。 ( 2 ) 适合于测量易燃易爆气体或工作于易燃环境以及在强电磁干扰环 境，光纤传感器所用光功率一般很低，不像电传感器，电火花可能引起气 体爆炸。 4 第l 章绪论 ( 3 ) 传感单元结构简单，稳定可靠。 ( 4 ) 易于组成光纤传感网络，光纤的巨大带宽使得它可以传输大量信 息。采用空分( s d m ) 、时分( 1 r i ) m ) 以及波分( w d m ) 等多路复用技术【1 4 卅们， 可以使多个光纤传感器共用同一光纤、同一光源和同一信号检测设备，大 大降低系统成本。 目前，光纤气体传感器的研究主要集中在1 啦2 0p m 范围内。气体的 测量种类以及传感器系统成本、性能还受到现有技术条件的限制。随着光 源技术( 如可调谐光纤激光器，宽带大功率辐射光源等) 、探测器技术和光 学滤光技术等的发展，很有可能应用多路复用技术实现多点或分布式传感 或用一个敏感元件同时测量多种气体。红矫光源和光纤的研究和开发，可 将工作波长移到红外( 大于3 “m ) 波段。在这一波段上，许多气体有较强的 吸收峰，因此可望应用较简单的信号处理技术而保持或进一步提高传感器 的灵敏度。 1 2 3 光纤气体传感器的分类 般用于气体浓度的测量光纤传感器的主要原理是基于与气体物理或 化学特性相关的光学现象或特性。用于气体测量的光纤技术相当丰富，各 种光纤气体测量装置种类繁多。下面是几种主要的光纤气体传感形式1 1 7 1 ： ( 1 ) 吸收型光纤传感器利用气体在石英光纤透射窗口( 0 8 1 7p 脚) 内 的吸收蜂测量。根据b e e r - l a m b e r t 定律，由气体吸收产生的光强衰减，可 以计算出气体的浓度。常见的气体( c o 、c h 4 、c ：i - - h 、n 0 2 、c 0 2 ) 在石英光 纤透射窗口都有泛频吸收线，在这一波段发光器件和接收器件都是比较理 想的光电转换器件。用这种方法可以对大多数的气体浓度进行较高精度的 测量。 利用吸收墅的气体传感器的一大优点是具有简单可靠的气室结构，两 且只需要调换光源，对准另外的吸收谱线，可以用同样的系统来检测不同 的气体。光谱吸收型气体传感器是应用最为广泛的一类气体传感器。依据 信号检测方法的不同，还可以细分为许多类型。 光谱吸收型光纤气体传感器是研究得最多并接近于实用化的一种气体 s 燕山大学工学硕士学位论文 传感器，它采用的是普通光纤或多模光纤。这种传感器由光源、气室，双 波束或双波长的光路以及信号处理4 个环节组成。光源通常采用半导体光 源，包括发光二极管、激光二极管和分布反馈式半导体激光器( d f bl d ， d i s t r i b u t e df e e d b a c kl a s e rd i o d e ) ，极少数情况下采用连续光源和气体激光 器( 如c o = 激光器) 。采用半导体光源的原因是其驱动电路简单、易与光纤 耦合、体积小、功耗低、寿命长、成本低等。气体吸收路径是影响检测气 体灵敏度的一个重要因素，其结构大致可分为单光程吸收透射检测和反射 ( 包括怀特腔多次反射) 检测2 种，怀特腔的多次反射增加了吸收路径长度， 检测灵敏度可以较大幅度地提高，但实际上因多次反射会造成耦合状态易 受振动影响的后果，因此无实际意义。光路结构一般有单光束、双光束、 双波长3 种基本形式，双光束、双波长方法用以消除光源老化、光功率不稳 定因素。在信号处理上亦有直流光强检测、锁相检测和谱相关检测3 种基本 形式。由于光源受温度影响易造成光功率、光波长漂移，所以在实际检测 中，多采用光强调制锁相检测的方法，通过调制来有效地抑制白噪声。 ( 2 ) 渐逝场型光纤气体传感器渐逝场光纤传感是利用光纤界面附近 的渐逝场被气体吸收峰衰减来测量气体浓度的方法，是一种功能型光纤传 感器。从本质上说，可以认为是一种特殊的光纤光谱吸收型传感器。对于 光纤中的导模，可以认为光在光纤芯子和包层的界面上发生全反射。这时 在包层中出现渐逝场，它的电场振幅随着离光纤芯子的距离的增大作指数 衰减。在某种情况下，例如渐逝场区域内的包层部分被吸收型介质( 如被测 气体或染料指示剂) 代替，这时部分渐逝波被这种介质吸收而发生衰减，对 导模来说，它在芯子和包层界面的反射系数将会小于1 ，最终导模将发生衰 减。 一种典型的光纤渐逝场气体传感器是将普通光纤的包层去掉一部分形 成所谓d 型光纤( d f i b e r ) ，使得包层中的一部分光波能量处于环境中，待测 气体与渐逝场中的光波相互作用产生吸收从而使出射光强发生变化。它采 用宽带边发射发光二极管e l e d ( e d g e e m i t t i n gl i g h te m i t t i n gd i o d e ) ，在接 收光路中加一个f p 腔来滤波，f - p 腔的中心波长和甲烷的一条r 支吸收线 重合，因此可以从f - p 腔后的二次谐波中提取浓度信息。但实验研究结果并 6 第1 章绪论 不理想，其纯甲烷的最小可检测浓度只有4 0 。 ( 3 ) 荧光型光纤气体传感器这是一种通过测量与气体相应的荧光辐 射来确定其浓度的光纤气体传感器。荧光可以由被测气体本身产生，也可 以由与其相互作用的荧光燃料产生。荧光物质吸收光谱中特定波长的光照 射，被测气体的浓度既可以改变荧光辐射的强度，也可以改变其寿命。 和吸收型光纤气体传感相比，荧光型传感器传感所用波长( 荧光波长) 不同于激励光波长。由于不同荧光材料通常具有不同的荧光波长，因此荧 光传感器对被测量的鉴别性好。实际上希望辐射波长和激励波长离开得越 远越好，在输出端可用廉价的波长滤波器将激励光和传感光分开。通常希 望激励波长在可见光或近红外区，这一波段上光源技术成熟，价格也低廉。 最简单的荧光传感机理是测量某一固定波长上的荧光强度。另一类可 用于气体的荧光传感器是基于气体对荧光辐射“动态熄灭”。被测量和荧光 物质的受激态作用，导致荧光强度的降低和荧光寿命的缩短。其荧光辐射 可用斯德恩沃尔玛( s t e r n - v o l m e r ) 方程来描述，即 i | l o = h o = k + cq 一2 j 式中，、厶、f 、f 0 分别为有和没有熄灭物质时的荧光强度和寿命；c 为 被测气体的浓度；k 为s t e r n - v o l m e r 常数。 从式f 1 2 ) 可见，无论测量荧光辐射的强度还是寿命，均可以得到气体 的浓度信息。相对来说，荧光寿命的测量比较复杂，但不会受染料浓度变 化的影响，光源光强的变化也不会影响测量结果。测量荧光寿命通常有脉 冲时延法和相移法2 种方法。限制荧光气体传感的主要因素是信号微弱，使 得检测系统复杂，因而系统成本较高。 ( 4 ) 染料指示剂型光纤气体传感器一些气体在石英光纤低损耗窗口 内没有较强的吸收峰，或者虽有吸收峰但相应波长的光源或检测器不存在 或太昂贵，解决这些问题的方法之一是应用染料指示剂作为中间物来实现 间接传感。染料与被测气体发生化学反应，可使染料的光学性质发生变化， 利用光纤传感器测量这种变化，就可以得到被测气体的浓度信息。最常见 的染料指示剂型光纤气体传感器是p h 值传感器，一些染料指示剂( 如石蕊 或酚酞试纸) 的颜色会随着p h 值的变化而变化，从而引起对光的吸收的变 7 燕山大学工学硕士学位论文 化。通过测量某些气体浓度变化带来的p h 值变化，就可以分析气体的浓度 信息。不少气体( 如氮气，二氧化碳) 的浓度可以通过测量相应溶液的p h 值 来确定。其优点是体积小，结构简单。缺点是鉴别性差，难以作为气体鉴 别的唯一依据。作为成本低廉的一类传感器，近年来它的发展主要集中在 选择新的染料指示剂，研究新的传感探头。 ( 5 ) 折射率变化型光纤气体传感器利用某些材料的体积或折射率对 气体敏感的特性，将之代替光纤包层或涂敷于光纤表面，通过测量折射率 变化引起的光纤波导参数( 如有效折射率、双折射和损耗的变化) ，一般用 光强检测或干涉测量手段可以得到气体浓度。原理上是利用气体引起的折 射率或光程的办法引起干涉，形成m i c h e l s o n 干涉仪、m a c h - z e l m d e r 干涉仪、 f e b r y - p e r o t - 干涉仪等。通过测量干涉仪输出光强度的变化来得到气体的浓 度信息。利用单模光纤测量气体的m a c h - z e h n d e r 干涉仪的原理测量臂单模 光纤的包层被剥去，在其表面涂上一层对气体敏感的聚合物。气体与测量 臂上的聚合物发生作用改变单模光纤的有效折射率，从而在两臂的光信号 之间形成一个相位差中，使得测量输出光强成为相位的函数，可以通过 相位检测来检测气体浓度。 ( 6 1 多点复用型光纤气体传感器光谱吸收型光纤气体传感器的理论 与技术已经相当成熟，最方便可靠的光源是分布反馈式( d f b ) 激光器，在 通信波段的分布反馈式激光器由于市场需求大，可进行批量生产，成本下 降很快。但在气体传感波段，不同的气体有着不同的吸收峰，需要不同的 d f b 激光器或其他可调谐激光器，使整个系统成本居高不下。光纤气体传 感器与激光气体光谱检测技术相比一个重要的优势就是易于实现复用，利 用光纤局域网技术，把多个传感器连成一个复杂的传感网络。大气污染检 测和工业过程控制都要求多点，而且由于大量降低了连接光纤的数量，复 用简化了系统光源以及信号检测处理系统，因此系统可靠性也大大增强。 光纤传感器的复用按其工作原理可分为：时分复用t d m ，频分复用 f d m ，码分复用c d m ，波分复用w d m 以及串连的光时域反射o t d r 等技 术。从网络拓扑结构来说可分为星型网络，环形网络，梯形网络，树型网 络及线性阵列型网络等。光纤传感器的复用技术利用了已经研究数十年的 8 第1 章绪论 光纤局域网技术，从基本原理上大部分技术已经成熟，由于光纤传感技术 为满足不同的应用要求，工作原理，实现方案千差万别。 以上是光纤气体传感器的简单分类，实际上某些气体传感器可能是几 种类型的组合。光谱吸收型光纤气体传感技术结合现代光纤技术，与其他 的光纤气体传感器相比，基于气体吸收谱测量的光谱吸收型气体传感器具 有相当高的测量灵敏度，极高的气体鉴别能力，响应速度快，抗温度、湿 度等环境干扰能力强，简单可靠的气体传感探头( 气室) ，及易于形成网络 等优点，是目前最有前途的和接近实用化的一种光纤气体传感技术。结合 本课题的实际情况，考虑到系统适用的环境是易燃易爆的恶劣条件，拟采 用近红外光谱吸收式光纤气体传感方法对甲烷气体进行测量。 1 2 4 吸收式光纤气体传感器的发展 吸收式光纤气体传感技术是光谱分析技术与现代光纤技术相结合的产 物，它将以前主要用于实验室气体分析的光谱分析技术发展为对气体的在 线监测仪器。利用光纤的特点，使光谱分析技术在探测灵敏度、远程遥测、 多点网络化测量方面有一个飞跃。 由于气体的吸收反应了气体分子或原子在各种可能的能级之间的跃 迁，可以直接给出气体分子的结构信息，因此可以用来鉴别不同的气体种 类。许多工业或环境气体如甲烷、丙烷、乙炔、二氧化碳、氨气等在中红 外波段( 2p m 1 0p m ) 有本征吸收，这个波段远远超出了石英光纤的透射窗 n ( o 8 肛m 1 7p m ) ，所以在吸收型光纤气体传感器中，一般利用气体在石 英光纤透射窗口内较弱的泛频吸收线，尽管这类泛频谐波谱的吸收远小于 本征吸收，但由于光纤对这些波长的衰减极低，所以只要探测系统的灵敏 度相当高，就可以得到很好的检测结果。 国外对吸收式光纤气体传感技术的研究起步较早。最早应用光谱吸收 式光纤传感技术进行气体浓度测试研究的是日本t o h o k u 大学的h i n a b a 和 kc h a n 等人，他们在光纤透射窗口波段范围内，作了一些气体传感的基本 研究。1 9 7 9 年，他们提出利用长距离光纤进行大气污染检测。1 9 8 1 年，他 们又报道了光纤二氧化氮气体浓度的检测实验。利用二氧化氮在4 0 0n n l 处 o 燕山大学工学硕士学位论文 和8 0 0n n l 处的较宽吸收峰，用l e d 作光源进行二氧化氮的吸收测量。与此 同时，他们还进行了光纤化的甲烷气体浓度测量实验研究。1 9 8 3 年，他们 用l e d 作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在13 3 1 2n l n 附近的q 线进行检测，该系统中的气室长度为o 5m ，传输光纤为l ok m 长的多模光 纤，接受元件采用千冰和甲醇混合制冷的锗探测器，系统最小可探测灵敏 度为2 5 l e l ( 气体爆炸下限) 。其后，1 9 8 5 年，h i n a b a 和k c h a n 及h i t o 等 人又用t n g a a s 材料l e d 作光源对准甲烷在1 6 6 5 4n n l 处的谐波吸收峰，采用 同样的系统，由于在l6 6 5 4b i n 处的谐波吸收峰吸收强度较13 3 1 2n l n 处大 一倍，因此系统最小探测灵敏度提高了一倍。另外，该研究所也对一些可 燃易爆的有机分子气体如c 3 h s 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 和c 4 h i o 的光纤远程测 量进行了实验。 1 9 8 7 年，j p d a m n 和c a w a d e 等人报道了一种利用梳状滤波器和宽 带光源( l e d ) 测量甲烷气体浓度的方法。这种方法适合于甲烷和乙炔等具 有梳状吸收峰的气体。宽带入射光可覆盖一族气体吸收峰，通过气体吸收 后，光谱被调制为梳状，一般来说，气体吸收引起的输出光功率变化的大 小决定了系统的测量灵敏度。由于气体吸收峰很窄，吸收强度小，因而相 对光功率的变化也小，测量精度不高。利用一个和气体吸收峰相匹配的梳 状滤波器，气体吸收引起的相对输出光功率变化将会大大提高，检测效率 可得到改善，测量灵敏度也有近十倍的提高【l ”。 由于看到了探测可燃气体巨大的商用前景，许多公司也加入到光纤气 体传感的研究上来。八十年代末到九十年代初，一系列传感用的分布反馈 式( d f b ) 激光器已经研制出来，光纤气体传感器精度又有了提高。1 9 8 8 年， a m o h c b a t i 和t a k i n g 用1 3 3g m 的i n g a a s p 多模激光器测量了甲烷气体的 浓度，采用波长差分吸收法，室温下可以测量最小灵敏度可达10 0 0p p m 。 1 9 9 0 年，h t a i 和k y a m a m o t o 等利用1 6 6 岬单模分布反馈式( d f bl d ) 半导 体激光器【1 9 1 ，采用了波长( 频率) 调制的谐波检测方法，室温下检测甲烷气 体浓度，最小可探测灵敏度可达2 0p p m 。这一系统将可调谐半导体激光光 源( d f bl d ) ，波长调制谐波检测和光纤技术结合起来，获得了很高的探测 灵敏度。在以后的很长一段时间内，沿着这种技术方向，又有一些光纤气 1 0 第1 章绪论 体探测系统被报道出来。d f b 激光器可检测的气体种类也越来越多。 1 9 9 2 年， l t a i 给出了采用两个d f bl d 光源组成一个复合光源，在同 一个光纤传感系统中同时测量甲烷和乙炔的实验系统。这个系统中的传输 光纤长4k m ，气室长1 0c m ，检测系统采用波长调制的谐波检测技术，甲烷 的最小可探测灵敏度为5p p m ，乙炔的最小可探测灵敏度为3p p m ，气体闻 的串扰很小，可以忽略1 2 0 1 。这是一种传感器的复用方法。v w e l d o n 在1 9 9 3 年和1 9 9 4 年分别报道了采用一个1 6 4 肛m 可调谐d f b 激光器同时测量甲烷 和二氧化碳及一个1 5 7i l m 可调谐d f b 激光器同时测量硫化氢和二氧化碳 气体的实验研究【2 1 0 2 1 。系统最小探测灵敏度都优于1 0p p m 。 在窄带光源用于气体传感取得高灵敏度的同时，宽带光源系统也有一 些突破。1 9 9 3 年，靳伟博士和g s t e w a r t 报道了用宽带光源结合可调梳状滤 波器的波长调制谐波检测技术。通过对甲烷气体的检测，最小探测灵敏度 为2 0p p m ，达到热光光源的理论极限1 2 ”。 此时，为了光纤气体传感技术的工程应用，人们更加关注气体传感的 噪声分析。通过对谐波检测技术的分析，有人提出了优化谐波检测技术参 数的方法。靳伟博士和g s t e w a r t 对气体传感中相干噪声的来源及消除方法 进行了深入的研究。其中g s t e w a r t 建立了光纤气体传感头端反射噪声的模 型，而靳伟博士则提出了光纤气体传感系统中反射相干信号的更普遍模型， 并且给单点气体传感器做了比较全面的噪声误差分析，给出了理论极限。 1 9 9 8 年，英 s t r a t h c l y d e 大学的g s t e w a x t 报道了一套利用空分复用方 式工作的多点光纤气体传感系统。原理比较简单，相当于多套光纤气体传 感系统共用一个光源。实验结果显示在复用数量不多的情况下，它的精度 与单点系统相当。但是它要用多个光检测器和信号处理设备，因此成本较 高，且空间有限，没有达到最佳性价比。1 9 9 9 年，香港理工大学的靳伟博 士对t d m 技术用于光纤气体传感进行分析，给出了一个理论模型，对复用 数量和灵敏度作出了理论预测。其后，他的学生h o i ，实现了一套t d m 复 用的多点光纤传感系统，实验结果与理论预测相符合。至u 2 0 0 0 年，m i h a z a v r s n i k 报道了基于相干复用的串联光纤气体传感复用系统。这可以说是 目前多点光纤气体传感网络系统的最简单结构，但由于串联系统本身固有 1 l 燕山大学工学硕士学位论文 结构的限制，这个系统的各传感单元串扰复杂，测量数目及测量灵敏度都 不太高m j 。 国外对基于光谱吸收式光纤气体传感方面进行了大量研究，形成了比 较有效的方法，但由于成本和工艺等问题，形成光纤气体测量仪器方面的 报道很少。 国内吸收型光纤气体传感方面的研究起步较晚，始于8 0 年代末。基于 d f b 激光器的成本因素，国内吸收式光纤气体传感器的研究主要是以l e d 作光源。1 9 8 9 年，西安光机所郭栓运等在应用光学杂志上介绍了差分光谱 光纤气体传感器的基本原理，列举了一些具体应用实例瞄1 。 1 9 9 7 年，山东矿业学院的曹茂永等对吸收光谱式光纤瓦斯传感器的参 数设计进行了探讨。在简述光纤瓦斯传感器原理的基础上，利用差分吸收 法消除光源不稳定及光电器件的温漂、时漂对测量准确度的影响，并介绍 了采用函数拟合和线性插值进行线性校i e 2 6 1 。 1 9 9 8 年报道了大连理工大学刘文琦等，用1 3 1r t mi n g a a s p 型l e d 作光 源对甲烷气体进行了光纤传感研究。为了获得更大的光强变化量，他们在 气室中采用了纳米级多孔透射膜，来增加气体的传感长度，增加检测灵敏 度，从而使光纤传感器对甲烷有较高的灵敏度、选择性和可逆性【2 ”。 2 0 0 0 年，浙江大学叶险峰博士用中心波长为1 3i t m 的l e d 作光源，配 合闪耀光栅对c h 4 气体进行了检测实验，检测灵敏度为13 0 0 p p m 。同时对 分别用分布反馈激光二极管、垂直腔面发射激光器以及其他单频器件做光 源的激光气体传感方法进行了研究实验f 2 s 】。 2 0 0 1 年，吉林大学的王一丁等基于朗伯比尔吸收定律，设计了具有新 型光路和电路结构的便携式红外c h 4 气体检测仪。该仪器具有智能化、低 功耗和低成本等特点，可以应用于矿山、冶金、化工、石油、机械等工业 和环境保护中【2 9 1 。 2 0 0 2 年中科院安徽光学精密机械研究所的齐峰和刘文清利用多层自适 应线性人工神经网络实现差分吸收光谱带宽的扩展，提高了测量精度，在 大量的实验中获得了良好的结果【3 0 】。 2 0 0 3 年，武汉理工大学的刘泉教授等人，根据乙炔气体的光谱吸收特 1 2 第1 章绪论 性，提出了一种带有参考通道的光纤乙炔气体在线实时检测系统。该系统 采用l e d 做光源，l n g a a sp i n - - 极管作为光电探测器【3 ，在设计过程中采 用了双光源、双光路、双气室结构，并给出了该乙炔光纤气体浓度检测系 统实验结果。 由于光纤气体传感器研究还只是局限于实验室，它的发展还存在许多 不足：其一是气体检测种类有限，原因是光源波长的覆盖范围有限，要突 破检测气体种类的局限还有待于新型廉价光源及低损耗光纤的开发。其二 是光纤气体传感器的完全实用化，要做到这一点，一是要开发廉价、具有 竞争力、实用的传感装置，采用新型的现代光学器件使结构紧凑、性能稳 定灵敏度高。二是研究开发微弱信号检测技术，保证信号检测电路实用廉 价。三是采用计算机技术实现智能化，探索在单根光纤或少数几根光纤上 实现多参数同时检测，制成小型多功能光纤检测仪器。 1 3 课题研究的目的和意义 我国矿产丰富，矿业生产中，实时检测瓦斯气体含量、防止爆炸已成 为人们越来越重视的一个安全问题。为了有效检测与控制瓦斯事故及其污 染，必须设置能在线实时快速检测甲烷浓度的设备。本课题的研究和开发 符合国民经济的发展和需求，检测易燃易爆、有毒有害气体的光纤传感系 统的开发与研制有着广阔的应用前景。 由于传统的甲烷探测器在贩理上都有无法克服的缺点，如气敏元件制 作的甲烷检测仪响应时间较长( 大于3 0 秒) ，反应慢，探测范围小，精度低； 光学干涉仪的使用者必须置身于有甲烷气体的环境中，危险性大；气相色 谱仪则只能把气体采集到实验室中才能检测，无法进行野外操作。所以需 要研制一种新型的探测器。 本课题提出的将光纤传感技术、数据处理技术和现场总线技术相结合 的光纤气体监测系统，不仅可以用于矿井易燃易爆气体的监测，还可以实 时在线监测工业环境危险气体的泄漏，同时也可以用于大气污染监测，因 此本系统在多种气体测量领域有着广阔的应用前景。本研究为我国气体浓 度的快速准确测量提供了新的思路，对发展我国科学仪器产业也有促进作 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 用，具有重要的现实意义和应用市场。 1 4 课题的来源及主要内容 本课题来源于河北省自然科学基金资助项目：光谱吸收式环境气体污 染差动光纤传感机理及系统的理论与实践研究，( 项目编号：6 0 0 2 2 7 ) 。其 主要研究内容如下： ( 1 ) 研究比较了各种气体浓度检测方法和监测系统，选用近红外光谱吸 收法监测甲烷气体浓度。 ( 2 ) 分析了甲烷吸收光谱和s l e d 光源特性，确定与甲烷强吸收谱线相 匹配的光源，并讨论了光源的恒温恒流控制系统。 ( 3 ) 在现有光纤探头技术的基础上，研究探讨了采用基于非球面光纤准 直器的小型化光纤瓦斯探头技术。 ( 4 ) 探讨了利用现场总线技术、d s p 数据处理技术和计算机控制技术的 光纤甲烷浓度监测系统网络系统的实现方法。 1 4 第2 章吸收式光纤甲烷浓度检测技术 第2 章吸收式光纤甲烷浓度检