光纤甲烷气体浓度检测系统设计与实现-光学工程专业论文.docxVIP

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 10 PAGE 10 1 绪论 1.1 引言 甲烷是瓦斯的主要成分，也是引起煤矿瓦斯爆炸的主要原因。近年来随着我国经 济的快速的发展，对煤炭能源的需求量与日剧增，这就造成了对煤炭的加大开采，煤 矿事故也越来越频繁，而瓦斯爆炸事故发生的最多，造成的伤亡也最大。为了能更好 的避免矿难事故的发生，保证国家和矿工的人身安全，矿井中甲烷气体的检测就显的 尤为重要。 据报道，2001 年至 2005 年期间，煤矿瓦斯事故平均每年死亡 2173 人，2006 年至 2008 年分别降至 1319、1084、778 人；2009 年 1 至 10 月，全国煤矿瓦斯事故死亡人 数为 551，而仅在 2009 年 11 月 21 日黑龙江龙媒集团鹤岗分公司煤矿瓦斯爆炸这一事 故中事故，就造成了 108 人死亡。2010 年全国煤矿发生瓦斯事故 135 起，死亡 593 人。 可见死于煤矿瓦斯事故的人数众多，很大程度上影响了煤矿的生产和矿工的安全。从 上面数据可以看出，虽然每年死亡人数在逐渐下降，但是预防煤矿事故依旧严峻，瓦 斯灾害防治工作一直是煤矿安全工作的重点[1]。 通常瓦斯爆炸的条件极为苛刻，其必须满足的基本条件有[2]：1）瓦斯浓度：瓦斯 的爆炸极限是 4.9%—15.4%[3]。当浓度低于 5%时，遇火不爆炸，但能形成燃烧层。当 浓度为 9.5%是爆炸威力最大。当大于 16%时，其失去爆炸性，但是会在空气中燃烧； 2）瓦斯引火温度：通常情况下引火温度在 650～750℃，但是引火温度受大气压等外界 环境的影响。3）充足的氧气：当空气中氧气的浓度低于 12%时，瓦斯即失去爆炸性。 但是由于矿井下的生存条件限制，矿井中氧气的浓度都大于 12%。由以上条件我们可 以得知，如果我们能很好的检测瓦斯浓度就能及时避免瓦斯爆炸，而瓦斯的主要成分 又是甲烷，约占 83%—89%[4]，所以如果我们可以及时的检测到甲烷气体的浓度，那么 我们就可以实时的有效控制矿井中环境条件，同时也能够有充足的时间让矿工安全撤 离，从而将危害降至最低。 为了尽可能的减免这一危害，就要求我们能对这些气体进行快速、准确的检测， 从而进行有效的控制，这对煤矿安全生产具有重要的意义。因此，研究甲烷气体的检 测方法与气体传感器就显得十分的必要。近年来光纤传感技术发展迅速，由于它具有 灵敏度高、响应快、动态范围大、耐腐蚀、体积小、不受电磁干扰、可实现长距离传 输信号、可放入恶劣环境等优点，使光纤甲烷传感器受到了广泛的关注[5]。 1.2 气体检测常用方法介绍 气体检测方法有很多种，通常根据监测原理可分为：电化学法、气相色谱法、光 学式法、高分子材料气体传感器等[6-8]。 光学式气体传感器：利用光与气体分子的相互作用原理进行气体浓度检测的方法。 这是一种具有高灵敏度的检测方法，根据不同的光学原理大致分为光干涉型、化学发 光型、光谱吸收式、荧光型和光离子化式等。 电化学式气体传感器：由于一部分具有电化学活性的有毒害、可燃性气体，可以 被氧化或还原，故可利用这些化学反应来检测气体的浓度。这种方法主要是利用两个 电极之间的化学电位差来测量。 气相色谱法传感器：该方法是利用气体的吸附能力、溶解度、亲和力、阻滞作用 等物理性质，当气体通过色谱柱时，不同的气体通过色谱柱的速度不同的原理。对 于相同气体的不同浓度，其对应的色谱也会不同，因此若能检测到色谱就可以得出 此时对应的气体浓度。但是，此方法需要进行多次重复实验，并合理的选择色谱柱 和待测气体流速等，所以通常局限于理论研究和实验室条件下的检测，不能用于现 场分析的场所。 高分子材料传感器[9]：利用高分子材料在吸附气体时，其介电常数会根据气体的浓 度而变化。高分子气敏材料由于工艺简单、价格低廉、常温选择性好等诸多优点，在 有毒气体和食品新鲜度检测中发挥着重大的作用。 1.3 光纤气体传感器 光纤传感技术是上个世纪中后期随着光通信的发展而逐步发展起来的，它是一种 以光波为载体，光纤为传输介质，感知和传输被测信号的传感技术。光纤传感包含对 外界信号的感知和传输两种功能。所谓的感知功能是指外界信号按照其变化规律使光 纤中传输的光波的物理特征参量，如功率、波长、频率、相位和偏正态等发生变化， 测量光参量的变化，即“感知”外界信号的变化。所谓的传输，指的是光纤将受到外界 信号调制的光波传输到光探测器并进行检测，同时将提取出来的信号进行数据处理。 由于光纤传感器是以光纤作为信号传输介质，所以与其它传感器相比，它有着无法比 拟的优点[10-11]： (1) 由于光纤的抗辐射、抗干扰能力强，耐腐蚀等，因此光纤传感器可以不受电磁 干扰的影响，而且能在高温、高压、强腐蚀等各种