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中北大学学位论文 矿井甲烷浓度光纤监测网络及其关键技术研究 摘要 随着煤炭工业的发展，瓦斯爆炸事故频频发生，已经成为制约煤矿安全生产的重要 因素。甲烷是煤矿瓦斯气体的主要成分，甲烷、氧气以及明火的存在是引起瓦斯爆炸的 三个因素。因此，实时可靠的检测矿井甲烷浓度对保障人民生命和国家财产安全有着重 要的社会意义和经济意义。 论文中首先综述了甲烷常用的检测方法和光纤气体传感器的国内外发展现状。然 后，设计了一套基于红外光谱吸收原理的准分布式光纤甲烷传感监测网络，该网络利用 分布反馈式半导体激光器( d f bl d ) 和1 6 路光开关，结合空分复用技术且分别对差分 吸收和谐波检测法进行了分析。 其次，研究网络的光源模块、传感模块、光电转换模块和信号采集与处理模块。本 文重点对甲烷在2 v 3 带r ( 4 ) 支1 6 5 0 9 6 n m 附近的吸收谱线、d f b 激光器的模式跃变特性 和气体吸收室及防污染装置的设计等关键技术的研究。另外，设计了前置放大及带通滤 波等电路。利用高速数据采集卡和l a b v i e w 编程软件设计了专用的甲烷浓度监测虚拟系 统，来实现实时瓦斯浓度数值显示和曲线的可视化输出，及时进行声光报警等功能。 最后，我们分别对差分吸收式的双波长单光路检测方案和二次谐波检测方案进行了 甲烷气体吸收实验，对网络进行了光纤链路损耗实验，并进行了重复性和稳定性等实验。 实验结果均与理论分析一致。通过分析得到网络中传感器的灵敏度为0 0 0 1 8 u w p p m 、分 辨率达到9 6 p p m 。 关键词：光纤甲烷传感器，光谱吸收，差分吸收，谐波检测，空分复用 中北大学学位论文 t h er e s e a r c ho nf i b e rm o n i t o r i n gn e t w o r ko fm e t h a n ec o n c e n t r a t i o n a n dt h ek e yt e c h n o l o g yi nc o a lm i n e a b s t r a c t a u t h o r ：w a n gp e n g t u t o r ：z h a n gj i l o n g 一一 w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o a li n d u s t r y ，m e t h a n ee x p l o s i o na c c i d e n t sh a p p e nf r e q u e n t l y ， w h i c hh a sb e e na ni m p o r t a n tf a c t o rr e s t r i c t i n gt h es a f ep r o d u c t i o no fc o a lm i n e t h ee x i s t e n c e o fm e t h a n e ，o x y g e na n df i r es o u r c ei st h er e a s o nc a u s i n gt h em e t h a n ee x p l o s i o n t h e r e f o r e ， t h ea p p l i c a t i o no fr e l i a b l em e t h a n ec o n c e n t r a t i o nm o n i t o r i n gt e c h n o l o g yi nr e a l t i m eh a s i m p o r t a n tm e a n i n g sf o rs o c i e t ya n de c o n o m yi no r d e rt oe n s u r et h es a f e t yo fs t a t ep r o p e r t y a n d p e o p l el i f e f i r s t l y ，t h ec o n v e n t i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d so fm e t h a n ea n dt h er e s e a r c h i n gs t a t u sq u oo ft h e o p t i c a lf i b e rm e t h a n es e n s o r sa th o m ea n da b r o a dh a v eb e e ns u m m a r i z e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h e nw ec h o s et h eo p t i c a lf i b e rm e t h a n ed e t e c t i n gn e t w o r ka st h er e s e a r c h e do b j e c t b a s e do n i n f r a r e da b s o r p t i o ns p e c t r u mt h e o r y ，aq u a s i - d i s t r i b u t e do p t i c a lf i b e rm e t h a n es e n s o rn e t w o r k h a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hc o n s i s t so fd 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 ( d f bl d ) ，o p t i c a l s w i t c ha n ds p a c ed i v i s i o nm u l t i p l et e c h n o l o g y ，b o t hd i f f e r e n t i a la b s o r p t i o na n dh a r m o n i c d e t e c t i o nm e t h o d sh a v e b e e nu s e dr e s p e c t i v e l y s e c o n d l y ，t h el i g h ts o u r c e ，t h es e n s i n g ，t h ec i r c u i to fp h o t o - e l e c t r i cc o n v e r s i o n ，t h es i g n a l c o l l e c t i n ga n dp r o c e s s i n gm o d u l e so ft h en e t w o r kh a v eb e e np r e s e n t e ds e p a r a t e l y t h ek e y t e c h n o l o g i e so fm e t h a n ea b s o r p t i o ni nt h er ( 4 ) l i n eo f2 v 3b a n dl i n e sw i t ht h ew a v e l e n g t ho f 16 5 0 9 6 n m ，m o d eh o p p i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed f bl da n dt h ed e s i g no fg a sc e l lw i t h a n t i p o l l u t i o nd e v i c eh a v eb e e nr e s e a r c h e ds p e c i a l l y i na d d i t i o n ，t h ep r e a m p l i f i e rc i r c u i ta n d b a n d - p a s sf i l t e rh a v eb e e nd e s i g n e d t h es p e c i a lv i r t u a lm o n i t o r i n gs y s t e mo fm e t h a n e c o n c e n t r a t i o nw i t hd a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dl a b v i e wp r o g r a m m i n gs o f t w a r eh a sb e e n 中北大学学位论文 e x p l o i t e dt oi m p l e m e n tt h ew a v e f o r mv i s u a l i z a t i o na n dn u m e r i c a ld i s p l a yo fm e t h a n e c o n c e n t r a t i o ni nr e a l - t i m e ，s o u n da n dl i g h ta l a r m i n gi nt i m e f i n a l l y ，t h em e t h a n em e 踟e m e ma n do p t i c a lf i b e rl o s se x p e r i m e n t sh a v eb e e ni m p l e m e n t e d b ye m p l o y i n gd i f f e r e n t i a la 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 ns c h e m e sr e s p e c t i v e l y r e p e a t a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h en e t w o r kh a v eb e e nv e r i f i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r e c o n s i s t e n tw i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h r o u g ha n a l y s i s ，t h es e n s i t i v i t yo fn e t w o r ki s 0 0 018 u w p p m ，a n dt h er e s o l u t i o nc a nr e a c h9 6 p p m k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rm e t h a n es e n s o r s ，s p e c t r u ma b s o r p t i o n ，d i f f e r e n t i a la b s o r p t i o n ， h a r m o n i cd e t e c t i o n ，s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e x 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：至趟e li 1 ： 幺翌! 羔星z 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 名：歪趟 e 11 1 1 1 ： 卫生! 乞乞22 导师签名：日期： 中北大学学位论文 1 1 选题的背景和研究意义 1 绪论 我国的能源问题主要是煤炭发展问题，煤炭占全国一次性能源结构的7 0 。煤炭发 展的主要问题是煤矿安全问题，一半以上的矿井处于高瓦斯区或瓦斯突出区，瓦斯爆炸 事故也层出不穷。瓦斯是吸附于煤体及周围岩层中的有害气体，甲烷是矿井瓦斯主要成 分，约占8 3 一- - 8 9 ，易燃易爆，加之煤层透气性低，不易在开采前抽放，采掘时极易发 生瓦斯突出现象。美国、澳大利亚等煤矿地质条件较好、储量丰富的国家，对于高瓦斯 矿一般采取停产关闭措施。而我国一直以煤炭为主要能源，由于资源有限、人多地广， 所以条件复杂、环境恶劣的部分煤矿也都纳入了开采范围。 甲烷爆炸受到以下三个因素的影响。一是甲烷浓度。甲烷与空气混和，按体积计算， 甲烷浓度在5 1 5 时具有爆炸性。甲烷爆炸界限不是固定不变的，如果有别的可燃性气 体或煤尘混入，或温度、压力增加后，甲烷爆炸界限就会扩大，甲烷浓度不到5 就可能 发生爆炸，超过1 5 还会爆炸；惰性气体( 如二氧化碳或氮气) 混入后，可使甲烷爆炸的 界限缩小，甲烷浓度达到5 也不爆炸，不到1 5 即失去爆炸性。二是点燃甲烷的火源。 井下煤炭自燃，明火，电气火花，架线机车火花，吸烟以及摩擦产生的火花都可以点燃 甲烷。三是空气中的氧气含量。在空气与甲烷混和的气体中，如果氧气含量低于1 2 ， 混和气体就失去爆炸性。上述三个条件中甲烷在空气中的含量是最重要的n 卫1 。 目前在我国煤矿安全事故中，瓦斯事故已上升到煤矿事故的8 0 以上，瓦斯爆炸造 成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的5 0 。近几年来，我国接连发生多起特大瓦斯事故， 关闭了多家煤矿企业进行整顿，煤矿安全生产形势严峻。2 0 0 9 年2 月2 2 日，山西焦煤集 团西山煤电公司屯兰煤矿南四采区发生特别重大瓦斯爆炸事故，事故造成7 8 人死亡、 1 1 4 人受伤( 其中重伤5 人) 。2 0 0 8 年8 月1 8 日，辽宁沈阳市法库县柏家沟煤矿二水 平3 0 1 采煤工作面发生瓦斯爆炸，共造成2 6 人死亡。2 0 0 8 年1 月2 0 日，山西临汾地区 汾西县永安镇蔚家岭村一非法私开煤矿窝点发生瓦斯爆炸，造成2 0 人遇难。2 0 0 7 年1 2 月5 日，山西省临汾市洪洞县瑞之源煤业有限公司新窑煤矿井下发生瓦斯爆炸事故，1 0 5 。人遇难。2 0 0 7 年5 月5 日，山西临汾地区蒲县克城镇蒲邓煤矿井下掘进头发生瓦斯爆炸 1 中北大学学位论文 事故，2 8 人遇难，还有2 人下落不明。2 0 0 7 年3 月2 8 日1 1 时3 0 分，山西临汾市尧都 区一平垣乡余家岭煤矿井下发生瓦斯爆炸事故，造成2 6 人死亡。2 0 0 7 年3 月1 8 日，山 西晋城市城区西上庄苗匠村联办煤矿井下发生瓦斯爆炸事故，造成2 1 人遇难。2 0 0 7 年 1 月1 2 日，山西忻州地区忻州市宁武县花北屯乡牛心会煤矿井下发生局部瓦斯爆炸，造 成1 3 人死亡。这些瓦斯爆炸事故给国民经济、人民生命财产安全造成巨大损害，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。由此可见，开发研制一种安 全可靠、高灵敏度的甲烷浓度传感系统对于工矿安全运行、人身安全及环境保护有着十 分重要的社会意义和经济意义。 1 2 气体检测的基本方法 根据测量原理的不同，瓦斯气体浓度测量方法主要分为以下七类： l 、光干涉测量法 光干涉原理一1 的瓦斯传感器是利用光波在空气和瓦斯中的传播速度不同，产生的光 程差引起干涉条纹的移动来测量甲烷浓度的。一束入射光经过适当的光学系统后被分解 为两束相干光，一路通过被测气体气室，另一路通过参考气室，由于满足相干条件，两 者相遇就会产生干涉条纹。光干涉检测仪在使用前，需要“调零 ，参考气室和采样气 室均充满新鲜空气，此时干涉条纹的位置作为零点；测量时，气样室吸入被测气体，光 路中引入附加光程差，条纹发生移动，移动量正比于瓦斯浓度，从而确定浓度。其缺点 是浓度指标不直观，受气压、温度、湿度影响，特别是当空气中的氧气不足和氮氧比例 异常时，测量将出现误差。 2 、热催化测量法 载体催化型检测原理口5 一：甲烷和氧气在载体催化元件表面反应，放出反应热，使 元件温度上升，元件的温度增量将引起元件的电阻增加，通过测量电阻增量就可以测定 甲烷浓度。2 0 世纪8 0 年代初，世界各产煤国均先后完成了从传统的光干涉型瓦斯传感器 向载体催化型的过渡。该类仪器以其信号输出易于处理、灵敏度高、响应时间短、受湿 度和温度影响小、结构坚固、便于使用等一系列优点，成为目前国内外测量矿井瓦斯浓 度的主要仪器。其缺点是测量范围小，易受高浓度瓦斯和硫化物的“中毒 ，以及存在 零点漂移和灵敏度漂移等问题。 2 中北大学学位论文 3 、热导型测量法 热导型测量法口1 是利用甲烷与空气的热导率差异，得到与被测甲烷气体浓度相关的 信号，以确定甲烷气体的浓度。 由于纯甲烷或高浓度甲烷的热导率与空气的热导率相差较大，所以在测量高浓度瓦 斯气体时，采用热导式元件具有良好的效果。但是，如果瓦斯浓度较低，其热导率与空 气热导率相近，在测量时，产生的信号十分微弱，故热导型元件不适用于低浓度瓦斯测 量。近年来，热导仪器常与载体催化型仪器相结合，0 - - 5 范围的甲烷，用催化型检测 仪测量；5 - - 1 0 0 范围内，用热导型检测仪测量。 4 、超声测量法 根据超声波在不同气体中传播速度不同的原理，可以测量瓦斯浓度口7 1 。利用声速测 量瓦斯浓度的装置很简单，用两个对称的气室，一个密封空气，一个与待测气样相通。 当由同一声源发出的两束声波通过两个气室后，由于其传播速度不同，到达终端的声波 之间有一个与待测气样中甲烷浓度成比例的相位差。用换能器把声信号变成电信导，与 瓦斯浓度成比例的信号即可用仪表指示出来。 对于低浓度瓦斯气体，用声速测量时，信号很微弱，这是其主要缺点，为了增强信 号，必须把气室做得很长，这在矿井条件下是很不方便的。对于高浓度瓦斯气体，这种 方法则是具有可行性的。 5 、气敏传感测量法 气敏传感器的机理一3 是敏感体和环境中的某种物质发生特定的物质交换从而导致 敏感体电学性质的变化。敏感体和待测气体之间的作用主要是物理吸附和化学吸附，所 谓物理吸附是指气体分子在敏感体表面因电负性引力( 亲和力) 而产生的吸附；化学吸 附是指气体分子在敏感体表面产生一种氧化还原反应。气敏传感器具有结构简单、反应 速度快、结构紧凑的特点，近年来不断有新的传感材料和仪器问世。但是，这种传感器 也存在很多缺点：( 1 ) 交叉敏感，即敏感体对气体的选择性差；( 2 ) 输入输出之间呈现复 杂的非线性关系，不利于数据处理；( 3 ) 稳定性差，化学传感器存在着温度适应性问题。 6 、荧光检测法 一些气体分子吸收适当能量( 光能、电能、化学能、生物能等) 后，分子被激发到激 发态。激发态很不稳定，将很快衰变到基态。激发态在返回基态时常常伴随光子的辐射， 3 中北大学学位论文 这种现象称为发光。荧光属于分子的光致发光现象。荧光可以由被测物质本身产生，也 可由与其相互作用的荧光染料产生。被测气体的浓度与荧光辐射的强度成一定关系。检 测气体浓度时，使光源的强度和波长保持不变，对荧光辐射进行扫描，测得荧光辐射的 强度，进而求出气体浓度。限制荧光气体传感的主要因素是接收信号非常微弱，使得检 测系统复杂，因而系统成本较高口1 。 7 、红外光谱吸收测量法 不同气体对红外光有着不同的吸收光谱，一些气体的特征光谱吸收强度和气体的浓 度有关，利用这一原理可以测量甲烷气体浓度叫引。利用气体在石英光纤透射窗口内的 吸收峰，测量由于气体吸收产生的光强衰减，反演出气体的浓度。常见的气体( 如c 0 、 c u 4 ic 2 h 2 、n 0 2 、c 0 2 ) 在石英光纤的透射窗口都有特定的泛频吸收峰。光谱吸收型传感器 原理是b e e r l a m b e r t 定理，即，= 厶e x p ( - a 五三c ) ，式中，为输出光强，厶为输入光强， 口，为特定波长处的吸收系数，c 为气体浓度，三为光和气体的作用长度，即光程。按照 检测方法来分，可分为差分吸收法和谐波检测法。 差分吸收法：有单波长双光路和双波长单光路两种方法。单波长双光路法采用窄带 光源，光源发出的光分成两路，一路通过含有待测气体的气室，另一路通过不含待测气 体的参考气室，两路输出信号之比，即可消除光源不稳定性及光电器件温漂、时漂的影 响。双波长单光路一般采用宽带光源，光源发出的光经过两个不同波长元、五z 的滤光 片。其中旯在甲烷吸收峰上，a ：在不吸收处。两波长的光分别经过气室后的输出信号 之比与光源强度波动以及气室中粉尘沉积等因素无关。只是，对于光源中心波长的漂移 以及滤波片性能的影响无能为力。 谐波检测法：将窄带光源波长对准待测气体某一吸收峰，用正弦信号对激光波长进 行调制，调制后的激光通过待测气体，由于气体的吸收效应，波长调制转换为强度调制， 当激光中心波长对准气体吸收峰的中心处时，输出光包含有调制频率的二次谐波信号， 而且信号幅度正比于气体的浓度。通过提取二次谐波，来实现气体浓度的测量。与差分 吸收法相比，谐波检测法具有更高的分辨率。采用锁相放大技术，可以实现对微弱的二 次谐波信号进行提取，从而实现气体浓度的高灵敏度测量。 以上七种气体浓度测量方法各有优缺点。目前载体催化检测仪在煤矿开采中使用广 4 中北大学学位论文 泛，但其本身也有不少问题。红外光谱吸收法表现出了更多诱人的优点，如本征完全， 可远距离传输等。差分吸收法不仅可以消除光路的干扰因素，而且还消除了光源输出光 功率不稳定的影响，以及光电元器件温漂、时漂的影响。谐波检测法可消除诸如光强波 动等因素，且相对差分吸收法具有更高的分辨率。我们论文中对两种方法均进行了理论 论述和实验研究及分析。 1 3 光纤气体传感技术介绍 1 3 1 光纤气体传感器的分类及优点 光纤气体传感技术本身具有的独特优势使得光纤气体传感器在气敏传感领域尤为 受到重视。光纤气体传感器根据传感原理分两大类：一类是传光型光纤气体传感器，光 纤在传感系统中只起到传输光波的作用，探头则为乡 l - ) j n 的换能器；另一类是传感型光纤 气体传感器，光纤不仅具有光波传导作用，还有气体探头的作用n h 7 1 。 l 、传感型光纤气体传感器 传感型光纤气体传感器是利用待测气体与光纤中传输光的相互作用来实现的。它的 传感机制取决于不同气体固有的与光波不同的相互效应，这类传感器的传感机制随不同 的气体而不同。例如，基于折射率变化光程变化的光纤气体传感器是在光纤表面或端 面涂敷上一层特殊材料，这类材料的体积或折射率对一些气体敏感。基于染料指示剂的 光纤气体传感器是应用染料指示剂作为中间物来实现间接传感，染料和被测气体发生化 学作用，其光学性质发生变化，通过测量其变化，就得到被测气体的信息。多孔光纤气 体传感器是利用化学方法在光纤上形成许多微孔结构，这些微孔结构允许气体与光纤中 的光场发生强烈的相互作用，从而实现多种气体的检测。 2 、传光型光纤气体传感器 在传光型光纤气体传感器中，光纤仅作为传输介质，只起传输光能的作用。通过光 能与待测气体间相互作用产生的各种信息或借助于某种换能器，使得待测气体的某个或 某些特性的改变从而得以检测。目前它们之间的相互作用主要表现为气体对光波的红外 吸收效应。很多气体在红外光谱区都存在较强的吸收谱线，且吸收谱线和现有的光源及 光纤的低损耗输窗口相适应，从而使得基于气体红外吸收效应的检测技术成为光纤气体 5 中北大学学位论文 传感器的一个主流方向。 与其他类型的气体传感器相比，它具有以下优点： ( 1 ) 灵敏度高，频带宽，动态范围大。由于传输的信息载体是光，光信号载频高，频带 宽，光器件已较成熟，所以己研制成功的光纤传感器分辨率大部分优于其他同类传 感器，且动态范围较大； ( 2 ) 光纤不仅可作敏感元件，当用作传输线时，其损耗很低，因此不必考虑测量仪器和 被测物体的相对位置，特别适合于带电传感器不太适合的地方，可以与光纤遥测技 术相配合实现远距离测量与控制； ( 3 ) 光纤材料有很好的电绝缘性。光纤传感器不受电磁干扰，能避免产生火花，适用于 易燃易爆类气体，且耐高压，耐腐蚀，在恶劣环境下工作可靠： ( 4 ) 光纤是无源器件，对被测对象不产生影响，且自身独立性好，可适应各种使用环境； ( 5 ) 光纤传感器组成的光纤传感器网络便于与中心计算机连接，可实现多功能、智能化 的要求； ( 6 ) 光纤加特殊保护层后能在高、低温下工作：光纤传感器体积小，重量轻，安装简单。 1 3 2 光纤气体传感器的国内外研究现状 光谱吸收法是近二十多年迅速发展起来的。光谱吸收式瓦斯传感器与传统传感器相 比，具有许多的优点，诸如灵敏度高、结构简单、绝缘性好、防暴性好、不受电磁干扰、 光路可弯曲，可远距离遥测等。1 9 7 9 年日本t o h o k u 大学的i n a b a 。h u m i o 等人首先采用 光谱吸收法，通过光纤传输光信号，进行了长距离的大气污染监测n 8 1 。1 9 8 3 年h o r d v i k 等人采用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q 线进行 了检测口引。1 9 8 5 年k t h a n 和h i n a b a 及h i t o 等人用i n g a a s 材料的l e d 作为光源，对 准甲烷气体在1 6 6 5 4 n m 处的吸收峰，也是配合窄带干涉滤光片，系统灵敏度提高了一 倍。1 9 9 2 年，h t a i 报道了采用两个中心波长分别为1 6 6 u m 和1 5 3 u m 的d f b 激光器 组成一个复合光源，采用谐波检测技术，在同一个光纤传感系统中实现了同时测量甲烷 和乙炔气体浓度的研究乜。v w e l d o n 在1 9 9 3 年报道了采用一个1 6 4 u m 可调谐d f b 激光 器同时测量甲烷和二氧化碳的实验研究啪1 。1 9 9 8 年，英国s t r a t h c l y d e 大学b c u l s h a w 报道了利用空分复用方式工作的多点光纤气体传感系统乜割。2 0 0 0 年m i h az a v r s n i k 报道 6 中北大学学位论文 了基于相干复用的串联光纤气体传感复用系统晗4 1 。2 0 0 3 年，g s t e w a r t 首次报道了在垃 圾掩埋场的瓦斯气体浓度检测系统，采用分布式光纤传感网络，带有4 5 个传感头，覆 盖面积为5 平方千米心5 1 。2 0 0 4 年俄罗斯科学研究院物理研究所报道了采用单频激光，测 量了甲烷气体在1 6 5 4 n m 处的吸收实验汹1 。2 0 0 6 年g r a w f o r dm a s s i e 报道了便携式瓦斯 光学传感器，选择的是1 6 6 0 n m 处的吸收谱线旺7 1 。 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，同时形成一定的实用仪器开发。国内红外吸收型甲烷传感方面的研究起步较晚，但 是，随着国家将其列入重点资助范围，近几年逐步形成热点。 1 9 8 9 年，西安光机所的郭栓运介绍了差分光纤气体传感器的基本原理，并列举了一 些具体应用实例汹1 。1 9 9 4 年，中国科技大学的董小鹏等人利用半导体激光器，采用单光 路、双波长的差分技术，利用甲烷在1 6 7 u m 的红外吸收，对甲烷气体进行检测，最小 检测浓度达到o 4 7 啪1 。1 9 9 7 年山东矿业学院曹茂永对光谱吸收式光纤瓦斯传感器的 参数设计进行了探讨，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咖3 。1 9 9 8 年报道了大 连理工大学刘文琦等，用1 3 1 u mi n g a a s p 型l e d 作光源对甲烷气体进行了光纤气体传 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n 刳。2 0 0 1 年吉林大学的王一丁等设计了具有新型光路和电路结构的便携式红外 c h 气体检测仪，并获得了较好的结果口3 1 。2 0 0 3 年武汉理工大学刘泉教授提出了一种带 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，设计了双光源、 双光路、双气室结构口钔。2 0 0 5 年中国科学院环境光学与技术重点实验室的刘文清等人对 环境空气中甲烷的含量进行了长时间的监测，以室温下工作的近红外可调谐半导体激光 器作为光源，使用多次反射增加吸收光程来提高检测灵敏度，并且使用了二次谐波检测 技术进一步降低了检测限，使检测限低于0 0 8 7 m g m s ，满足了对环境空气中甲烷进行监 测的需要口5 蚓。 1 4 分布式光纤气体传感复用技术 分布式光纤监测系统其实是分布调制的光纤传感系统。所谓分布调制，就是沿光纤 1 中北大学学位论文 传输路径上的外界信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断调制( 传感) ，在光纤中形 成调制信息谱带，并通过独特的检测技术，解调调制信号谱带，从而获得外界场信号的大 小及空间分布。因此，分布式光纤监测系统通常由激光光源、传感光纤( 缆) 和检测单元 组成，它是一种自动化的监测系统。 按照调制方式的不同，分布式光纤监测系统又分为分布式传光型( 准分布式) 光纤监 测系统和分布式传感型( 分布式) 光纤监测系统。论文中设计的甲烷浓度检测系统为准分 布式光纤监测系统。 分布式传光型光纤监测系统的特点是：将呈一定空间分布的相同调制类型的光纤传 感器耦合到1 根或多根光纤总线上，通过寻址、解调检测出被测量的大小。分布式传光 型监测系统实质上是多个分立式光纤传感器的复用系统，故又称准分布式光纤监测系统 或非本征型分布式光纤监测系统。光纤总线仅起传光作用而不起传感作用。根据寻址方 式不同，分布式传光型光纤监测系统又可分为时分复用、波分复用、频分复用和空分复 用等几类，其中时分复用和空分复用技术较成熟，复用的点数也较多。 - 定数量n 个光纤传感器，其中每一个传感器均和各自的输入和返回光纤连接构成 一个传感通道。可以通过使它们共用一个光源和一个多路探测器阵列或者使之共用一个 公共探测器和一个多路光源来复用，组成一个结构简单的网络。如果不使用多路探测器 阵列或多路光源，而使用单探测器或单光源与光开关或光纤多路耦合器( 1 n 路耦合 器) ，同样可达到此目的。这种从各分立的光纤连线对传感器定位的方法，称为空分复 用( s d m ) 技术。空分复用网络需要很多根光纤以及连接或分布元件，但是它却具有无串 扰的优点。 随着光纤传感技术和光纤通信网络技术的飞速发展，利用光纤带宽大、易于成网的 特点，组成一个复用光纤多点传感系统，已成为当前世界上在该领域的研究方向和趋势。 采用光纤复用技术，使多个传感器共用一根传输光纤、一个光源和一套信号检测系统， 可以大大降低整个系统的成本，而且系统网络化大大方便了系统的维护管理。集光纤局 域技术和光纤气体传感技术于一身的新型传感测量技术有巨大的应用前景阱啪3 。我们利 用方便可靠的d f b 激光器、1x1 6 路光开关、1 6 路光探测阵列和空分复用技术构成了准 分布式光纤监测系统，如图1 1 所示( 图中粗线表示光纤传输光信号，细线表示传输电 信号) 。 8 中北大学学位论文 1 6 铼j ! l ! h 君子l 路 探测器2 i d f b 激光器 i - 光 开 关 探测器1 6 图1 1 空分复用型准分布式光纤监测系统原理图 1 5 论文主要研究内容及课题来源 论文主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 介绍了甲烷浓度常用的测量方法、光纤气体传感器的分类以及国内外发展现状， 并提出了基于空分复用技术的准分布式光纤监测系统； ( 2 ) 介绍了甲烷气体的红外光谱吸收理论和气体吸收线型，以及差分吸收和谐波检测 两种方法的原理及特性； ( 3 ) 分别阐述了系统的光源模块、传感模块、光电转换及电路模块和信号采集及处理 模块四部分，其中重点介绍了所用d f b 激光器的模式跃变特性和气体吸收室的设计 及防污染方法； ( 4 ) 在实验部分，设计了两种实验方案，一种是基于激光器模式跃变特性的差分吸收 式的双波长单光路检测方案，另一种是谐波检测方案，它采用了锁相放大器来实 现瓦斯气体浓度的二次谐波检测，并进行了甲烷气体吸收实验、示值对比、重复 性及稳定性实验以及光纤链路损耗实验； ( 5 ) 采用数据采集卡和l a b v i e w 软件实现了系统的信号采集、显示甲烷浓度数值及波 形、提取历史数据及对甲烷浓度超限做出声光预警等功能； ( 6 ) 总结了本论文中所做的工作以及存在的问题，展望了光纤气体传感系统的发展趋 势。 本课题来源于国家科学技术部国际科技合作重点项目矿井瓦斯浓度、温度监测与 安全预警传感网络研究( 编号：2 0 0 6 d f b 7 2 5 1 0 ) 、山西省国际合作项目( 编号： 2 0 0 6 0 8 1 0 1 5 ) 和山西省回国留学人员重点科研项目( 编号：2 0 0 6 9 ) 。 9 中北大学学位论文 2 光纤甲烷浓度检测的基本原理与检测方法 本章主要介绍了吸收式光纤甲烷传感器所涉及到的一些原理，首先简要介绍了甲烷 气体的红外光谱吸收原理，然后介绍了与甲烷浓度检测技术相关的气体吸收线型，最后 分别介绍了两种气体浓度检测技术差分吸收法和谐波检测法，为后续章节的设计与实验 部分奠定理论基础。 2 1 光谱吸收式光纤传感器的测量原理 光谱吸收式光纤气体传感器是基于分子振动和转动吸收谱与光源发光光谱间的光 谱一致性原理。当光通过某种介质时，利用介质对光吸收而使光产生衰减这一特性制成 吸收型光纤气体传感器。 当光源发出的光的波长范围覆盖一个或多个气体吸收线时，光通过气体时将会发生 功率衰减。设一束波长为五，光强为厶的单色平行光射向被测气体，气室中的样品在五 处具有吸收线或吸收带，光被吸收和散射一部分后透射过去，透射光强为，( 五) 。根据 l a m b e r t - b e e r 定律，可得： j ( 允) = i o ( ；t ) e x p ( - a a c l ) ( 2 1 ) 工为光通过待测气体的光程，c 为待测气体的体积浓度，为气体在光波长为a 处的吸 收系数。由式( 2 1 ) 求得 c = 去lh 粥 亿2 ， ，( 兄) 式( 2 2 ) 表明，如果l 、o l 五、i o ( ；0 - - 个量已知，就可以通过测量j ( a ) 来确定气体的浓度 c ，对光强的检测一般通过光探测器实现，若光探测器的输出电流与照射到其上的光强 成线型正比关系，则f = a i ，其中i 为光电流，口为光电转换系数。因此有 c = l l i l 量( 2 3 ) 己 f 式中f 0 和f 分别为光通过气体前后的光探测器产生的光电流。 1 0 中北大学学位论文 2 2 气体分子的近红外选择吸收 本系统最重要的基本理论是气体分子的特征光谱选择吸收理论，即气体分子只能吸 收那些能量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子能量( 丝= n , ) ，因此，不同分 子结构的气体会因为其不同结构所决定的不同能级而吸收不同频率的光子，这就是气体 分子的选择吸收。吸收这个光子后，分子跃迁到激发态，在激发态停留非常短暂的时间 后，又通过直接发射回到稳定状态，在这个过程中，释放出这个光子。但此时发射的这 个光子，由于分子的不断运动，释放光子的出射方向已经不是原入射方向了，而是在球 面立体角中任意发射。从另一个角度来看，这就相当于入射方向上的光子被散射掉了( 瑞 利散射) 。由于气体分子结构具有互异性，不同气体的吸收谱因其分子结构的不同而互 不相同，因此，当检测到某种特定波长( 或者频率) 的光被吸收时，就标志某种特定的 气体存在。检测特定波长光的吸收情况，可以对气体进行定性和定量的分析。 甲烷分子具有4 个固有的振动：5 = 2 9 1 3 0 c m 1 ，r 2 = 1 5 3 3 3c m ，乃= 3 0 1 8 9c m 1 ， v 4 = 1 3 0 5 9c m 1 ，它们所对应的波长分别为3 4 3 3 u m ，6 5 2 2 u m ，3 3 1 2 u m 和7 6 5 8 u m 。在 近红外区，有许多泛频带和联合带，例如，甲烷气体在1 3 3 u m 和1 6 7 u m 附近，都有较强 的吸收。甲烷气体在1 3 3 u m 、1 6 7 u m 和3 3 1 u m 处，吸收线强度之比约为1 ：5 ：1 0 0 0 但3 1 。可 见，甲烷在中红外区域的吸收线强度远远超过在近红外区域的吸收线强度。但是，若采 用中红外吸收线，那么激光器必需低温制冷，设备复杂，花费很高，而且由于光纤传输 的高损耗还不能实现远距离传输，因此选择甲烷气体的吸收线，要考虑以下三个方面： ( 1 ) 谱线中心波长必须与已经产品化的光源的发光波长和光探测器的响应波长相适应； ( 2 ) 谱线必须位于近红外波段区，与现有的普遍通信光纤的三个低损耗传输窗口 ( 8 5 0 n m 、1 3 0 0 n m 、1 5 5 0 n m ) 相适应，减少能量损耗以便构成传感网络；( 3 ) 要避免与 其它气体的吸收产生交叉干扰，否则会影响测量精度一。 在理想化情况下，每一条光谱线对应一个确定的频率，其光谱轮廓只用一条没有宽 度的几何线来表示。实际上，对任何一条谱线进行测量，它们总有一定的频率宽度，而 且各条光谱线的宽度也不一样，形成了每条光谱线所特有的形状。如果以频率为横坐标， 辐射强度的相对值为纵坐标，光谱线都可以由图2 1 所示的曲线表示。 根据光谱线展宽形成的机理，把光谱展宽分为三种类型：自然展宽、碰撞展宽和多 1l 中北大学学位论文 普勒展宽。( 1 ) 自然展宽是在没有任何外界因素影响的情况下，由于自发辐射是不稳定 i q | 2 图2 1 光谱线的形状 的，具有一定的寿命，这时的谱线展宽为自然展宽。它取决于原子结构本身的性质。根 据自然展宽的线型函数k l ( v ) = 兰_ 广1 ，可知它是洛仑兹型分布函数；( 2 ) 碰撞 刀 口+ ( y 一) 展宽：因辐射分子与干扰分子相互碰撞而引起的谱线展宽叫做碰撞展宽。碰撞展宽和谱 线自然展宽的起因，都取决于粒子在激发态存留的平均寿命，因此，碰撞展宽也是洛仑 兹型分布函数；( 3 ) 多普勒展宽：多普勒展宽是原子在空间做无规则运动产生多普勒效 应的基础上建立展宽的。其线型函数为) ：上( 丝) - 坨e x p 一等( v - - v o ) ：】，可以看出， a d 7 z “d 该函数是高斯分布函数，因此，通常把这种谱线轮廓叫做高斯型。 洛仑兹线型是由于粒子之间的互相碰撞引起的，不仅依赖于压强只还依赖于分子的 碰撞截面，而高斯线型只依赖于温度兀在低压情况下，多普勒展宽占优势，可以用高 斯线型来拟合实际的吸收线；当压强较高的情况下，碰撞展宽占优势，可以用洛仑兹线 型来拟合吸收线；在压强处于两者之间的情况下，两种展宽机制都存在，这时用v o i g t 线型来拟合，它是高斯线型和洛仑兹线型函数的卷积形式“纠。在2 至u 6 0 t o r r ( 约o 0 7 9 a r m ) 下，对三种线型( 洛仑兹线型，高斯线型，v o i l g t 线型) 分别进行了详细的测量，都获 得了很好的一致性。在一个大气压下，完全可以采用洛仑兹线型来描述气体吸收光谱的 轮廓n 朝，因此，这里就不对另外两种线型做过多讨论。 在一个大气压下，甲烷气体在单根吸收谱线处的洛仑兹吸收线型表示为： 1 2 中北大学学位论文 ( 2 4 ) 式中为甲烷在吸收峰中心处的吸收系数，y 为吸收线半宽度，单位为c m 1 ：n o s ， ，l y 0 是一个大气压、常温时单位体积内的分子数，n o - - 2 5 1 0 1 9 m o l e c u l e s c m - 3 a t m 1 ； s 是每分子的线强度，单位为a m m o l e c u l e 一；n o s 通常称为线强度( c m 。2 a t m - 1 ) 钏。 通过h i t r a n0 4 数据库，我们查到甲烷气体在2 v 3 带r ( 4 ) 支一些特定波长处的线强度和 吸收半宽，如表2 1 所示。我们选择2 v 3 带r ( 4 ) 支的第二条吸收线作为激光器的扫描谱 线，它的的线强度为0 0 2 2 8 0 c m 2 m o l e c u l e ，吸收半宽度，- - 0 0 8 3 c m 1 a t m 1 ，不难 计算出，这时甲烷的吸收系数a o = 0 0 8 7 c m 。 表2 1h i t r a n0 4 ，t = 2 9 6 k 时r ( 4 ) 支的线强度及吸收半宽 l i n e 兄( n m ) s i ( c m 。2 a r m 1 ) y ( c m 1 ) 11 6 5 0 9 4 80 0 2 2 0 5 0 0 8 3 21 6 5 0 9 5 5 0 0 2 2 8 00 0 8 3 31 6 5 0 9 5 90 0 3 2 0 00 0 8 3 41 6 5 0 9 6 10 0 2 0 4 7 0 0 8 3 t o t a l 0 0 9 7 3 2 其实甲烷在2 v 3 带r ( 3 ) 支1 6 5 3 7 2 2 n m 处线强度要比r ( 4 ) 支稍强，由于激光器中心 波长为1 6 5 0 8 n m ，所以选择了r ( 4 ) 支。甲烷气体在1 6 5 1 n m 附近的吸收谱线如图2 2 所 示，纵坐标为每分子的吸收线强度，单位为c m m o l e c u l e ，横坐标为波长，单位为n m 。 8 o o ) 2 2 6 堆0 2 2 4 e - 。 2 e 0 2 2 波长n l t i 图2 2 甲烷气体在1 6 5 0 n m 附近的吸收谱线