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1、 分类号 TP273 密级 公开 UDC 编号 学 位 论 文THESIS FOR DEGREE题目：申请学位级别 工学硕士 专业名称 控制理论与控制工程 辽宁工程技术大学LIAONING TECHNICAL UNIVERSITY学位论文原创性声明本人声明所呈交的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。其他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。本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切的法律责任。学位论文作者签名：_ 年 月 日关于论文使用授权的说明本人完全了解
2、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磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将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、汇编本学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名：_ 导师签名：_ 年 月 日 年 月 日辽宁工程技术大学硕士学位论文 I 目录1 绪论11.1 引言11.2 研究现状21.2.1 国内外测爆装置的研究现状21.2.2 国内外安全评价研究现状21.3 论文研究的意义41.4 论文的研究内容及研究路线41.4.1 本课题的研究内容41.4.2 本课题所采用的技术路
3、线52 煤矿井下瓦斯爆炸安全评价危险源分析72.1 瓦斯爆炸条件72.2 爆炸界限及其主要影响因素72.2.1 温度对爆限的影响72.2.2 气压对爆限的影响82.2.3氧浓度对爆限的影响82.3 多种可燃气体共存时爆炸危险性的判定132.4 爆炸三角形的温度校正152.5 环境温度对失爆氧浓度的影响172.6 二次爆炸发生机理182.7 本章小结183 本安型井下瓦斯测爆仪硬件电路分析193.1 系统硬件框图193.2 气体传感器及CPU的分类与选型193.2.1 甲烷传感器的选型及工作原理203.2.2 二氧化碳传感器的选型及工作原理213.2.3 氧气和一氧化碳传感器的选型及工作原理22
4、3.2.4 CPU的选择233.2.5 液晶选型243.2.6 其它器件选型243.3 硬件电路设计263.3.1 传感器控制及放大滤波电路263.3.2 铁电存储器电路303.2.3液晶显示电路303.2.4 键盘电路313.2.5 声光报警电路323.2.6 系统电源333.4 硬件抗干扰措施353.5 本安电路考虑353.6 可爆性分析软件设计363.7 本章小结374 模糊综合评判理论394.1 模糊综合评判的数学模型394.1.1 模糊综合评判的概述394.1.2 模糊综合评判的步骤414.2 权重和隶属度的确定方法434.2.1 层次分析法434.2.2 层次分析法步骤484.3隶
5、属度的确定方法494.4 本章小结505 煤矿井下发生连续爆炸的模糊综合评判515.1 确定权重515.2 确定单因素隶属度565.3 煤矿井下发生连续爆炸的模糊综合评判595.4 模糊综合评判结果分析605.5 模糊综合评判的软件实现615.5.1 模糊综合评判软件特点及功能615.5.2 模糊综合评判软件流程图625.6 本章小结656 结论与展望67参考文献69致谢71攻读学位期间已发表的学术论文及科研成果72辽宁工程技术大学硕士学位论文31 绪论1.1 前言建国以来煤炭工业经过50多年的改革建设，安全状况虽然有了较大的改善，但伤亡事故仍然比较严重，重大事故时有发生。近几年的矿井瓦斯爆炸
6、，尤其是二次连续爆炸造成的安全事故一直居高不下。设备老化、检测精度不够、管理落后是产生事故的重要原因，对事故产生原因的分析表明，事故发生的直接原因是井下对危险气体检测精度不够，危险预测精度不高，各个生产环节的自身故障及其相互影响导致了事故的发生。井下瓦斯浓度监测和对连续爆炸进行安全预测，是整个矿井发生一次爆炸后决定矿井状态安全的一个重要的子系统，通过对井下瓦斯等可燃气体的运行特性状态和一次爆炸后的环境条件进行综合考虑，确定具体位置的安全性直接关系到整个矿井的运行和安全状态。煤矿井下瓦斯连续爆炸的控制已经成为我国煤炭行业能够健康发展的重要因素，同时随着国家对连续爆炸的重视也让它成为煤矿安全工作研
7、究者的重要研究课题之一。目前，我国煤矿安全监测技术有很大的提高，但还存在一些迫切需要解决的问题，如硬件设施方面，煤矿安全监测系统的技术装备落后，各种监测传感器与国外先进水平差距较大。在软件技术方面，监测系统信息处理水平落后，只能对原始数据进行简单的转换、存储、显示和打印，有限的数据资源“挖掘”分析程度不够，灾害隐患判别和应急救援决策的信息量不足，不能及时发现重大灾害隐患。同时，国内外都开展了煤矿安全性评价研究，但大多是针对单一灾害的危险源进行静态评估，没有对瓦斯灾害发生前的所有监测进行融合，如煤层温度、煤层压力等1。因此，本课题的研究对于煤矿井下安全工作者所面临的安全评价，加强对井下一次爆炸以
8、后连续爆炸及具体地点的爆炸危险性的评估，降低井下作业的危险性具有重大意义。1.2国内外气体检测研究发展状况国外发达国家对吸收式气体传感技术的研究起步较早。最早用光谱吸收式光纤传感技术进行气体浓度测试研究的是日本Tohoku大学的H.Inaba和K.Chan等人，在光纤透射窗口波段范围内，作了一些气体传感的基本研究。1979年，他们提出利用长距离光纤进行大气污染检测,1983年，他们用LED作为宽带光源，配合窄带干涉滤光片，对甲烷在1331.2 nm附近的Q线进行检测。其后，1985年，H.Inaba和K. Chan及H. Ito等人又用InGaAs材料LED作为光源去对准甲烷在1665.4 n
9、m处的谐波吸收峰，系统最小探测灵敏度提高了一倍1。1987年，J.P.Dakin和C.A.Wade等人报道了一种利用梳妆滤波器和宽带光源(LED)测量甲烷气体浓度的方法。利用一个和气体吸收峰相匹配的梳妆滤波器，气体吸收引起的相对输出光功率变化将会大大提高，检测效率得到改善，测量灵敏度也有近10倍的提高。1990年，H. Tai和K. Yamamto等利用1.66m单模分布反馈式(DFB LD)半导体激光器，采用了波长(频率)调制的谐波检测方法，室温下检测甲烷气体浓度，最小可探测灵敏度达到20ppm。这一系统将可调谐半导体激光光源(DFB LD)、波长调制谐波检测和光纤技术结合起来，获得了较高的
10、探测灵敏度。1992年，H. Tai给出了采用两个DFB LD光源组成一个复合光源，在同一个光纤传感系统中同时测量甲烷和乙炔的实验系统。这个系统传输光纤长4km，气室长10cm，检测系统采用波长调制的谐波检测技术，甲烷的最小可探测灵敏度为5ppm，乙炔的最小可探测灵敏度为3ppm。V. Weldon在1993年报道采用一个1.64m的可调谐DFB激光器，同时测量甲烷和二氧化碳的实验研究。系统最小探测灵敏度优于10ppm。在窄带光源用于气体传感取得高灵敏度的同时，宽带光源系统也有一些突破。1993年，靳伟博士和G. Stewart报道了用宽带光源结合可调梳状滤波器的波长调制谐波检测技术，实现了对
11、甲烷气体的检测，最小探测灵敏度为20ppm，达到热光光源的理论极限。1998年，英国Strathclyde大学B. Culshaw报道了利用空分复用方式作的多点光纤气体传感系统。1999年，Jean-Francois Doussin等人提出中红外分光计的多路气室设计，选择最佳路径长度为672m的多路径气室，用来监测大气中的甲烷气体污染，CH4探测极限为30到100ppb。2005年，芬兰土尔库大学物理学院光学与光谱学实验室J. Uotila等人基于选择性差分光声痕量气体分析方法，采用中红外吸收波段，CH4探测精度达到10ppb的数量级。2000年Miha Zavrsnik报道了基于相干复用的串
12、联光纤体传感复用系统。2003年，G. Stewart首次报道了在垃圾掩埋场的瓦斯气体浓度检测统，采用分布式光纤传感网络，带有45个传感头，覆盖面积为5平方千米。2004年，东京气体股份有限公司开发出基于1.66m的便携式甲烷遥感探测器，使用了InGaAsP分布反馈激光器，探测器的下限为5ppm。辽宁工程技术大学硕士学位论文 642004年罗斯科学研究院物理研究所报道了采用单频激光，进行了甲烷气体在1654nm处的吸收实验。德国Heidelberg大学环境物理研究所Ulrich Platt教授首先提出差分光学吸收光谱学(DOAS)的概念。通过差分吸收检测技术消除光源的不稳定以及光电器件零漂等因
13、素的影响，获取准确的气体浓度信息。国内红外气体检测技术的研究起步较晚，但是，随着国家及其列入重点资助范围，近几年逐步形成热点。1989年，西安光机所郭栓运等介绍了差分法光谱气体传感器的基本原理，列举了一些具体应用实例。1994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1.67m的红外辐射，对甲烷气体进行检测，最小检测浓度达到0.47%。1997年，山东矿业学院的曹茂永等对吸收光谱式瓦斯传感器的参数设计进行了探讨。在简述光纤瓦斯传感器原理的基础上，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
14、。2001年10月19日由中科院长春应化所承担的研究项目在长春正式通过了专家鉴定，这表明我国电化学气体传感器关键技术研制达到了国际同类产品的先进水平。电化学气体传感器体积小，检测速度快、准确、便携、可现场直接检测和连续检测。2001年，吉林大学王一丁等人，基于朗伯-比尔吸收定律，设计了具有新型光路和电路结构的便携式红外CH4气体检测仪。该仪器具有智能化、低功耗和低成本等特点，可以应用于矿山、冶金、化上、石油、机械等上业和环境保护中。2003年西安科技学院电气与控制工程学院周奇勋等人，将AT89C51单片机引入到甲烷检测仪中，采用数字化芯片，大大地提高了甲烷检测精度和减小了仪表体积。2005年中国科学院环境光学与技术重点实验室的阐瑞峰
