基于光纤传感的危险环境安全监测方法和关键技术的研究

摘要

危险环境是安全事故高危地点，对人类生命财产和社会安全构成极大危害，必须建立科学而严密的安全管理体系，有效地防止重大事故的发生。同时利用高新技术，建立完善的、有效的安全监测系统，以提高自防自救能力。 对于危险环境中的信号检测，传统的电类传感器存在长期稳定性、耐久性和分布测量等问题，特别是通过电信号进行检测和传输势必要将电信号引入危险区域，无法从根本上消除安全隐患。而光纤传感技术有效地克服了电类传感系统存在的不足，尤其是其本质安全的特性，为解决危险环境中的安全参数检测，提供了一种良好的技术手段。 本文是在国家科技部863项目“光纤光栅传感技术及产业化研究”、国家科技部国家新产品项目“光纤光栅感温火灾报警系统”等支持下，在导师的悉心指导下，经过5年的努力，从基础理论、基本方法、关键技术和工程应用上研究了安全检测技术和光纤传感技术及其在危险环境中构成的光纤传感安全监测系统，解决了危险环境安全监测重大技术问题，满足了危险环境工业安全生产的需要和网络化信息管理的需要。本文多项研究成果通过相关的成果鉴定，并已在工业生产中得到广泛的应用，为危险环境中的安全生产管理提供了新的解决方法。 本文研究了危险环境安全检测的基本方法和理论。分析了危险环境安全检测的检测参数，为危险环境安全检测系统提供检测手段；讨论了检测系统的可靠性技术和影响检测系统可靠性的问题及其一般的解决办法。还研究了危险环境中的光纤传感技术。从传感器的本质安全特性出发，论述了危险环境对传感器的防爆特性要求。介绍了光纤传感器的原理和分类，比较了几种不同类型的光纤传感器的性能。并重点讨论了光纤光栅感温火灾报警器及光纤光栅感温火灾报警系统、光纤光栅应变传感器、光纤液位计、光纤气体探测器等危险环境光纤检测技术的主要设备。同时还研究了危险环境光纤传感器的信号采集和传输技术，并研究了基于MODBUS现场总线技术的光纤传感网络数据传输技术。这是危险环境光纤传感安全监测技术的基础。 在此基础上本文研究了基于光纤传感的危险环境安全监测系统理论。论述了基于光纤传感的危险环境安全监测系统的基本组成，以多种光纤传感器为安全信息获取手段，以计算机网络技术为平台，建立安全监测系统体系结构。重点研究了光纤传感安全监测系统中的光纤光栅解调技术、多光纤传感器系统集成、信号传输技术及系统软件的实现技术和方法。最后讨论了系统的可靠性和具体的抗干扰措施及防雷措施。 本文最后研究了危险环境光纤传感安全监测系统的工程应用技术。研究了危险环境光纤传感安全监测系统数据采集和传输、冗余网络设计、OPC技术和远程维护等关键技术，提出并研究了利用光纤液位计和光纤光栅温度传感器联合实现泄露检测、光纤光栅火灾报警器和视频监视器联合实现视频联动安全监测的应用方法。并以光纤传感安全监测系统在油田、油库、隧道的典型应用为例，验证了基于光纤传感的危险环境监测方法和技术的可行性、实用性和安全性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1.绪论

1.1.概述

1.1.1.研究背景及意义

1.1.2.危险环境的基本概念

1.1.3.危险环境中电气设备防爆基本要求

1.2.国内外研究现状

1.2.1.危险环境安全信息获取

1.2.2.危险环境中的光纤传感技术

1.2.3.传统传感器与光纤传感器的比较

1.2.4.危险环境安全监测系统

1.3.关键技术与本文的主要工作

1.3.1.多种光纤传感器的系统集成

1.3.2.基于光纤传感的危险环境安全监测系统理论

1.3.3.光纤传感安全监测系统工程应用技术

1.3.4.本文组织结构

1.4.本文的创新点

2.危险环境安全检测技术

2.1.安全检测技术概述

2.1.1.安全检测技术

2.1.2.安全检测系统基本特性

2.1.3.视频安全监测技术

2.2.危险环境安全检测参数

2.2.1.温度检测

2.2.2.泄露检测

2.2.3.工程结构检测

2.2.4.可燃气体检测

2.2.5.粉尘检测

2.3.危险环境安全检测系统的可靠性技术

2.3.1.危险环境安全检测系统的可靠性指标

2.3.2.影响危险环境安全检测系统的可靠性问题

2.4.本章小结

3.光纤传感技术

3.1.传感器的本质安全性

3.2.光纤传感技术概述

3.2.1.光纤的传光原理

3.2.2.光纤传感器基本类型

3.3.光纤光栅传感器

3.3.1.光纤光栅传感技术原理

3.3.2.光纤光栅感温火灾报警器

3.3.3.光纤光栅应变传感器

3.4.光纤液位计

3.4.1.光纤液位计原理

3.4.2.光纤液位计结构设计

3.5.光纤气体探测器

3.5.1.光纤气体探测器作用及检测原理

3.5.2.光纤气体探测器主要技术指标

3.6.本章小结

4.光纤传感器的信息采集及通讯协议栈的设计

4.1.危险环境光纤传感信号采集技术

4.2.光纤传感器通讯接口技术

4.2.1.光纤光栅火灾报警器通讯接口技术的实现

4.2.2.光纤液位计通讯接口技术的实现

4.3.基于MODUS总线的危险环境光纤传感器网络

4.3.1.现场总线技术在危险环境光纤传感安全监测系统中的应用

4.3.2.现场总线的技术特点

4.3.3.Modbus现场总线通讯协议

4.3.4.基于Modbus总线光纤传感器数据通讯的实现

4.4.本章小结

5.基于光纤传感的危险环境安全监测系统研究

5.1.危险环境光纤传感安全监测系统概述

5.1.1.光纤传感安全检测系统

5.1.2.视频安全监测系统

5.2.危险环境光纤传感安全监测系统体系结构

5.2.1.危险环境光纤传感安全监测系统

5.2.2.光纤光栅解调技术

5.2.3.多光纤传感器系统集成

5.2.4.危险环境安全信号传输技术

5.3.危险环境光纤传感安全监测系统软件

5.3.1.系统软件架构

5.3.2.数据库系统

5.3.3.系统软件的设计与实现

5.4.危险环境光纤传感安全监测系统可靠性及抗干扰措施

5.4.1.提高系统可靠性的措施

5.4.2.系统抗干扰措施

5.4.3.系统防雷措施

5.5.本章小结

6.危险环境光纤传感安全监测系统工程应用技术

6.1.危险环境光纤传感安全监测系统工程应用关键技术

6.1.1.光纤传感系统数据采集和传输

6.1.2.冗余网络设计

6.1.3.OPC技术

6.1.4.远程维护技术

6.2.光纤传感安全监测系统在油田联合站中的应用

6.2.1.系统总体设计

6.2.2.系统结构设计

6.2.3.系统特点

6.2.4.现场数据采集设计

6.2.5.监控软件设计

6.2.6.测试结果分析与应用效果

6.3.光纤传感安全监测系统在大型储备油库中的应用

6.3.1.系统总体设计

6.3.2.系统结构设计

6.3.3.网络设计

6.3.4.数据采集设计

6.3.5.防雷接地设计

6.3.6.应用软件设计

6.3.7.运行效果分析

6.4.光纤光栅安全监测系统在隧道中的应用

6.4.1.系统总体设计

6.4.2.系统结构特点

6.4.3.系统的实施

6.4.4.运行效果分析

6.5.本章小结

7.全文总结

7.1.本文总结

7.2.未来工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及获奖情况

致谢