光纤甲烷气体传感分析-光学工程专业论文.docxVIP

学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华中科技大学硕士学位论文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 PAGE 1 PAGE 1 1 绪论 1.1 引言 我国是煤炭资源型大国，但煤矿事故频频发生，造成了严重的经济损失和人员伤 亡，安全性急需加强。在各类煤矿安全事故中，因瓦斯爆炸而造成的伤亡要占所有重 大事故伤亡人数的一半以上[1]。因此，如何实现安全生产，是我们目前急需解决的重大 难题。 甲烷( CH 4 )是瓦斯气体的主要成分，约占 83-89%，属于易燃易爆气体。甲烷爆炸 受到三个因素的影响：甲烷浓度、火源和氧气含量。甲烷爆炸的下限是 5.3%，上限是 15%，但并不意味着甲烷爆炸只在这浓度区间发生，如若有别的可燃性气体或煤尘混 入，就会使甲烷爆炸界限扩大，温度、压力也会影响其爆炸界限，结果使得甲烷浓度 不到 5.3%就可能发生爆炸，而超过 15%也还会爆炸；如若有惰性气体(如 CO2 、 N 2 ) 混入，可使甲烷爆炸界限缩小，甲烷浓度达到 5.3%也不爆炸，不到 15%也可失去爆炸 性。甲烷的点燃必需要有明火，而矿井下电气火花、机车火花等都可使然。另外在有 甲烷的混合空气中，如果氧气的含量低于 12%，甲烷会失去爆炸性[2-4]。 近年来，重大、特大瓦斯爆炸事故频频发生，不仅造成了很大的经济损失，更是 造成了重大的人员伤亡，教训惨痛。 煤矿业是我国经济发展的重要保证，要保证采矿业的顺利进行，安全是第一位的， 为此对煤矿中甲烷气体实时监测，是非常重要的。 现在我国煤矿中用于检测甲烷浓度的技术多是采用半导体气敏技术和催化燃烧技 术，然而这两种技术或测量误差大，或安全性能低，因此寻找更安全更高效的检测方 法是当务之急。随着光纤技术的迅猛发展，人们开始注意到光纤传感与常规传感相比， 具有很大的优越性。可以预见，光纤气体传感会有很好的发展前景。 1.2 光纤气体传感介绍 光纤气体传感是随着光纤通信的发展而迅速发展起来的一种新型传感技术[5]。总体 来说，可以分为本征型和非本征型光纤传感，前者如渐逝场泄露型，光纤不仅作为传 输单元，而且本身也作为传感器件；后者如光干涉型、染料光谱吸收型和光谱吸收型， 光纤只作为传输单元，本身不参与传感[6]。 光纤气体传感的几种类型： 1.2.1 渐逝场泄露型 渐逝场泄露型光纤气体传感采用一段裸光纤，放置在待测目的中，当周围气体（如 甲烷）浓度变化时，会导致折射率变化，光纤中的渐逝场泄露到周围空气中，从而探 测气体浓度。这种采用裸光纤的传感器实际运用中，光纤表面会很容易被污染，因此 这种方法没多大实际价值。 1.2.2 染料光谱吸收型 染料光谱吸收型采用聚合物包层光纤，聚合物中有气敏染料，染料与气体作用后 状态会发生变化，在各种不同的状态下有不同的吸收光谱，类似 PH 值传感器。但这种 方法受化学作用速度的限制，而且受环境温度、湿度的影响，另外检测系统也复杂。 1.2.3 光干涉型 干涉型光纤气体传感采用两束光干涉的方法检测气体折射率的变化，而折射率的 变化直接与浓度有关，基于此原理，可以制成便携式瓦斯探测仪，目前在国内煤矿下 普遍使用。但是在煤矿下其测量时受环境温度、湿度的影响较大，可靠性与稳定性较 差。 1.2.4 光谱吸收型 这种方法光纤只作为传输介质，当气体吸收光后，光强会发生变化，因此只需检 测光强的变化即可，气体浓度的大小直接影响吸收光的多少，从应用的角度来看，测 量灵敏度高、相应速度快，又对环境温度、湿度的抗干扰性能强。由于这种方法简单 高效，目前的光纤气体传感器基本上都是这种方法，且前景十分看好。 1.3 基于光谱吸收型光纤甲烷气体传感探测器的研究进展 国外在光谱吸收式气体传感方面起步很早，技术也很先进且成熟，最早做这方面 的研究的是日本 Tohoku 大学的 H.Inaba 和 K.Chan 等人，他们先是用长距离光纤进行大 气检测，而后用 LED 作光源，在波长 1331.2nm 做了实验研究。1987 年 J.P.Dakin 和 C.A.Wade 等人报道了一种利用梳状滤波器和宽带光源 LED 测量甲烷气体浓度的方法。 1993 年 W.Jin 和 G..Stewart 等人用宽谱光源配合梳状滤波的方式，实验测得数据表明探 测精度为 0.02%。2005 年 Crawford Massie 等人设计了一个可调光源传感器来探测甲烷， 探测精度达到了 100ppm。2006 年北京交通大学刘晓冬等人在 1665nm 波段，用二次谐 波的方法测量，理论上达到了 66ppm。2009 年武汉理工大学赵磊等研制了基于光谱吸 收的的传感器，在矿井下经过了试用，实验中探测精度达到 217ppm[7-10]。 光纤气体传感的发展由于受