（控制理论与控制工程专业论文）煤矿瓦斯多通道光纤传感检测仪的研究与开发.pdf

摘要在我国，煤炭行业中的瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，耳前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。在煤矿开采过程中，安全方面的隐患正在逐渐增多，瓦斯事故，特别是重大、特大瓦斯事故在煤矿事故中占的比例逐年升高，不容忽视。因此，实时检测甲烷气体的产生源、泄露源及浓度，对工矿安全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。本课题是对光纤气体传感器的研究和进行系统实验，以达到光纤气体传感器在工业现场广泛应用的目的。重点对甲烷和乙炔气体的检测进行了研究，并研制出仪器仪表、传感器、数据分析处理显示系统，对煤矿井下采掘工作面、回风巷道、机电峒室等有瓦斯爆炸气体环境中对瓦斯浓度进行连续测定，显示瓦斯瞬时浓度，超限报警，输出与被测瓦斯含量成正比的频率信号。对系统进行了本质安全防爆设计，能够用于矿井采掘现场，在煤矿安全防爆的监控中，与各种煤矿安全监测系统配套使用，实现了光纤气体传感器的实用化。本文设计的实验方案主要包括以下几个方面：1 1 分析了气体光谱吸收的基本原理，并对可调谐半导体激光吸收光谱技术( t d u 岱) 做了详细讲述。t d l a s 的测量方法有两种，在实验的基础上比较了两种方法的测量精度的差别，选择了测量精度高的方法。劲利用h i t r u n 数据库对测量气体的吸收峰进行了筛选，选择了吸收强度最强，气体之间相互影响小的吸收峰。并且在选择好波长和测量方法的基础上，对光源及光电二极管进行了选型。3 1 在理论分析的基础上，本文进行了光路、电路和气室的设计。在电路设计上采用锁相放大器来提取微弱信号，最大限度的抑制噪声，提高系统的信噪比。4 1 对系统进行本质安全防爆设计，能够更好的应用于矿并现场实时测量。5 1 多通道同时在线实时测量的设计，大大降低了成本。酏依据双光源方法进行测量多种气体光纤气体传感器的研究。以检测甲烷和乙炔气体为例，对双光源方法的可行性、稳定性和测量精度做了具体分析。关键词；光纤气体传感器，光谱吸收，可调谐半导体激光技术，本安特性a b s t r a c ti ti sg a sc a l a m i t yt h a ti m p e r i l st h es a f e t yo fm i n i n gi n d u s t r yi no u rc o u n t r y i th a sb e e nt h em o s ts e r i o u sm a t t e rw h i c hr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to ft h em i n i n gi n d u s t r y i nm i n i n ge x p l o i t a t i o n ，h i d d e nt r o u b l ei ns a f e t yh a si n c r e a s e dg r a d u a l l y i t 啪n o tb ei g n o r e dt h a tt h er a t i oo fg a sa c c i d e n tt ow h o l em i n i n ga c c i d e n th a si n c r e a s e dg r a d u a l l y s o , d e t e c t i n gt h eo r i g i n ，l e a ka n dd e n s i t yo fm e t h a n e ( t h em a i nc o m p o n e n to fg a s ) i nt i m ei sc r u c i a lt ot h es a f e t yo fm i n i n gi n d u s t r ya n dp e r s o n a ls e c u r i t ya n ds a f e t y t h i sp r o j e c ti st h ee x p e r i m e n tf o c u s i n go l lf i b e r - o p t i cs e n s o ra n dt h ew h o l es y s t e m s ot h a tt h es y s t e m 啪w i d e l yb ea p p l i e di n t oi n d u s t r i a lf i e l d w el a ye m p h a s i so nt h ed e t e c t i o no fc r ha n dc 2 h 2 ，a n dd e v e l o pt h ei n s t r u m e n ta n dd a t aa n a l y s i ss y s t e m ，w h i c hc o n t i n u o u s l yd e t e c t st h ec o n c e n t r a t i o no fm e t h a n ei nt h ee n v i r o n m e n to fe x c a v a t i n gw o r k i n gf a c e , w i n dl a n e w a ya n ds oo n b e s i d e s ，t h es y s t e mc a nd i s p l a yt h ei n s t a n tc o n c e n t r a t i o n ，a l a r ma tt h et h r e s h o l do fl i m i t a t i o n , a n dt h ef r e q u e n c ys i g n a li so u t p u tw h i c hi sl i n e a rt om e t h a n ec o n c e n t r a t i o nd e t e c t e d o u rd e s i g ni nf a c ti st h es a f e t ya n de x p l o s i v ea v o i do n e t h a ti sw h yi tc a nb eu s e di nm a n yd a n g e r o u sc o a lm i n e s i nt h ee x p l o s i v ea v o i dm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h es y s t e mc a nb e u s e dw i t ho t h e rm o n i t o r i n gs y s t e m s ，w h i c ha r ec o m p a t i b l e h e r e ，t h ee x p e r i m e n ti n c l u d e ss e v e r a ls c h e m e sa sf o l l o w s ：1 ) w ed e t a i lt h es p e c t r u ma b s o r p t i o nt h e o r ya n dt h et e c h n o l o g yo ft d l a s t h e r ea r e2m e t h o d so fm e a s u r i n g , w h o s ep r e c i s i o na r ec o m p a r e db a s e do ne x p e r i m e n t s t h e nc h o o s et h eo n ew i t hh i g h e rp r e c i s i o n 2 、u s i n gh i t r u nt oc h o o s ea b s o r p t i o na p e x t h e ns e l e c tt h es o u r c ea n dp h o t oe l e c t r i c i t yd i o d e ，b a s e do nt h ew a v e l e n g t ha n dm e a s u r i n gm e t h o dt h a ti ss e l e c t e d 3 ) 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 ed e s i g nt h el i g h tp a t h ，c i r c u i ta n dg a sc h a n n e l t h ef e e b l es i g n a li so b t a i n e db yp h a s el o c k e da m p l i f i e r t h en o i s ew i l lb er e s t r a i n e di nm a x i m u md e g r e e a l s ot h es i g n a lt on o i s er a t i ow i l lb er a i s e d 4 ) t h ed e s i g ni ss a f e t yi ne s s e n c e ，a n ds oi tc a nb es u i t a b l ef o rc o a lm i n eu s e 5 、m u l t i - c h a n n e lo n l i n ed e t e c t i o hr e d u c e st h et o t a lc o s t 6 ) a c c o r d i n gt om e t h o du s i n gd u a il i g h ts o u r c 宅，t h er e s e a r c hi so hf i b e r - o p t i cs e l l s o i sd e t e c t i n gm u l t i g a s m e t h o db a s e do nd u a ll i g h ts o u r c ei sc a r r i e do u ta n dt h ed e t a i l e da n a l y s i so nf e a s i b i l i t ys t a b i l i t ya n dp r e c i s i o na r ea b o u tq h 2 k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rg a ss c n s o l s ，s p e c t r u ma b s o r p t i o n ，t d l a s ，i n t r i n s i cs a f ec h a r a c t e r i s t i cl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。签名：日期：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，可以采用影印、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)签名：导师签名：武汉理一r 大学硕十学位论文1 1 引言第1 章绪论随着工农业的迅速发展，如何更好的保护矿井、油田、电力系统以及环境成为越来越值得重视的问题。世界各国都组织并成立了相应的环境保护组织，希望能够对污染以及安全生产进行有效的监测与控制。近几年，各工业发达国家投入了大量人力物力研究开发新型传感器，用于识别未知污染源或连续监测已知污染源的状态与变化4 ) 1 儿。在我国，煤炭行业中的瓦斯灾害始终是煤矿安全生产的大敌，目前已成为制约煤矿安全生产的主要矛盾。目前我国的煤矿安全生产事故不断，特别是不断发生的重大瓦斯爆炸事故，造成了严重的经济损失的人员伤亡。随着煤矿开采工艺和开采技术手段的不断改进，开采规模得以逐渐扩大，开采深度也得以不断延伸，这就使得煤层瓦斯涌出量越来越大，高瓦斯矿井越来越多。因此安全方面的隐患逐渐增多。瓦斯事故，特别是重大、特大瓦斯事故在煤矿事故中占的比例也逐年升高，不容忽视。在我国煤矿安全事故中，瓦斯爆炸造成的伤亡约占所有重大事故伤亡人数的5 0 以上，我国煤矿安全生产状况与世界主要产煤国相比差距较大，发生的重大事故相对较多，给国民经济和人身安全造成了巨大损失。瓦斯爆炸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【2 1 。瓦斯是远古时期煤炭在地层里生成过程时产生的附存气体。它的主要成分是甲烷和氢气等可燃气体。其中，甲烷气体( c h d 属于易燃易爆气体，是天然气、沼气和多种液体燃料的主要成份，同时也是重要的工业原料和日常生活的燃气，甲烷气体是矿井瓦斯主要成份，约占8 3 8 9 1 3 1 。另外，从保护环境的角度而言，甲烷气体同时也被认为是温室效应最主要的气体之一，据报道甲烷吸收红外线能力是二氧化碳的1 5 3 0 倍，占据整个温室贡献量的1 5 ，在一些地区，空气中甲烷的浓度每年大约以1 的速度增长【4 j 。甲烷气体在开采过程中缓慢的释放出来与空气中的氧气混合，再遇有明火就会发生猛烈的爆炸或者燃烧。因此，及时检测瓦斯的主要成份甲烷气体的产武汉理i ：大学硕十学位论文生源、泄露源及浓度，对工矿安全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。因此治理瓦斯是煤矿安全的第一大任务。1 2 光纤气体传感器的发展与现状1 2 1 光纤气体传感器的研究过程与现状利用外界因素使光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长( 或频率) 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叫光纤传感技术。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 5 1 。由于光纤传感器具有体积小、重量轻、电绝缘性好、无电火花、安全、抗电磁干扰、灵敏度高、便于利用现有光通信技术组成遥测网等优点，对传统的传感器能起到扩展、提高的作用，在很多情况下能完成传统的传感器很难甚至不能完成的任务，因此受到广泛的重视。目前世界上已有光纤传感器过百种叫6 】4 胴，例如测量位移、速度、加速度、压力、流量、振动、温度、电压、电流、电场、磁场、核辐射、气体组分等物理量的光纤传感。新的传感原理及应用不断出现，传感用的特殊光纤以及专用器件、技术的出现使许多光纤传感器的指标不断提高。从发展的角度讲，分布式光纤传感器系统以及光纤传感器网络代表了光纤传感技术在方法和结构上的发展方向【8 】【9 】【1 0 1 ，这一方向将是光纤传感技术与光纤通信技术的充分结合，形成一种所谓的智能结构( s m a r ts t r u c t u r e ) 。目前在大容量、高速率光纤通信中已经和将要应用的时分复用( t d m ) 、波分复用( w d m ) 、以及频分复用( f i ) 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器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1 1 l 】【”l 。目前，光纤气体传感器的研究主要集中在波长1 0 2 o u m 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、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4 ) 【1 3 1 4 x 1 4 】州1 5 1 4 ) 【1 6 1 。红外光源和2武汉理f ：大学硕十学位论文红外光纤的研究和开发，可将工作波长移到红外波段。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 2 光纤气体传感的分类光纤气体传感器是光纤传感技术的一个重要的应用分支。光纤传感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，探头则为外加的换能器；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，还有气体探测的作用。国外也有人将这两类传感器分别称为外作用型和内作用型光纤气体传感器1 1 7 l 【1 8 】1 1 9 j 2 0 。( 1 ) 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。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，水蒸气浓度的检测就是多孔光纤气敏传感的一个典型实例1 2 ”。基于荧光效应的光纤气体传感器是通过测量与其相应的荧光辐射来确定气体的浓度，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，因此又可分为两类：一是测量荧光辐射的强度，另一类是测量荧光辐射寿命，基于荧光效应光纤气敏传感对检测氧气和氢离子浓度尤为显引2 1 1 。( 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武汉理1 二大学硕十学位论文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，而且相关谱线和现有的光源及光纤的低损耗传输窗口相适应，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传感器的一个主流方向i 纠【2 3 】【卅。气体对某些特定频率的光能吸收后的效应主要表现为直接吸收效应和吸收后的热效应，这两种效应导致不同的传感形式。窄谱线激光器光源和差分吸收技术在直接吸收效应的光纤气体传感器中得到较好的应用i 硐。声光信号检测则是根据吸收光能后的热效应的一种检测技术。光一声效应所产生的声波的振幅直接与入射光强度和吸收气体样本的浓度相关【圈，但由于它要求光源的输入功率大，气室设计复杂，而且探头带电，使得检测灵敏度较高的一种气体浓度测量方法在实际应用中受到限制。1 2 3 光纤气体传感器的特点由于光纤本身传输损耗和微型结构，光纤气敏传感存在两个基本限制：一是光纤的低损耗传输窗口的限制，普通石英光纤只在1 1 1 讹m 的近红外区有低损耗和低色散【2 6 】。若在中、远红外区进行探测会造成光信号较大的衰减，致使光通过待测气体后的变化与气体的检测参数不成特定的关系。而多数气体在中、远红外光谱区存在较强的吸收谱线。另一限制是光纤本身的微型结构使得光纤只有较小的数值孔径，光耦合难以很高。但在短距离传输检测中，采用数值孔径较大的塑料光纤可提高光耦合，又不会产生较大的传输损耗。尽管光纤气体传感存在限制，但光纤气体传感器较传统的气体传感器仍具有很多优点1 2 7 l f 冽l 矧p 0 1 1 3 1 l ：1 1 光纤气体传感器本质安全、抗电磁干扰、绝缘性能好，且耐高温、耐高压、防腐蚀、阻燃防爆，适用于远距离遥测和某些特殊环境的分析；光纤传输损耗低，信息容量大，直径细，重量轻，光纤及探头均可微型化；3 1 测量范围宽，精度高，工作稳定，寿命长，成本低，可同时进行多参数或连续多点检测以获得大量信息；钔可以实现在线监测，特别适用于工业自动化；5 1 光纤探头对被测量场的影响小，灵敏度高，动态范围大，响应速度快；4武汉理i ：丈学硕十学位论文6 ) 光纤的生物兼容性好，加之良好的柔韧性和不带电的安全性，使之尤其适用于生物和临床医学上的实时、体内检测；乃在大多数情况下，光纤气体传感器不改变样品的组成，是非破坏性分析。由于光纤气体传感器具有上述优点，尤其是它的本质安全、抗电磁干扰的特点，是其它气体传感器无法比拟的。这使它可以安全方便地用于易燃易爆、强电磁干扰或其它恶劣环境中气体的检测1 3 2 】【3 3 】【3 4 l 【3 5 1 。1 2 4 光谱吸收型光纤气体传感器的市场背景目前在国内气体分析仪领域，红外气体分析仪仍然是一种“贵族”型的仪器，国内仪器价格在3 7 万，国外价格在7 - 1 5 万，因此国内电化学传感器的仪器使用较为广泛。单气体电化学仪器一般价格在一万元左右，其关键部件的传感器寿命一般为1 2 年，如果长期使用，实际上其成本也不低1 3 6l 。本课题研究的红外光谱吸收型光纤气体传感器不仅可以代替传统的电化学仪器，同时对传统红外气体分析仪提出了挑战。本课题研究的红外光谱吸收型光纤气体传感器在环保监测、煤炭、石油、化工、冶金、电力、烟草、食品、制药、进出口检疫、粮食储备过程气体浓度监测、生物工程等方面都有着广泛的用途，有着巨大的潜在市场，以下就几个主要细分市场进行分析。( 1 ) 红外煤矿瓦斯监测瓦斯是煤矿开采的伴生物，为煤矿灾害之首，对煤矿安全生产威胁最大。瓦斯事故是造成煤矿死亡的主要原因之一。2 0 0 1 年全国煤矿事故死亡5 6 7 0 人，瓦斯事故死亡2 4 3 6 人，占死亡总人数的4 3 。特别是近几年来发生的几起煤矿瓦斯爆炸特大事故，造成了重大人员伤亡和经济损失，教训深刻。国家煤矿安全管理部门要求一旦煤矿瓦斯浓度超标，则要求井下作业设备必须断电，由于传统热催化探头测量精度低，需要经常标定，往往因为瓦斯传感器的误报使得设备停止运行。而红外瓦斯传感器由于测量精度高，稳定性好，很好的解决了煤矿瓦斯报警的问题。全国现有煤炭企业近3 0 0 0 家，按每家煤炭企业需要1 0 0 台瓦斯气体变送监测装置计算，煤炭行业就需要3 0 万台的煤矿瓦斯监测仪用于安全生产。以此类产品6 年的生命周期，平均每年的市场量就在5 万台以上，此外每年还有近1 55武汉理f 大学硕七学位论文万台的便携瓦斯监测仪的需求。以每台监测仪仪器4 0 0 0 元以及便携仪2 5 0 0 元的价格计算，每年就有近5 亿元的产值。( 2 ) 汽车排气检测汽车消费是我国近年来的消费热点，汽车在运行中会排出多种有害气体，造成大气污染。控制并降低汽车排气污染已成为世界性课题。汽车排放的主要污染物是：一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物等。红外法排气检测已经确定为我国的标准。根据最新的汽车维修行业开业技术条件，所有汽车维修企业都必须配备排气检测设备。汽车排气检测仪的市场需求量为1 5 万台以上，总产值近8 0 0 0 万。( 3 ) 可燃气变送器和检测仪主要应用于石油、石化、天然气等行业，随着我国大量气田的开采，以及西气东输的实施，对可燃气检测的需求进一步加大。以往可燃气检测都采用热催化探头进行，首先其澳0 量精度低，需要经常标定，此外在石化、天然气等缺氧环境还不能使用，同时其使用寿命只有一年左右。因此新型的长寿命、高精度红外可燃气检测技术是本行业的发展趋势，这也被国际上可燃气变送器生产厂家都投入到红外气体分析方法的研究上来得到应证。可燃气变送器和检测仪在国内每年的销售数量在5 万套左右，总价值在6 0 0 0 万以上。( 4 ) 医疗过程气体分析呼吸末c 0 2 监测已是发达国家进行麻醉手术的必须设备，由于其使用方便，且为无创监护，因此得到普遍认可。但是由于不能实现呼吸末c 0 2 模块的国产化，监护仪器、麻醉机、呼吸机等企业不得不从国外购买o e m 的模块。价格在1 0 0 0 美元左右，比较昂贵，限制了具备c 0 2 检测功能的国产监护仪在医院的普遍使用。由于国产监护仪具有价格低以及本地化服务的特点，其在整个监护仪器的市场中的比例已经占据主导地位，而国产监护仪由于担心配置进口c 0 2 和麻醉气如扣分析模块会大大提高仪器设备的价格，因此很少配备这些模块。因此国产化的c 0 2 模块以及麻醉气模块的推出对于提高国产监护仪的整体水平意义重大。据统计，国内需要配备心电监护设备的县级以上医院有1 5 0 0 0 多家，每年至少需要1 5 万台监护仪。按每台5 8 万元计算，则市场需求潜力为7 5 1 2 0 亿人6武汉理r 大学硕十学位论文民币。按这些监护仪中1 0 配备c 0 2 监测模块，则每年就有5 0 0 0 万元的产值。( 5 ) 工业过程监测在环保领域，全国石油、天然气、冶金、化工、建材和城市垃圾焚烧厂等有1 8 ，0 0 0 个重点控制污染源，为了实现达标排放，企业必须安装污染物排放监测系统。因此高效、便捷、稳定的环境污染监测仪器设备其市场发展前景十分广阔。以上分析表明，红外气体传感器是不同行业应用中气体分析的关键共性技术，在不同行业中均有广泛的市场。对于目前市场开发而言：汽车排气检测、连续污染物检测、分析仪器行业的配套传感器是现成的市场，只要产品质量稳定，进入市场是十分容易的。1 3 光谱吸收型光纤气体传感技术的研究现状与其他的气体传感技术相比，基于气体吸收谱测量的吸收型传感技术具有相当高的测量灵敏度，极高的气体鉴别能力，快速的响应能力，对温度、湿度等于扰的强抵抗力，简单可靠的气体传感探头( 气体吸收盒) 以及易于形成网络等优点。因而是目前最有前途的一种气体传感技术i ”】。最早从1 9 7 9 年起，光谱吸收型光纤传感技术采用l e d 光源，对n 0 2 ，c h 4等进行检测一些可燃易爆的有机分子气体如c 3 h 8 ，q h 3 ，c 2 h 6 和c 4 h l o 的光纤远程测量也见诸于报道。分布反馈式( d f b ) 激光器的出现，使光纤气体传感精度有了巨大提高，室温下乙炔气体最小可探测灵敏度可达4 0 p p m 。而且d f b 激光器可检测的气体种类也越来越多。尽管光纤气体传感技术已有数年的研究，但始终难以实用化。气体传感波段的d f b 激光器成本居高不下，单个激光器就要上万美元，对于单点光纤气体传感系统，如此高的成本将限制它与电类传感器的竞争。人们开始研究利用光纤巨大的带宽和易于成网的特性进行多点光纤气体传感，使多个光纤气体传感探头共用同一个激光光源或者同一套信号处理设备，大大降低成本。1 9 9 8 年，英 s t r a t h c l y d e 大学的gs 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。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。1 9 9 9 年，香港理工大学靳伟博士领导的研究小组对t d m 技术用于7武汉理1 ：大学硕士学位论文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做出了理论预测，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。之后，与清华大学合作，实现了一套f m c w 复用的多点光纤乙炔气体传感系统。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的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的最简单结构。但是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间串扰复杂，测量数目以及测量灵敏度都不是特别高【3 7 j 。由此看来，光纤气体传感技术的发展是从利用宽带光源到利用窄带可调谐光源，从单点测量到多点同时监测，测量灵敏度也是逐步提高，单点测量成本越来越低，逐步实现实用化。1 4 课题的目的、意义及主要研究内容对于甲烷、硫化氢等气体的检测在环境监测、工业控制等领域都非常重要，人们对发展快速、灵敏和有效的气体检测手段的需求十分迫切。传统用于检测气体的气体传感器大多数通过其探头的电阻或电容变化来测定气体浓度，其灵敏度低，抗干扰能力差。在工业生产自动控制中则主要采用气相色谱仪与计算机联用来检测气体，由于现场环境恶劣，其检测效果普遍不好，而且该设备十分昂贵，增加了生产的成本。由于光纤传感器具有体积小，抗干扰能力强，测量精度高，可远离现场检测等优点，因此能可靠用于工业现场条件的光纤气体传感器日益得到人们的重视【3 8 1 1 3 9 1 。本课题是对光纤气体传感器的研究和进行系统实验，以达到光纤气体传感器在工业现场广泛应用的目的。重点对甲烷和乙炔气体的检测进行了研究，并研制出仪器仪表、传感器、数据分析处理显示系统，对煤矿井下采掘工作面、回风巷道、机电峒室等有瓦斯爆炸气体环境中对瓦斯浓度进行连续测定，显示瓦斯瞬时浓度，超限报警，输出与被测瓦斯含量成正比的频率信号。对系统进行了本质安全防爆设计，能够用于矿井采掘现场，在煤矿安全防爆的监控中，与各种煤矿安全监测系统配套使用，实现了光纤气体传感器的实用化。武汉理l 大学硕士学位论文第2 章红外光谱吸收型光纤气体传感器的原理及方法研究2 1 气体光谱吸收基本原理从本质上说，所有与气体物理或化学特性相关的光学现象或特性，都可以直接或间接地用于光纤气体浓度测量。光谱吸收型的气体传感是最重要的一类光纤气体传感器。它是利用了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，可以得到气体的浓度。通过标定吸收峰的位置，可进一步对气体的种类进行识别。常见的气体( 如c o 、c 地、c 2 t t 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 , u m 1 0 z m ) 的振动谱。这个波段远远超出了石英光纤的透射窗口( 1 舳1 7 u m ) ，因此在光谱吸收型光纤气体传感中，一般是利用了气体在石英光纤透射窗口内的泛频谐波谱。尽管这类泛频谐波谱的吸收远小于标准特征谱的吸收，但是由于光纤对这些波长的衰减极低，探测系统的灵敏度又相当高，所以也可以得到很好的检测结果1 3 ”。表2 1 显示了一些重要的气体在近红外波段( 石英光纤的透射窗口) 的吸收谱线波长1 4 0 1 + 1 1 j 可以看出，大部分的气体都可以用这种方法测量。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)可能的污染来源氧气d 20 7 6 1 u m二氧化碳c 0 21 5 7 3 , u m发动机废气，发电厂废气甲烷c 矾1 6 6 5 , u m煤矿煤层气体水蒸气h 刀1 3 6 5 u m二氧化氮d 20 8 0 u m工业废气一氧化碳c o1 5 6 7 u m发动机废气，发电厂废气9武汉理r ：大学硕士学位论文表2 1 ( 续) 一些气体在近红外波段的特征吸收峰波长乙炔c 2 h z1 5 3 0 t t m发动机废气，可燃易爆气体硫化氢 峪1 5 7 8 t t m工业废气氨气鹏1 5 4 4 t t m工业废气当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时，就会发生共振吸收，其吸收强度与该气体的浓度有关，通过测量光的吸收强度就可测量气体的浓度。当一束光强为，d 的输入平行光通过待测气体时，如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收谱线，则光通过气体时发生衰减。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，与入射光强而和气体的体积分数之间的关系为式( 2 - 1 )，- o e x p 卜口c l 】( 2 1 )式中，口和) 为气体吸收系数，即气体在一定频率p 处的吸收线型；工为吸收路径的长度；c 为气体的浓度。如果光源谱分布带宽远小于气体吸收线带宽，通过对光源的注入电流进行正弦调制，光源频率和输出光强也受到相应的调制。y - v o + ，o )( 2 2 )l o t ( f ) l o 1 + r l f ( t ) ( 2 3 )其中雕) 为正弦函数，f ( t ) = s i n w t ，w = 2 p f , ，为电流调制频率。v o 为光源未经调制时的中心频率；为频率调制幅度；”为光强调制系数，将式( 2 2 ) 、( 2 3 )代入( 2 - 1 ) ，则j ( f ) j 0 1 + ”，帅”时v ，o 肛( 2 - 4 )在近红外波段，气体的吸收系数很小，满足口( 订c l 1 ，光强的调制幅度也很小，即1 1 l ，这样就可以运用近似公式e x p i - a ( v ) c l = 1 - - a ( v ) c l( 2 - 5 )这时，( f ) 可近似为，( f ) = i o l + t i f ( t ) - a v o + ，o ) 口)( 2 6 )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。因此可以用l o r e n t z 曲线描述c 1 4 分子的吸收谱线型武汉理1 ：人学硕士学位论文刊丽o o( 2 7 “( 等)口。表示纯气体在吸收线中心的吸收系数，喙和d v 分别对应吸收峰的中心频率和i ( 0 - i 。啪，(f)一嗣aocl当光源输出中心波长被精确地锁定在气体吸收峰上时，v o = v g ，则，( f ) 一i om 一两a o c l1 + l 坐i( 2 8 )( 2 9 )定义x - - v ，将式( 2 - 9 ) 展开为傅里叶级数序列，它的一次谐波( ，) 和二次谐波( 2 ，) 的系数分别为乒而叩( 2 - 1 0 )lzf-kaoclio(2-11)式中，k = 2 1 2 + 矿- 2 ( 1 + x 2 ) 1 2 x 2 ( 1 + x 2 、1 尼( 2 - 1 2 )可见，检测二次谐波可以获得气体浓度信息，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，和气体浓度没有关系。用二次谐波和一次谐波的比值作为系统的输出，可以消除光源波动等共模噪声。2 2 可调谐半导体激光吸收光谱技术可调谐半导体激光技术( t d l a s ) 是利用半导体二极管激光器的波长扫描和电流调谐特性对痕量气体进行测量的一种技术。由于二极管激光器的高单色性，武汉理f 人学硕十学位论文因此可以利用气体分子的一条孤立的吸收谱线对气体的吸收光谱进行测量，从而可方便地从混合污染成分中鉴别出不同的分子，避免了光谱的干扰【轺。可调谐半导体激光技术( t d l a s ) 探测的波段是2 - 1 5 u m 的中红外区，是分子振动和转动光谱区，谱线非常丰富密集，要达到选择性很强、灵敏度很高的检测，就需要很高的光谱分辨率，能够分辨特定分子的振一转结构，光谱线宽的典型值要达到2 x 1 0 - 3 c m - 1 ( 6 0 m h z ) ，只有这样，才能避免其它大气分子的干扰，特别是普遍存在的主要大气分子h 2 0 和c 0 2 的干扰。可调谐半导体激光具有很高的光谱分辨率，在单模运转时的典型线宽为0 0 0 0 2 c m 一，且可在所希望的波长区连续调谐，因此可调谐半导体激光非常适于在红外区对痕量气体或污染气体进行高分辨光谱测量。t d l a s 技术的主要特性有以下几方面：1 1 高分辨率光谱技术，这是其它光谱技术无法比拟的，从而避免了其它分子的干扰，导致一种确定无疑的测量，并成为其它测量技术的比较标准。2 ) 实用性很强的测量技术，只要调谐激光波长并改变定标气，就可从一种大气分子的测量切换为另一种大气分子的测量，也可进行多种成分的同时测量。3 1 快速响应的测量技术，这使应用该技术进行某些大气分子的实时流量测量和其它在现场进行实时在线测量成为可能。2 3 可调谐半导体激光技术( t d l a s ) 测量的方法目前，t d l a s 的测量方法最常用的有两种：传统的直接吸收法和波长调制技术。传统的直接吸收法是通过锯齿扫描信号改变激光器的注入电流来对激光器的波长进行调谐，激光直接通过测量的气体介质，被探测器检测，由于气体的吸收，在探测器输出的锯齿信号上会出现与气体吸收相对应的凹峰，通过拟合背景谱线并进行反演得到气体浓度；直接吸收的方法受到激光器、探测器、电路等低频噪声的影响，其灵敏度很低。直接吸收法光源驱动的基本原理图如图2 1 所示。武汉理i ：大学硕十学位论文锯齿波调制信号l 乜孓。7半导体激光器图2 - 1 直接吸收法光源驱动的基本原理图波长调制是将叠加了高频正弦信号的锯齿波加到激光电流上，探测器输出的信号被正弦信号的倍频信号解调就得到与气体浓度相关的谐波信号。波长调制法光源驱动的基本原理图如图2 2 所示。图2 2 波长调制法光源驱动的基本原理图波长调制技术比较复杂，对信号源有较高要求，但是这种方法的检测灵敏度比直接吸收要高2 3 个数量级。为了实现高灵敏度本文主要采用波长调制技术进行气体浓度检测。武汉理l ：人学硕士学位论文第3 章甲烷光纤气体传感器的研究3 1 吸收峰的选择根据比尔一朗伯特定律，出射光强，与入射光强而和气体的体积分数之间的关系为( 3 1 )聃= o ( t ) e x p - a ( v ) c l 】( 3 1 )其中口( v ) 为气体吸收系数，可见口d ) 越大气体吸收光强的能力，因此需要找到甲烷吸收最强的波长的光。根据h i t r u n 数据库，可以看到甲烷在1 6 6 5 n m 附近有多个吸收线，如图3 1 。nten8ltyo h a w k si n t e n s i t yf i l ec ：t t e m p v o u t2 j 3 , 1 5 呻oq o 嘲o 5 5q o 咐jw v enum8er 5c m - 1图3 1 甲烷吸收谱线1 6 6 5 n m 一1 6 6 6 n m1 4武汉理j ：大学硕十学位论文由图3 - 1 可以看出，在6 0 0 4 c m - 6 0 0 4 5 c m d ( 即1 6 6 5 4 r i m 1 6 6 5 6 r i m ) 之间包含了三根相距非常近的吸收线，放大后看6 0 0 4 c l n - 1 6 0 0 4 5 c m 1 范围内的吸收线( 如图3 2 ) 。三根吸收线所在范围是6 0 0 4 2 9 c m 1 6 0 0 4 3 3 e m ，也就是说它们相距的最大距离为0 0 1 1 r i m 。ty甜0h a w k si n t e n s i t yf i l ec ： 恤s m p f o u t呻2 到5u 0 4 30 0 0 4 3 1 暗8 0 0 4 , 3 1 3 昔n 0 4 3 2m b 4 3 2 5a 4 3 3w v en u mbe r 8c m - 1图3 2 甲烷吸收谱线1 6 6 5 4 6 r i m 一1 6 6 5 4 7 r i m可以认为它们是线强为三条吸收线线强之和的一条吸收线。在吸收线两侧各0 5n l n 范围内没有其它气体( 如：水汽，二氧化碳，氮气等) 的强吸收线，该吸收线的线强比该范围内其它气体的吸收线要强6 5 0 0 倍以上，完全可以避免空气中其它气体的干扰。所以本研究选择波长为1 6 6 5 4 7 r i m 的光。由于各个光谱仪都有自己一定的偏差，因此不能直接就用光谱仪将光源发射出的光的波长调至u 1 6 6 5 4 7 r i m ，应该先用l e d 光源寻找最强的吸收峰，l e d 的光谱覆盖了甲烷气体多个吸收谱线，图3 3 为3 0 甲烷气体在1 6 6 5 0 r i m 一1 6 6 6 0 r i m范围内的吸收谱线，光通过气体后发生了多谱线吸收。武汉理f 大学硕十学位论文夕、) 弋r i 、vl jv 一、一毛冬吸4芟峰位呈选取1 6 6；4 7 3 a m图3 33 0 甲烷气体在1 6 6 5 o h m 一1 6 6 6 o h m 范围内的吸收谱线3 2 光源的选择3 2 1 半导体激光二极管半导体激光二极管是一类电流运作的理想的光子源器件，半导体激光二极管的基本结构如图3 4 所示，垂直于p n 结面的一对平行平面构成法布里一珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。图3 - 4 半导体激光二极管的基本结构1 6武汉理i ：大学硕十学能论文半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的p n 结加有正向电压时，会削弱p n 结势垒，迫使电子从n 区经p n 结注入p 区，空穴从p 区经过p n 结注入n 区，这些注入p n 结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为九的光子，其公式如下：九= h c e g( 3 - 2 )式中：h 普朗克常数；c 一光速；e g 一半导体的禁带宽度。上述由于电予与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子一空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从p n 结发出具有良好谱线的相干光一激光，这就是激光二极管的简单原理【4 3 1 。半导体激光二极管的常用参数有：1 ) 波长：即激光管工作波长。2 ) 阈值电流n h ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言。其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至1 0 m a 以下。3 ) 工作电流l o p ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。4 ) 垂直发散角0 上：激光二极管的发光带在垂直p n 结方向张开的角度，一般在1 5 。4 0 。左右。5 ) 水平发散角0 ：激光二极管的发光带在与p n 结平行方向所张开的角度，一般在6 。1 0 。左右。6 ) 监控电流i m ：即激光管在额定输出功率时，在p i n 管上流过的电流。但是，普通半导体激光器难于实现单波长或单纵横工作，即使窄条形激光器可以观察到直流( 静态) 单纵模运转。但是，当这类激光器在高速调制下工作时，会发生光谱展宽，且随着调制频率的增加，振荡模的线宽会变得更宽，特别是偏置电流低于阈值时更为严重。1 7武汉理l ：大学硕十学位论文3 2 2 分布反馈式半导体激光器分布反馈式半导体激光器( d i s t r i b u t i o nf e e d b a c kl a s e rd i o d e ，d f bl d ) 。d f b 激光器结构图如图3 5 。图3 5 d f b 激光器结构图由图可见，d f bl d 就是在半导体激光器内部建立一个布拉格光栅，靠光的反馈来实现纵模选择。光栅具有衍射、反射、选频等功能，把光栅刻制并埋入半导体中它就能起到分布布拉格反射器的功能，从而代替了法布里腔的光反馈作用，可以实现集成化要求的无腔面激光器。此外，介质光栅除了有反馈选频、耦合等功能外，通过