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多点光纤甲烷浓度监测系统的研究与开发 摘要 在煤矿生产中，随着煤层采动，往往会涌出矿井瓦斯。它与空气混合，当其 体积百分比为3 5 - - 1 6 时，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、智能化，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，以其特有的优良性能 在工业生产、环境监测和医学等领域具有广阔的应用前景。近些年来，随着光纤 传感技术的发展，光纤气体传感器的研究在国内外均受到广泛的重视。光纤气体 传感器以光为测量信号的载体，对被测对象不产生影响，其自身独立性好，可适 应各种使用环境，由其组成的光纤传感系统便于与中心计算机连接，可实现多功 能、智能化的要求，可与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制。 根据我国煤矿中存在的问题，本文在分析煤矿监测系统的发展趋势、可靠性 及其特点的基础上，提出一种以数字信号处理器为核心，以控制局域网现场总线 为各现场设备之间的通信网络，监控模块与计算机之间采用调制解调器通过电话 线相连接组成串行远程通信网络的解决方案。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 气体的浓度测。 根据实验室现有的实验条件和仪器设备，对所设计系统的进行实验研究，实 验结果验证了系统的可行性。 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 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e r d e g r e ei ne n g i n e e r i n g 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 fc o a ls e a m ，u s u a l l yg u s h m e t h a n e c l e a rf i r ew i l ll e a dt o g 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 fm e t h a n e r 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 fm e t h a n ei nc o a l m i n ep r o d u c t i o n ，a n ds e n s o rw i t hm g hp e r f o r m a n c ei se s s e n t i a lt ot h ea u t o m a t i o na n d i 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 lf 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 h h a saw 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 fi t s q u a l i t yp e r f o r m a n c e i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to fo p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y ，t h er e s e a r c ho fo p t i c a lf i b e rg a ss e n s o r h a sb e e ns e r i o u s l yr e g a r d e da l lo v e rt h ew o r l d t h es i g n a ld e t e c t e db yo p t i c a lf i b e rg a s s e n s o r si sc a r r i e db yl i g h tw a v e ，w h i c hh a sn oi n f l u e n c eo nt h em e a s u r e do b j e c t t h e s e n s o rt h a th a sg o o di n d e p e n d e n c ep e r f o r m a n c ei t s e l fc a nb ea d a p t e dt oa l lk i n d so f s u r r o u n d i n g s t h eo p t i c a lf i b e rs e n s i n gs y s t e m 晰t l lt h es e n s o r s ，w h i c hc a l ib ec o n n e c t e d w i t hc o m p u t e r sc o n v e n i e n t l y ，c a nr e a l i z em a n yf u n c t i o n sr e q u e s ta n di n t e l l e c t u a l i z e d n e e d t h e yc a nm a t c hw i t hr e m o t em e a s u r et e c h n o l o g yt om e a s u r ea n dc o n t r o li nl o n g d i s t a n c e i nt e r mo ft 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 dd e t a i l e d a n a l y s i so fd 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 ft h em i n em o n i t o r i n gs y s t e m ，i tp u t s f o r w a r dan e wm e t h o dt oi n s t i t u t em o n i t o r i n gs y s t e m ，i nw h i c ht h ec o m m u n i c a t i o n n 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 sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ， a n dt h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb e t w e e nt h em o n i t o r i n gm o d u l ea n dc o m p u t e r a d o p t st e l e p h o n en e t w o r kb yw a yo fm o d e m 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 e t h ep a p e rd e s i g n sa na l l o p t i c a l f i b e rg a ss e n s o rb a s e do nn e a r - 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 i n g s l e da st h el i g h ts o u r c eb a s e do nt h et h e o r yo fw i d es o u r c ed i f f e r e n c ea b s o r p t i o na n d h a r m o n i cd e t e c t i o n ，b e i n gc o m b i n e dw i t haw e a ks i g n a lm e a s u r ec i r 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 fc o m p u t e r sc o n t r o l ，t h es y s t e mi sa c h i e v e dt o m e a s u r et h ec o n c e n t r a t i o n u s i n gt 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 e e x p e r i m e n to ft h ed e s i g n e ds 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 l t sc o n f i r mt h e f e a s i b i l i t yo ft h em e a s u r es y s t e m k e yw o r d sm e t h a n e ；h a r m o n i 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 ； 插图清单 图1 1 光纤传感器结构图3 图2 1 甲烷气体的吸收谱线1 3 图2 2 时间双光路差分吸收系统框图1 5 图2 3 双波长差分吸收系统结构图1 6 图2 4 宽带光源谐波检测系统1 9 图2 5 系统组成框图21 图2 - 6 甲烷测量光纤传感系统结构图2 2 图3 1 网络结构图2 5 图3 2 甲烷多点传感结构框图2 9 图3 3 输出光功率与驱动电流和温度的关系。3 0 图3 4s l e d 光源驱动原理框图3 1 图3 5 电流控制驱动电路图。3 1 图3 - 6 温度控制电路图3 2 图3 7 双t 正弦波发生器3 2 图3 - 8 光纤甲烷探头3 3 图3 - 9 监测单元串行通信接口电路框图3 5 图3 1 0d s p 与c a n 总线硬件接口图3 6 图3 1 1 步进电机驱动框图3 6 图3 1 2 锁相放大器原理图3 7 图3 1 3 数据采集子系统原理框图3 8 图4 1m o d e m 软件控制流程图。4 1 图4 2 监测单元主程序流程图4 3 图4 3 通信传输模块流程图4 4 图4 4 接收中断处理模块流程图4 4 图4 5c a n 总线通信软件管理的流程图。4 6 图4 - 6 监测单元数据处理子程序流程图4 6 图4 7 监测点主程序设计4 7 图4 - 8 中断发送服务流程图4 8 图4 - 9c a n 总线接口初始化流程图4 8 图4 1 0 计算机控制锁相放大器的流程图4 9 图5 1s l e d 典型输出光谱图5 l 图5 2 甲烷气体吸收实验曲线。5 3 插表清单 表1 1 气体传感器性能比较2 表5 1p i n 的特性参数5 0 表5 2 耦合器特性参数5 0 表5 3s l e d 性能参数5l 表5 - 4 光纤损耗实验数据。5 2 表5 5 甲烷气体吸收实验数据5 2 表5 6 示值对比实验数据5 4 表5 7 重复性实验5 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我 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 金月巴王些太堂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的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：铂勃芬 签字日期：夕彦年，月严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金世王些 芝篷可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作一：号飞锄乡 签字日期：口g 年f 月尹日 导师签名： 签字日期。叩驿肛月咋日 黧? 脚： f l 参m 沁毽：豁岛 工作单位： 电话：。；，f 一，f o 黼龇：弋蝴，耕印【锄严7 一 致谢 本论文的研究工作是在导师王建平教授和冯金鹏高级工程师的悉心指导下完 成的。在研究过程中，从论文的选题、研究的方法，以及最后方案的确定等各个 方面都得到了导师无尽的关怀、帮助和教诲，给我诸多启示，解答了许多难题， 使本文得以顺利的完成。 王教授学识渊博、经验丰富、思维开阔，用其平凡而伟大的人格影响我、培 育我，尤其是导师严于律己、宽以待人的崇高品质以及严谨求实的治学态度使我 受益匪浅，令我终生难忘。籍此论文完成之际，谨对王教授致以最衷心的谢意! 感谢合肥工业大学各门课程的任课教师，他们的言传身教不仅让我学到了知 识，更让我体会到了母校严谨治学、认真做事的办学理念。 最后，再一次向所有关心我、爱护我和帮助过我的老师、朋友及家人致以我 最诚挚的谢意! 路宗强 2 0 0 8 1 2 1 1 引言 第一章绪论 随着人们生活水平的提高，人类对生态环境的要求也越来越高，迫切要求监 测易燃易爆和有毒有害气体，减少环境污染。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 地重要问题。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【l 。3 1 。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。瓦斯事故在煤矿事故中占的比例也越来越高【3 】研制气体 传感系统，尤其是对井下气体的监测系统十分重要，已成为当今传感技术发展领 域的一个重要前沿课题。 甲烷是矿井瓦斯的主要成分，约占8 3 0 o 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。甲烷也是多种液体燃料 的主要成分，在大气中的爆炸限是5 。3 1 5 。同时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。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 气体传感器的现状与发展 1 2 1 气体传感的研究现状 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。 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。气敏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。 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 为入射光强；口是介质的吸收系数； c 为介质浓度；三为光通过介质的长度。 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。 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、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 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 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i 孓。如图1 1 所示： 图1 1 光纤传感器结构图 2 光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调n n ( n 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、波长、频率、相 位偏振态等发生变化成为被调制的信号光；再经过光纤送入光检测器，光检测器对 进来的光信号进行转换，而输出电信号；最后对电信号进行信号处理而得到可用信 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 - 9 1 。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 】。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 m ) 、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【l3 1 。 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，可长距离传输。光纤体积小， 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。 ( 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( t d m ) 以及波分( w d m ) 等多路复用技术 1 4 - 1 6 1 ，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 0 2 0 p r o 范围。气体的测量种类， 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。红外光源和光纤的研究和开发，可将工作波长移到红外( 大于3 a n ) 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 光纤传感器一般用于气体浓度的测量主要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 7 】： ( 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 7 a m ) 内的吸收 峰测量。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 2 h 2 、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。 利用吸收型的气体传感器的一大优点是具有简单可靠的气室结构，而且只需 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 ) ，极少数情况下采用连续光源和 气体激光器( ! z 1 c 0 2 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；溆l j 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 4 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( p z t ) 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一沃尔玛 ( s t e m - v o l m e r ) 方程来描述，即 i | ia = t t o = k + cq 式中，、厶、f 、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 m - v o l m e r 常数。 从式( 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( 如石蕊或酚红试纸) 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 h n 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，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 ) 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：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，将光谱分析技术应用 于工业现场，同时利用光纤的特点，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。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) ， 6 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( 2 肛m - 1 0 1 x m ) 有本 征吸收，这个波段远远超出了石英光纤的透射窗m ( o 8 1 t m 1 7 i - t 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的较弱的泛频吸收线， 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， 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 c - 和k c 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 的检测实验。利用二氧化氮在4 0 0 n m 和8 0 0 n m 处的较宽吸收峰，用l e d 作光源进 行二氧化氮的直接吸收测量。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1 3 3 1 2 n m 附近的q 线进行检测，在这一系统中的气室长度为o 5 m ，传输光纤为 1 0 k m 长的多模光纤，接受元件采用干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 n o 等人又用i n g a a s 材料l e d 作为光源去对准甲烷在1 6 6 5 4 n m 处的谐波吸收峰，采用 同样的系统，由于在1 6 6 5 4 n m 处的谐波吸收峰吸收强度较1 3 3 1 2 n m 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 8 、c 2 h 4 、c 2 h 2 、c 2 h 6 和c 4 h 1 0 的光纤远程测量进行了实验。 1 9 8 7 年，j p d a k i n 和c a w a d e 等人报道了一种利用梳妆滤波器和宽带光源 ( 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妆吸收峰的 气体。宽带入射光可覆盖一族气体吸收峰，通过气体吸收后，光谱被调制为梳妆， 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妆滤波器，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耐1 8 】。 7 由于看到了探测可燃气体的巨大的商用前景，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 e b m i 和t a k i n g 用1 3 3 _ 蹦n 的i n g a a s p 多模激光器测量甲烷气体浓度，采用波长差分吸收法，室温下 可以测量最小灵敏度可达1 0 0 0 p p m 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 _ e n 单模分布反馈式( d f bl d ) 半导体激光器【1 9 】，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 0 p 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。 19 9 2 年，h 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。这个系统传输光纤长4 k m ，气室长 1 0 c 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 5 p p m ，乙炔的最小可探测灵敏度为3 p p m ，气体间的串扰很小，可以忽科2 0 】。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 a o n 可调谐d f b 激光器同时测量甲烷和二氧化碳以及一个1 5 7 朋可调谐d f b 激光器同时测量硫化氢和二氧化碳气体的实验研刭2 m 2 1 。系统最小探测灵敏度都 优于l o p 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 0 p p m ，达到热光光 源的理论极刚巧j 。 此时，为了光纤气体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 r 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，因此成本降低空间有限，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 az 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 8 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阱】。 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【2 5 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 性插值进行线性校正【2 引。 19 9 8 年报道了大连理工大学刘文琦等，用1 31 。t r ni 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 7 】。 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 引。 2 0 0 2 年中科院安徽光学