背景及现状(1)

第1章 绪论1.1引言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 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。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]。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50%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]。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（CH4）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83～89%[3]。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15～30倍，占据整个温室贡献量的15%，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]。 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工大学硕士学位论文生源、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]。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4)[6]4)[7]，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][10]，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（SmartStructure）。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（TDM）、波分复用（WDM）、以及频分复用（FDM）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[11][12]。目前，光纤气体传感器的研究主要集中在波长1.0～2.0um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)[13]4)[14]4)[15]4)[16]。红外光源和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[17][18][19][20]。（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[21]。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著[21]。（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工大学硕士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[22][23][24]。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[22]。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－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[25]，但由于它要求光源的输入功率大，气室 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 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1.1～1.7µm的近红外区有低损耗和低色散[26]。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[27][28][29][30][31]：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；2)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)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； 4)可以实现在线监测，特别适用于工业自动化；5)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；武汉理工大学硕士学位论文56)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；7)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[32][33][34][35]。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7-15万，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[36]。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。2001年全国煤矿事故死亡5670人，瓦斯事故死亡2436人，占死亡总人数的43％。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3000家，按每家煤炭企业需要100台瓦斯气体变送监测装置计算，煤炭行业就需要30万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15武汉理工大学硕士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4000元以及便携仪2500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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。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15万台以上，总产值近8000万。（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，首先其测量精度低，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6000万以上。（4）医疗过程气体分析呼吸末CO2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CO2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OEM的模块。价格在1000美元左右，比较昂贵，限制了具备CO2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CO2和麻醉气如N2O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CO2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15000多家，每年至少需要15万台监护仪。按每台5-8万元计算，则市场需求潜力为75-120亿人武汉理工大学硕士学位论文7民币。按这些监护仪中10％配备CO2监测模块，则每年就有5000万元的产值。 （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18，000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、湿度等干扰的强抵抗力，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[37]。最早从1979年起，光谱吸收型光纤传感技术采用LED光源，对NO2，CH4等进行检测一些可燃易爆的有机分子气体如C3H8，C2H3，C2H6和C4H10的光纤远程测量也见诸于报道。分布反馈式（DFB）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40ppm。而且DFB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DFB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。1998年，英国Strathclyde大学的GStewart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。1999年,香港理工大学靳伟博士领导的研究小组对TDM技术用于8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TDM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FMCW复用的多点光纤乙炔气体传感系统。2000年,MihaZa-vrsnik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[37]。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[38][39]。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。