（机械电子工程专业论文）地铁隧道瓦斯光纤传感检测系统的研制.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 瓦斯是发生在诸如煤矿、地下交通枢纽等领域的重大灾害的根源之一。地 层中若存在瓦斯就会严重威胁地铁隧道施工及后续运营安全。目前，国际国内 瓦斯检测技术及监测目标主要是针对煤矿，基本上没有针对地铁系统的。而地 铁枢纽瓦斯检测与煤矿瓦斯检测有很大的不同。实时准确地检测地铁隧道施工 及运营期间的瓦斯浓度对保障安全生产具有十分重要的意义。 本文基于气体近红外光谱吸收原理，研究设计国内第一条针对地铁隧道瓦 斯光纤传感检测系统、进行了实验，以达到光纤瓦斯传感器在地铁隧道施工及 运营应用的目的。本文重点针对甲烷气体的检测进行了研究，并研制出四通道 瓦斯光纤传感器、光学探测器；分析计算杭州地铁隧道瓦斯的分布状况和浓度； 设计了杭州地铁隧道瓦斯检测探头布设、安装等工程图纸。实现对杭州地铁隧 道施工及运营期间瓦斯浓度的实时测量、超限时声光报警等功能。 本文的主要工作包括以下几个方面： 1 ) 研究了基于光纤传感的可调谐半导体激光吸收光谱技术工作原理，采用波 长调制技术和二次谐波检测技术以提高检测灵敏度。 2 ) 在理论分析的基础上，进行了光路和电路设计。在光路设计上，本文将检 测系统传感器仪表部分和探头部分设计为分离式，一台传感器仪表用光纤 连接四个本质安全的光学探头；大大降低了成本：适合地铁系统瓦斯长距 离、多点检测要求。在电路设计上，本文设计了一种基于模拟乘法器m l t 0 4 的锁相解调电路，消除了因光纤传输延时和电路自身延时所产生的待测信 号和参考信号相位差的影响。 3 ) 针对地铁隧道环境，对传感器光学探头的结构进行了特别设计，采取了防 尘、防水措施；使该探头基本免调校以满足地铁运营期间的特殊要求。 4 ) 对系统仪表进行结构可靠性、环境温度稳定性和检测性能等相关实验，使 其能更好地应用于地铁隧道施工及运营期间瓦斯的实时检测。 5 ) 从理论上分析计算杭州地铁一号线运营期间隧道瓦斯的分布状况和浓度。 6 ) 针对杭州地铁双线隧道研究了检测探头的布点间距；设计了详细的探头布 设、安装等工程图纸。 关键词：地铁隧道瓦斯，光纤气体传感器，光谱吸收，可调谐半导体激光技术， 探头布设 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a si so n eo ft h es o u r c e sw h i c ha l et h em a j o rd i s a s t e rs u c ha sc o a lm i n ea n d u n d e r g r o u n dt r a n s p o r th u b i fs t r a t u mh a v eg a st h a tw o u l db eas e r i o u st h r e a tt ot h e s u b w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o na n di t sf o l l o w i n gs a f e a tp r e s e n t ，i n t e r n a t i o n a la n d d o m e s t i cg a sd e t e c t i o na n dm o n i t o r i n go ft a r g e t sa r em a i n l yf o rc o a l ，a n dr a r e l yf o rt h e s u b w a ys y s t e m h o w e v e r , t h eg a sd e t e c t i o nb e t w e e ns u b w a yh u ba n dm i n ea r ev e r y d i f f e r e n t t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt om e a s u r et h e d i s t r i b u t i o no fm e t h a n e c o n c e n t r a t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fs u b w a yt u n n e li nr e a l - t i m e b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fg a sn e a r - i n f i a r e ds p e c t r a la b s o r p t i o n , t h i sa r t i c l e d e v e l o p st h ef i r s to p t i c a lf i b e rg a ss e n s o rd e t e c t i o ns y s t e mf o rd o m e s t i cs u b w a y t u n n e l ，d e m o n s t r a t et h a tt h es y s t e mc a nb ea p p l i e di nt h es u b w a yt u n n e lf i e l d i nt h i s a r t i c l ew ef o c u so nt h er e s e a r c ho ft h ed e t e c t i o no fc h 4 ，a n dd e v e l o pt h e f o u r - c h a n n e lf i b e r - o p t i cg a ss e n s o r sa n do p t i c a ld e t e c t o r ；a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n h a n g z h o um e t r ot u n n e lg a sd i s t r i b u t i o na n dc o n c e n t r a t i o n ：d e s i g nt h ee n g i n e e r i n g d r a w i n g ss u c ha sg a sd e t e c t o rl a y o u ta n di n s t a l l a t i o n i tc a l lb em e a s u r e dm e t h a n e c o n c e n t r a t i o nd u r i n gt h ep e r i o do fs u b w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o na n df o l l o w - u p o p e r a t i o n b e s i d e s ，i tc a n b ea l a r m e da tt h et h r e s h o l do fl i m i t a t i o n t h em a i n w o r ki nt h i sa r t i c l ei n c l u d et h ea s p e c ta sf o l l o w s ： 1 ) s o m er e s e a r c hw e r e d o n eo nt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ef i b e ro p t i cs e n s o rw h i c h b a s e do nt u n a b l ed i o d el a s e ra b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y b e s i d e s ，u s et h ew a v e l e n g t h m o d u l a t i o na n d s e c o n dh a r m o n i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yt oi m p r o v ed e t e c t i o n s e n s i t i v i t y 2 ) a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h el i g h tp a t ha n dc i r c u i tw e r ed e s i g n e d i n t h el i g h tp a t hd e s i g n , w ed e s i g n e dt h es y s t e ms e n s o ra n dd e t e c t o rt os e p a r a t e d i t m e a n so n es e n s o ri n s t r u m e n tc o n n e c t e df o u ri n t r i n s i cs a f e t yd e t e c t o rb yo p t i c a l f i b e r t h e r e f o r e ，i tr e d u c e st h ec o s t ，a n di ss u i t a b l ef o rs u b w a yg a sd e t e c t i o n s y s t e mw h i c hh a sl o n gd i s t a n c e ，m u l t i - p o i n tt e s t i n gr e q u i r e m e n t s i nc i r c u i t d e s i g n , w ed e s i g n e dap h a s e - l o c k e dd e m o d u l a t o rc i r c u i tw h i c hb a s e do na n a l o g m u l t i p l i e rm l t 0 4 ，a n dt h ep h a s el o c k e da m p l i f yc i r c u i te l i m i n a t et h ee f f e c t so f 武汉理工大学硕士学位论文 t h ep h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et e s ts i g n a la n dt h er e f e r e n c es i pw h i c hc a u s e s b yt h ed e l a yo ft h eo p t i c a lf i b e rt r a n s m i s s i o na n dt h ec i r c u i ti t s e l f 3 ) i nv i e wo fw o r k i n ge n v i r o n m e n tf o rt h es u b w a yt u n n e l ，t h es t r u c t u r eo ft h e s e l l s o r s o p t i c a ld e t e c t o rw a sd e s i g n e ds p e c i a l l y , a n da d o p t e dd u s t - p r o o fa n d w a t e r p r o o fm e a s u r e s t h eo p t i c a ld e t e c t o rb a s i c a l l yd on o tn e e dt oa d j u s t ，s ot h a ti t s a t i s f i e sf o rt h es p e c i a lr e q u i r e m e n t sd u r i n gt h em e t r oo p e r a t i o n 4 ) s o m ee x p e r i m e n t sw e r ed o n e ，s u c ha ss t r u c t u r a lr e l i a b i l i t y , t e m p e r a t u r es t a b i l i t y a n dd e t e c t i o np e r f o r m a n c ea n ds o0 1 1 s oi tc a nb eb e t t e ru s e di ng a sd e t e c t i o n d u r i n gt h ep e r i o ao fs u b w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n 5 ) a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w eh a dc a l c u l a t e dg a sd i s t r i b u t i o na n d c o n c e n t r a t i o nd u r i n gt h eo p e r a t i o np e r i o do f h a n g z h o un o 1m e t r o 6 ) a c c o r d i n gt ot h et w o - l a n et u n n e lf o rh a n g z h o un o 1m e t r o ，w eh a di n v e s t i g a t e d t h ed i s t a n c eo fd e t e c t o rd i s t r i b u t i o n , a n dd e s i g n e dt h ed e t a i l ee n g i n e e r i n g d r a w i n g ss u c ha sg a sd e t e c t o rl a y o u ta n di n s t a l l a t i o na n ds oo n k e y w o r d s ：s u b w a yt u n n e lg a s ，o p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r s ，s p e c t r u ma b s o r p t i o n , t u n a b l ed i o d el a s e ra b s o r p t i o nt e c h n o l o g y ，d e t e c t o rd i s t r i b u t i o n m 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 武汉理工大学或其它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的说 明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 学位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： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生c 签名，：会兰多导师c 签 期：堡匀 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 瓦斯是某个特定作业过程中或者特定环境中各种有害气体的总称，比如煤 矿开采的过程中就会出现瓦斯伴生物。同时若干万年的地质运动中也经常出现 含有瓦斯的岩土层；其主要成分是甲烷( c i - 1 4 ) 、一氧化碳( c o ) ，并含少量氮 气、二氧化碳等烃类；在这些有毒有害气体中，甲烷的含量大于8 5 ，故人们 习惯上将甲烷( c i - h ) 称为瓦斯【l 】。瓦斯是一种无色、无味、无臭的气体物质， 当瓦斯在空气环境中的浓度增大时，将导致空气环境中的氧气含量降低，从而 有使人窒息的危险性；当空气环境中的瓦斯气体含量达到4 0 以上时，就导致 人立刻死亡【l j 。而在新鲜空气环境中，当瓦斯浓度达到5 1 6 时，如果遇有 明火或者引燃引爆物，就会发生猛烈的爆炸或燃烧。 地铁即是城市交通枢纽的重要组成部分，又是一个城市现代化程度的重要 标志之一。然而城市地下的地质构造相当复杂，在若干万年的地质运动过程中， 岩土层中的有机质经厌氧茵等生物物质的生物化学作用就会产生瓦斯气体，经 过运动、转移、聚集、存储在特定的岩土层中，逐渐形成了许多岩土层气藏。 岩土层中如果存在瓦斯就会严重威胁地铁隧道的施工安全和后续地铁系统 的运营安全；当地铁隧道旌工过程中接近或开挖含有瓦斯的岩土层时，瓦斯就 会以较高扩散速度扩散并涌入地铁隧道，从而带来巨大的危险，一旦发生瓦斯 燃烧或者爆炸，后果将难以设想 2 1 。虽然通过含煤地层的铁路隧道早有示例，但 在含有瓦斯岩土层区间修建隧道，国内外还较为少见；瓦斯在岩土层中赋存条 件、形成方式、储量大小等都与含煤层中的瓦斯有比较大的区别；近年来国内 上海、广州等城市以及国外的日本在隧道施工过程中都曾发现存在瓦斯，除上 海市地铁因为修改设计线路而未发生事故以外，广州市和日本都曾发生过一些 瓦斯爆炸事故团。杭州地铁地质勘察和隧道施工中也发现岩土层中含有瓦斯，根 据浙江省地质勘察院提供的勘察数据显示，其中仅杭州地铁一号线就有1 3 个车 站区间土层含有一定压力的瓦斯气体。 武汉理工大学硕士学位论文 避免隧道施工和运营过程中瓦斯事故的一个重要措施就是要做好瓦斯的相 关检测工作，提前掌握该环境下瓦斯的变化情况，使得一旦出现瓦斯现象异常， 就及时采取相应的措施，以保障安全施工和运营。因此，研究和开发响应速度 快、长期运营稳定可靠的瓦斯气体检测仪器仪表，对保证地铁隧道施工和运营 安全，减少事故发生、生命财产损失有着极其重要的意义。 1 2 瓦斯气体检测技术概述 鉴于瓦斯的主要成分为甲烷( c h 4 ) 气体，因此可以将瓦斯的检测转化为对 甲烷( c h 4 ) 气体的检测。一般来说，一个相对完整的甲烷气体检测仪器仪表同 普通气体检测仪器仪表一样，主要由三个基本部分组成：气体传感部分，即感 知被测环境中某种气体及其浓度的设备装置或者特定器件，它把被测环境中气 体种类及浓度相关的信息转换为另外一种常见的信号，比如电信号；信号处理 部分，根据被测量的信号，采用一些特定的算法计算出待测气体浓度；人机界 面及通信部分，当信号处理器计算出被检测气体浓度信息后，就通过人机界面 和通信接口与外界交流检测结剁3 1 。 瓦斯气体传感部分是瓦斯气体检测仪器仪表的关键部分，根据其原理可将 其分为五大类：半导体瓦斯气体传感器、电化学瓦斯气体传感器、载体催化燃 烧瓦斯气体传感器、光干涉型瓦斯气体传感器、光纤红外光谱吸收瓦斯气体传 感器等【4 j 。 ( 1 ) 半导体瓦斯气体传感器原理 半导体气体传感器的原理是利用环境气体在半导体气敏材料表面所进行 的吸附或反应作用而引起元件电信号的变化来进行检测的化学传感器，半导体 气敏元件电信号变化特性的不同或变化量的不同可用来区别不同的气体或气体 浓度【5 】o 由该原理制成的瓦斯气体传感器灵敏度较高、响应迅速一般，具有一定的 选择性、结构简单、使用方便、价格低廉等优势；但这种传感器在测量时受环 境影响较大；并且线性、互换性、重复性、稳定性等方面一直存在严重问题。 ( 2 ) 电化学瓦斯气体传感器原理 电化学类气体传感器是通过与目标气体发生化学反应并产生与气体浓度 成正比的电信号来确定气体浓度信息的传感器【6 1 。该类气体传感器包括：电位电 2 武汉理工大学硕士学位论文 解式、固体电解质等种类的气体传感器；电化学传感器通常对其目标气体具有 较高的选择性，选择性的程度取决于传感器类型、目标气体以及传感器要检测 的气体浓度【7 h 引。 ( 3 ) 载体催化燃烧瓦斯气体传感器原理 载体催化燃烧瓦斯气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件 和补偿元件配对构成测量电桥，当遇到瓦斯气体时，瓦斯气体在检测元件载体 附着催化剂的作用下迅速发生化学无焰燃烧【9 】。这将使载体温度就升高，导致载 体内部的铂丝电阻值也相应变化，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与瓦斯 气体浓度成正比的电信号，在经过后续计算得出被测瓦斯气体的浓度信息 【lo 】 1 q o ( 4 ) 光干涉型瓦斯气体传感器原理 根据不同种类、不同浓度的气体对光的折射率不同这一性质，针对瓦斯气 体设计适当的光路系统，把瓦斯气体浓度的变化转换成光的干涉条纹的位置变 化【1 2 】。具体地说，就是将一个光源分解为两列光波，一路通过标准空气室，另 一路穿过采样气室后在某处相遇，此时由于满足光的相干条件，从而产生干涉 条纹；把两气室都充有空气时的干涉条纹作为初始位置，当瓦斯气体充入采样 室后，由于光程差的结果，干涉条纹会相对于原位置移动一段距离，并且这个 移动距离量与瓦斯浓度成正比；因此只要测量该位移量，就可以计算得到瓦斯 气体在空气中的含量【1 2 】。【1 3 】。 ( 5 ) 光纤红外光谱吸收瓦斯气体传感器原理 光纤红外光谱吸收瓦斯气体传感器主要利用瓦斯气体对在石英光纤透射窗 口内传播的近红外光波产生吸收，而该物理特性的吸收会使得光强衰减【1 4 】【1 5 】。 并且该光强衰减程度与被测瓦斯气体的浓度成比例关系，由此测量由于瓦斯气 体吸收产生的光强衰减程度就可得到瓦斯气体的浓度【1 6 】。【1 7 1 。【1 引。 激光光源发出波长跟瓦斯气体吸收谱线波长相匹配的光波，耦合进光纤后， 通过光纤连接安放在探测点处的气体光学探头的一端；光学探头是由两个光纤 准直透镜组成的简单开放光路，该光路中若存在待测瓦斯气体，则耦合进探头 另一端的光强将会减弱：被减弱的光通过光纤引入到光电转换器，从而通过检 测电信号的强弱变化计算待测瓦斯气体浓度，目前最常用的检测方法为谐波检 测法【1 9 - 2 0 。 以上几种瓦斯气体浓度测量方法各有优缺点。然而光纤红外光谱吸收式表 3 武汉理工大学硕士学位论文 现出更多的优点，如本质安全、抗干扰能力强、灵敏度高、响应速度快、寿命 长等【2 1 - 2 2 - 2 3 1 。阱】。因此研制出一种基于光纤- g 夕l 光谱吸收原理的地铁隧道瓦斯 光纤传感检测系统对于提高我国地铁隧道施工及运营安全，保障我国隧道作业 及地铁运营具有重大的现实意义。 1 3 地铁隧道瓦斯气体检测技术特点 国内外目前极少有专门针对地铁隧道施工及地铁运营特定环境的瓦斯检测 系统，即使有也主要是针对地铁隧道施工过程中的瓦斯气体检测；并且国内外 有关地铁隧道施工过程中的瓦斯检测也主要是在选用一些现行广泛应用于煤矿 瓦斯检测传感器的基础上而组成的一些简单、临时的检测系统。但是，地铁隧 道瓦斯在地层中的赋存条件、储量大小等均与煤层中的瓦斯有较大的区别；特 别是地铁隧道在运营期间，瓦斯气体的相关特性与煤矿有着很大的区别【2 j 。地铁 隧道瓦斯检测技术的主要特点如下： ( 1 ) 没有或缺少相关地铁隧道瓦斯检测国家标准及规范 目前的地铁设计规范g b 5 0 1 5 7 - 2 0 0 3 对地铁车站和隧道区间内的有害气 体浓度的控制没有相关要求，有关地下车站和隧道区间内的有害气体浓度达到 一定程度时，机电设备系统特别是通风系统如何运行以有效降低其浓度从而达 到运营安全没有相关规定。目前所能依据的只有铁路瓦斯隧道技术规范 ( t b l 0 1 2 0 - 2 0 0 2 j 1 6 0 - 2 0 0 2 ) 和煤矿安全监控系统及检测仪器使用管理规范 ( a q l 0 2 9 2 0 0 7 ) ：而地铁车站和隧道区间与铁路及煤矿环境的瓦斯特性又存 在着很大的差异，故上述两种规范中的一些控制性数据是否适用于地铁也有待 近一步研究。 ( 2 ) 地铁隧道瓦斯检测技术要求及特性： 灵敏度高、精度高，超限报警并启动风机联动系统； 响应速度快、时间短，以保障快速预警并在必要时启动应急措施； 测量区间长，这就使得信号传输距离长，同时要求传输时间短； 测量范围广，这就需要分布式多点测量，要易于组成测量网络； 长期稳定性、准确性好，并与地铁监控系统兼容性好； 调校周期长、抗干扰性强，以提高地铁运营效率； 测量探头结构简单、小巧、易于安装；以节约地铁隧道空间。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 地铁隧道瓦斯气体检测技术的研究及应用现状 当前不管是煤矿还是隧道瓦斯气体检测的仪器仪表使用最广泛的基本上全 部是载体催化燃烧式瓦斯气体传感器和电化学式瓦斯气体传感器。载体催化燃 烧式瓦斯气体传感器的载体催化元件每隔两周必须标定一次；而电化学传感器 在工作过程中容易受到其它气体的干扰，在实际应用中，干扰浓度可能很高， 会导致读数错误或误报警【1 9 1 。 对于检测易燃易爆的瓦斯气体来说，基于红外吸收谱测量的光谱吸收型传 感具有很高的测量灵敏度，极高的气体鉴定识别能力，快速的响应速度，并且 该种传感器对工作环境中的温度、湿度等有很强的抗干扰能力；同时有简单可 靠的传感探头( 气体吸收室) 以及易于组成分布式测量网络等优点；因而成为 当前极具价值和前途的一种气体传感检测技术1 2 6 1 。 国外发达国家对光谱吸收式光纤气体传感检测技术的研究起步比较早【2 7 】。 最早用光谱吸收式光纤传感检测技术用于气体浓度检测研究的是日本t o h o k u 大 学的h i n a b a 和k c h a r t 等人，他们在满足光纤透射窗口波段范围内作了一些光谱 吸收式光纤气体传感技术的基本研究t 2 8 1 。1 9 8 3 年，h i n a b a 和k c h a n 等用l e d 作 为宽带光源，配合使用窄带干涉滤光片，对甲烷气体在波长为1 3 3 1 2 r i m 附近的q 线进行测测，在这一实验中使用的气室光程长度为0 5 m ，而起传输作用的多模 光纤却长达1 0 k m ，系统的最小探测灵敏度为2 5 l e l ( 气体爆炸下限) 1 9 1 。在这 之后的1 9 8 5 年，h 1 n a b a 和k c h a r t 及h i t o 等人又使用i n g a a s 材料的l e d 作为光源 试验甲烷在1 6 6 5 4 n m 处的谐波吸收，同样采用相同的测量系统，但由于甲烷气 体在波长为1 6 6 5 4 n m 处的谐波吸收峰吸收强度比在波长为1 3 3 1 2 n m 处增大了一 倍，因此使得该测量系统最小探测灵敏度提高了一倍【2 0 】。 八十年代末到九十年代初，一系列相关传感用的分布反馈式( d f b ) 激光器 已研制出来，光纤气体传感器的检测精度又有很大的提高。1 9 9 0 年，h t a i 和 k y a m a m o t o 等利用波长为1 6 6 0 n m 的单模分布反馈式( d f bl d ) 半导体激光器， 并采用波长( 频率) 调制的谐波检测方法，在室温下检测甲烷气体浓度的最小 可探测灵敏度可达2 0 p p m 的精度【1 9 1 。这一测量系统把可调谐半导体激光光源 ( d f bl d ) 技术、波长调制谐波检测技术以及光纤传输技术结合起来，取得了 很高的探测精度和灵敏度。 虽然国外对基于光谱吸收式光纤气体传感技术方面进行了大量研究，也形 5 武汉理工大学硕士学位论文 成了比较有效的测量方法，但由于测量系统器件成本和工艺等一系列问题，从 而形成光纤气体测量仪器仪表的报道比较少见。 相比国外，国内光谱吸收型光纤气体传感技术的研究起步则比较晚，开始 于8 0 年代末，并且国内光谱吸收式光纤气体传感器的研究主要还是以l e d 作为 光源。1 9 9 7 年山东矿业学院的曹茂永等人对光谱吸收式光纤瓦斯传感器的设计 进行了探讨，提出根据传感器的技术指标确定其基本参数的理论方法【1 9 】。2 0 0 0 年浙江大学叶险峰博士用波长为1 3 0 0 n m 的l e d 作光源，配合闪耀光栅技术对 甲烷气体进行了测量实验冽。2 0 0 1 年，吉林大学的王一丁等采用基于比尔一朗 伯特吸收定律，研究设计了一种新型光路和电路结构的便携式红外甲烷气体检 测仪表【3 0 1 。 近6 年以来，武汉理工大学光纤传感技术研究中心( 光纤传感技术国家工 程实验室) 一直致力于煤矿和地铁隧道瓦斯气体光纤传感检测仪的研制工作， 并在近红外光谱吸收光纤气体传感器的关键技术上取得了较为重大突破，开发 出了应用于煤矿领域的甲烷气体光纤传感检测仪【1 9 1 。为本文进一步研制适用于 地铁隧道施工和运营期间的瓦斯光纤传感检测系统打下了较好的基础。 1 5 课题的目的、意义及主要研究内容 杭州地铁一号线工程江南段等多段地区的地质初勘及详勘过程中，在地面 下1 5 - - 3 0 m 左右的岩土层发现含有气压高的有害气体，并多次发生触探孔气体 喷发并燃烧的现象，使勘探作业受阻，并严重威胁周边建筑及人员安全。在地 铁车站及区间工程的设计、施工与未来运营过程中，如何考虑瓦斯( 甲烷) 气 体对工程的危害以及对工程后期运营是否会产生不利影响，是该工程面临的主 要问题之一。瓦斯( 甲烷) 气体问题已成为该工程的设计与施工、开通运营等 各环节中亟待解决的一大技术难题。 同时在地铁建成以后，瓦斯气体( 甲烷) 会长期存在，并有向地下车站和 区间隧道渗漏的可能。如果车站或区间隧道有瓦斯气体侵入，这些气体除了达 到一定浓度有爆炸危险外还可能对车站和区间隧道内的人员造成窒息的危险。 可见瓦斯气体的存在对未来地铁的安全运营也存在重大的影响。 实现对隧道内部瓦斯气体的长期实时监测，其目的就是以瓦斯气体传感技 术为基础，以防治隧道瓦斯灾害事故为重点，构建地铁隧道瓦斯灾害事故预警 6 武汉理工大学硕士学位论文 与防治的技术平台，建立健全地铁安全营运的长效机制，提升地铁运行安全水 平，实现安全保障从“被动应付型向“主动保障型”的转变。 而一直以来，国内基本上都采用载体催化瓦斯传感器来对瓦斯浓度进行检 测，其检测精度不高，容易老化，存在需要经常调校维护等缺剧1 9 1 。同时基于 这种原理的瓦斯传感检测技术基本不适合地铁运营期间的基本免调校和长期工 作性。因此，迫切需要一种新的技术方法来解决地铁隧道瓦斯检测这个问题。 杭州地铁1 号线是杭州有史以来的第一条地铁线路，在设计、施工和运营 方面缺乏成熟的经验。所以，有必要对地铁1 号线建设的关键环节与关键技术 进行工程总结与研究。本研究课题的成功实施，必将解决地铁隧道瓦斯监测与 灾害预警的诸多技术难题，为国内外地铁隧道施工和营运安全保驾护航。 本文提出的基于光谱吸收原理的光纤甲烷气体传感技术具有如下优特点： 本质安全、抗干扰能力强、灵敏度高、响应速度快、寿命长、利于分布式组网 测量、利于长距离检测和传输等。不仅仅可以用于地铁隧道施工期间瓦斯气体 的检测，最重要的是该检测系统适合地铁运营期间的瓦斯气体检测。本研究将 为我国常见的特定环境中瓦斯气体浓度的准确、快速测量提供新的思路，具有 重大的意义。 本文的主要研究内容有以下几个方面： 1 ) 研究了基于光纤传感的可调谐半导体激光吸收光谱技术工作原理，采用波 长调制技术和二次谐波检测技术以提高检测灵敏度。 2 ) 本文进行了部分光路和电路的设计。在光路设计上，设计了由光纤和传感 探头组成的四通道测量系统；在电路设计上，本文设计了一种基于模拟乘 法器m l t 0 4 的锁相解调电路( 由数字移相、带通滤波和锁相放大三部分组 成) ；消除了因光纤传输延时和电路自身延时所产生的待测信号和参考信 号之间相位差的影响。 3 ) 针对地铁隧道的环境，对传感器仪表壳体和气室探头的结构进行了有针对 性的特别设计，采取了防尘措施；使该探头基本免调校以满足地铁运营期 间的特殊要求。 4 ) 对系统进行仪表结构可靠性、环境温度稳定性和检测性能等相关实验，使 其能更好地应用于地铁隧道施工现场及地铁运营期间瓦斯的实时检测。 5 ) 针对杭州地铁一号线双线隧道设计了具体的瓦斯检测系统。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章近红外光谱吸收式光纤气体传感器的原理 2 1 气体光谱吸收的基本原理 光谱吸收型的气体传感是最重要的一类光纤气体传感器。它的本质是利用 被测气体在石英光纤透射窗口内的吸收峰，测量由于被测气体的吸收而产生的 光强衰减从而得到被测气体的浓度；通过选定特定波长的光谱吸收峰位置，便 可以迸一步对被检测气体的种类进行鉴别1 2 0 。 当一束光强为而的输入平行光通过含有待测气体的空间时，如果该光源的光 谱覆盖一个或多个气体的吸收谱线，则光通过待测气体时将发生衰减。根据比 尔一朗伯特( b e e r - - l a m b e r t ) 定律，出射光强i 与入射光蝴气体的体积分数 之间的关系为【3 u i = i oe x p - a t ( v ) c l 】 ( 2 - 1 ) ( 2 - 1 ) 式中，a ( v ) 为气体吸收系数，即气体在一定频率v 处的吸收线型；l 为 气体吸收路径的长度，即气体的吸收光程长度；c 为光谱所吸收气体的浓度。 将式( 2 1 ) 式展开为傅立叶级数序列，得到输出光强的一次谐波( f ) 和二 次谐波( 2 f ) 的傅立叶系数分别为： l f = q i o 1 2 ，= k c r c l i o 由( 2 - 2 ) 式和( 2 - 3 ) 式可得： ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 1 2 f f i f = k a c l ( 2 _ 4 ) 可见，二次谐波信号易与气体的浓度c 和初始光强而有关，通过检测二次 谐波信号就可以获得气体浓度信息。二次谐波和初始光强的比值不含有初始光 强信息而，即厶，z o = k a c l ，这样用其作为检测系统的输出就可以消除光强波 动等因素带来的干扰1 2 6 1 。1 3 0 1 。 工业生产、工程施工以及生活中常见的气体( 如c o 、c i - 1 4 、c 2 h 2 、n 0 2 、 c 0 2 ) 的标准特征吸收谱线一般是出现在中红外区( 2 0 0 0 n m - - - l o o o o n m ) 的振动 谱；但是这个波段范围远远超出了石英光纤的透射窗口波段( 1 0 0 0 n m - - 1 7 0 0 n m ) ， 8 武汉理工大学硕士学位论文 因此在基于光纤的光谱吸收型气体传感技术中，基本上都是利用了气体在石英 光纤透射窗口内的泛频谐波谱。虽然这类泛频谐波谱的吸收远小于标准特征谱 的吸收，但是因为石英光纤对这个波段范围的波长衰减极低，所以只要所设计的 探测系统灵敏度极高，就可以得到很好的检测结果【3 引。 表2 一l 显示了一些重要的气体( 如c o 、c h 4 、c 2 1 - 1 2 、n 0 2 、c o z ) 在近红外 波段( 石英光纤的透射窗口) 的吸收谱线波长【3 3 】- 1 3 4 1 。从下表可以看出，这几种气体 都可以用基于光纤的光谱吸收式方法进行测量。 表2 1 一些气体在近红外波段的特征吸收峰波长 气体种类气体吸收峰波长( 近红外波段) 可能的污染来源 二氧化碳c 0 2 1 5 7 3 m 发动机废气，发电厂废气 甲烷c h 4 1 6 6 5 n m 煤矿煤层气体，岩土层藏气 二氧化氮n 0 2 8 0 0 h m 工业废气，大气层气体 一氧化碳c o 1 5 6 7 n m燃烧废气，发电厂废气 乙炔c 2 h z 1 5 3 0 n m 发动机废气，可燃易爆气体 但是，一般来讲，气体对光的吸收十分微弱，特别是在近红外波段范围还 会更微弱。所以本文所设计的瓦斯气体检测系统将采用对光源进行调制的方法， 以提高检测灵敏度。 2 2 基于光纤传感的可调谐半导体激光吸收光谱技术 可调谐二极管激光吸收光谱技术简称t d l a s ( t u n a b l ed i o d el a s e r a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ) ，是利用半导体二极管激光器的波长扫描及电流调制特 性来测量气体的一种技术。为使t d l a s 这种新技术的检测灵敏度能够达到p p m 等级，通常使用波长调制方法及谐波检测技术i 3 钾。由于光谱吸收非常微弱，不 利于信号传感和后期信号处理，所以波长调制技术一般都采用向激光二极管注 入高频正弦波电流对其进行调制的方法；另外这种方法还能够通过选择调制频 率来抑制噪声带宽，从而有效地减少光源和探测器自身所带来的噪音，由此可 提高系统几个数量级的信噪比，这对后续信号处理带来了很大的好处【3 l 】巾5 1 。 本文设计的基于光纤传感的t d l a s 技术的原理如图2 1 所示。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 一lt d l a s 技术基本原理图 通过对光源注入高频正弦波电流信号( s i n w t ) 来对其进行调制，则该激光 器频率及输出光强也将受到相对应的调制，具体理论公式如下 1 ，= + 厂o ) ( 2 - 5 ) 1 0i ( f ) = 厶【l + ，7 厂p ) 】 ( 2 6 ) ( 2 5 ) 和( 2 6 ) 式中，删为正弦函数，f ( t ) = s i n w t ，其中w = 2 ：r f ，伪调制电流 的频率；1 ，d 为激光器光源未经调制时的中心频率；为频率调制的幅度；叩为光 强调制系数，现将式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 代入( 2 1 ) ，则可得 i ( 0 ：u 1 + 耵( f ) 】p 吨+ 巾皿 ( 2 7 ) 由于在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足关系式a ( v ) c l 1 ，同时 光强的调制幅度同样也很小，即，7 1 ，由此可得如下近似式 e - a ( v 肛1 - f z ( v ) c l ( 2 8 ) 那么聊可近似为 l ( t ) = 1 0 1 + r l f ( t ) - a v o + v 册f ( t ) c l ) ( 2 9 ) 当气体压力接近一个标准大气压时，红外光谱的碰撞加宽起主要作用f 2 0 】。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 故可以采用l o r e n t z 曲线来描述c i - h 分子的吸收谱线型 2 丽a o ( 2 1 0 ) 式中伽表示纯气体在吸收线中心的吸收系数， 收峰的中心频率和吸收线半宽，由此式( 2 - 9 ) 则变为 ，o ) = 厶 ( 2 - 1 0 ) 而喙和加分别对应吸 啪饨卜一a o c l ( 2 1 1 ) 当光源输出的中心波长被精确地锁定在气体吸收峰上时，即v o = 飞，则( 2 1 1 ) 式变为下式 ，( f ) = 厶 m 们一硼a o c l 1 + i l 业i ( 2 - 1 2 ) 现定义工= 乡磊，将( 2 1 2 ) 式改写为傅里叶级数形式，设( 2 1 2 ) 式的傅里叶 级数中一次谐波( 厂) 和二次谐波( 2 厂) 的系数分别为i f 和1 2 坝4 ，= 厶刁 ( 2 1 3 ) 厶，= 一* , z o c l s o ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 4 ) 式中k 的值为 七：丝墨掣( 2 - 1 5 ) 4 1 + x 2 ( 2 1 5 ) 式中k 为x 的函数，x 可以被调节到二次谐波的最大值，当二次谐波取 得最大值时，由= 0 ，则x 2 2 ，则此时k = o 3 4 3 t 2 0 1 。 由( 2 - 1 3 ) 、( 2 - 1 4 ) 式可知，一次谐波分量主要由强度调制引起，幅度正比 于光源的平均功率，和气体体积分数没有关系；二次谐波信号与气体的浓度和 光强直流分量厶有关；现将二次谐波分量与光强直流分量厶作比值处理，即如 武汉理工大学硕士学位论文 公式( 2 4 ) 所示，可以得出其比值不含有厶，即与光强信号无关，而只与被测 气体的浓度、产生吸收过程的光程长度成正比关系1 9 1 。 2 3 基于光纤传感的可调谐半导体激光吸收光谱技术的主 要特性 基于光纤传感的t d l a s 技术的主要特性有以下几方面： ( 1 ) 高分辨率光谱技术，非接触测量，具有适合高温等恶劣工业环境能力； ( 2 ) 采用半导体激光波长可调谐的性质基本解决了粉尘、视窗污染对测量 结果的影响； ( 3 ) 快速响应，真实反映实时被测气体信息； ( 4 ) 无须多次标定，基本免调校，提高了检测效率； ( 5 ) 也可进行多种气体成分的同时测量； ( 6 ) 信号处理部分与传感探头部分可做成分离式，便于远距离、现场测量； ( 7 ) 传感探头本质安全、抗干扰强； ( 8 ) 采用光纤进行传输，便于利用现有光通信技术组成遥测网络。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章检测系统甲烷气体光纤传感器的研究设计 3 1 检测系统传感器吸收峰波长的选择 根据比尔一朗伯特( b e e r - - l a m b e r t ) 定律即式( 2 1 ) ，式中a ( d 为气体吸收 系数，若a ( v ) 的值越大则气体吸收光强的能力就越强，也就是吸收现象就越明显， 由此就更有利于检测系统的后续信号处理；同时选择吸收峰波长还要考虑所选 波长附近没有其他气体的强吸收线，以避免由此带来的干扰吸收导致检测结果 产生误差。因此选择一个甲烷吸收最强的特定波长，就显得尤为重要。 根据h i t r u n 软件数据库，可以看出，甲烷气体在6 0 0 4 c m 一6 0 0 4 5 c m 。1 ( 即 1 6 6 5 4 r i m 1 6 6 5 6 r i m ) 之间包含三根距离极近的吸收线。 i n t e n s i t y a 2 1 h a w k 8i n t e n s i t yf i l ec ： , j 持m p w o u t e 0 0 4 2 9 1 1 0 0 4 2 9 5 a o ， 1 1 0 0 4 3 6 3 10 0 0 4 3 51 k 1 0 4 3 21 1 0 0 4 0 2 66 0 0 4 1 3 w a venu