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1、华中科技大学 硕士学位论文 光纤甲烷气体传感研究 姓名：林江 申请学位级别：硕士 专业：光电信息工程 指导教师：胡必春 2011-01-07 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 甲烷是瓦斯气体的主要成分，而煤矿瓦斯爆炸事故频发，不仅带来严重的经济损 失，更是造成了巨大的人员伤亡。因此实时动态准确的监测煤矿下甲烷气体，是非常 重要的。目前矿井下的传统监测方法存在着不安全、不方便等缺点，基于光谱吸收式 原理的光纤甲烷气体传感，有着安全性能高、受环境因素影响小、适于远距离测量且 准确度高、易于组网等优点，受到越来越多的重视。 本
2、论文分析了甲烷气体红外吸收的原理，对甲烷的吸收谱线、吸收系数进行了研 究，在对比了几种解决方案的特点后，提出了用差分法来检测甲烷浓度，并在此之上 用梳状滤波进行了改进。通过仿真分析得出，在低浓度时气体浓度与输出的信号参考 光比值成线性关系。 本实验用的是 SLED 宽谱光源。在光路部分，宽带滤波器滤出所需的波段；气室 用来气体的通入导出；传感单元选择了准直器级联型和多次反射型两种光学传感探头， 因为后者实用的可能性更高，所以实验时用的是后一种；另外设计了一个光解复用器， 用来分出信号光与参考光。 最后我们详细介绍了所用宽谱光源和光电探测器的原理和各项性能指标，并介绍 了模数转换的基本原理。 根
3、据本系统做了实验，分析数据后结果表明方案可行，能满足低浓度测量要求， 但也存在误差，并对误差做了讨论分析。系统还需进一步改进和测试。理论上，本系 统探测的精度可达 410ppm。 关键词关键词：光纤甲烷气体传感 甲烷 吸收系数 差分检测 滤波器 光纤准直器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II ABSTRACT Methane is the main component of methane gas, and coal mine methane gas explosion accidents not only bring seri
4、ous economic loss, but also cause huge casualities. Therefore, an accurate real-time dynamic monitoring of coal mine with methane gas is very important. Under the current mine, the existence of traditonal monitoring methods are unsafe, imconvenient and have other shortcomings, howrere the method bas
5、ed on the principle of optical absorption spectra of methane gas sensor has so many advantages such as high safety, litter affected by environmental factors, suitable for remote messurement and high accuracy, easy-to-network, and so on, and the method will attracts more and more attention. This thes
6、is analyzed the principle of infrared absorpton of methane gas, and studied the absorpton spectrum of methane and absorption coefficient. In contrast to the characteristics of several solutions, wo proposed a difference method to detect the methane concentration, and improved it with comb filter. We
7、 simulated the experimental results and obtained the corresponding curve diagram. We use a SLED broadband light source. In the optical part, a broad filter filters out the band we need; gas cell is used to let gas pass in and get out; the sensing unit uses a cascade collimator and a several feflecti
8、ve part as the optical sensing probe, and the latter one is more practical, so we use it; a light demultiplexer is designed to separate the signal light and the reference light. Finally we described the principles and performances of the light source and detector in detail, and described the basic p
9、rinciples of analog-digital conversion. We have done an experiment under this system, the analysis of data results show that the program is feasible and can satisfy the low concentration measurement requirement, but there is error too, and we also have done analyzed with it. The system needs further
10、 improvement and testing. In theory, the system has a detecting accuracy with 410ppm. Key words: fiber methane gas sensor methane absorption coefficient differential detection filter fiber collimator Wuhan 430074, P. R. China January, 2011 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的
11、内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 本论文
12、属于 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 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( 4 CH)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%
13、，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 2 CO、 2 N) 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。
14、 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 华 中 科
15、技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 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
16、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.Ina
