光纤气体传感技术及其在煤矿安全中的应用研究

摘要

根据量子力学理论，原子核外电子的能量分布不连续，电子在其轨道上运动不会发出电磁波，只有当电子从能量为E1的一个量子轨道跳到能量为E2的另一个量子轨道时才会发出电磁波，此过程叫做量子跃迁。当有电子从高能级跃迁到低能级时才能释放一定频率的光子，表现出发射光谱的性质；反之当电子吸收一定频率的光子由低能级跃迁到高能级时则表现出吸收光谱的性质。只有当光量子的能量恰好等于原子能态E1与能态E2之差时这个光量子才会被这个原子吸收。分子由原子组成，气体分子也只能吸收那些能量正好等于它的某两个能级的能量之差的光子，因此，特定的气体大都具有其特定的吸收波长，从而根据这个原理可以实现不同种气体的区分。根据Beer-Lamber定律可以知道，气体对特定波长光的吸收率与该气体浓度成一定的关系，因此可以根据吸收率来实现气体的浓度检测。
　　 煤矿安全事故近几年来被广泛关注，如何提高煤矿采矿安全已经成为一项意义重大的课题方向，瓦斯安全事故中，最为严重的是瓦斯突出瓦斯爆炸，传统的瓦斯气体传感器已经不能满足现有的安全状况，因此实现光纤瓦斯气体检测，特别是远程不带电检测，对瓦斯事故的防治意义越来越大。
　　 在采矿过程中，另外一个对采矿安全以及经济效益影响巨大的是采空区的自然发火。采空区自然发火往往会影响正常的采矿生产，一旦发生火灾将会直接对煤矿造成巨大的经济损失。本文针对火灾气体检测，设计和实现了自然发火火灾检测系统。
　　 文章第一章对目前气体检测及其在煤矿灾害领域的应用进行了简单介绍；第二章，主要讲述了光学吸收式气体传感的基本原理；第三章具体讲述了瓦斯气体传感器的四种解决方案，对每种方案都进行了详细描述，列出了具体实验的大量数据；第四章，针对煤矿瓦斯气体检测的具体应用和现场示范工程展开详细的介绍和说明，并且分析了现场实验中观测到的实验数据及其实际意义；第五章对前几章的检测技术进一步提升，使用了新的设计思路，通过谐波检测技术以及锁相放大技术，实现了超高灵敏度的痕量气体检测；第六章详细说明了光纤痕量气体检测技术在煤矿实际领域中的应用，针对煤矿自然发火灾害，实现了采空区的火灾灾害在线预测预报；第七章，作者着重介绍了具体工作中比较关键的传感器探头设计，提出了防尘防潮的具体设计方案；最后，对全文工作进行了简要总结，并对下一步的研究方向以及工作重点进行了粗略介绍。
　　 本文结合目前煤矿安全需求，采用光纤传感技术，实现了光纤瓦斯气体传感器与光纤痕量气体传感器，并且将之应用于现场，首次报道和进行了光纤气体传感器在煤矿矿下长期示范工程。在传感器光路与电路设计过程中，作者充分考虑了灵敏度与系统的稳定性等因素，重点研究了能够真正实际应用的光纤传感器，使之既具有学术科研意义，也具有产业化实际意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

参考文献

第2章吸收式气体检测原理

2.1气体分子吸收理论

2.1.1气体吸收基础原理

2.1.2气体分子的典型吸收线

2.2光谱吸收法气体检测原理

参考文献

第3章光纤甲烷气体检测

3.1引言

3.2光纤瓦斯气体传感器设计

3.2.1采用1.3um SLD作为光源的光纤瓦斯气体检测

3.2.2采用1.3um双宽带光栅瓦斯气体检测

3.2.3采用1.6um宽带光源瓦斯气体检测

3.2.4采用1.6um分布反馈半导体激光器(DFB)瓦斯气体检测

3.2.5总结

参考文献：

第4章光纤甲烷气体传感器在煤矿瓦斯突出检测中的应用

4.1引言

4.2国内外煤与瓦斯突出概况

4.2.1国外煤与瓦斯突出概况

4.2.2国内煤与瓦斯突出概况

4.3煤矿现有瓦斯传感器现状

4.4光纤瓦斯传感器在煤矿瓦斯检测中的实际应用

参考文献

第5章光纤痕量气体检测

5.1引言

5.2谐波检测原理

5.3系统设计

5.4锁相放大电路设计及实现

5.4.1基本原理：

5.4.2前置放大电路：

5.4.3锁相放大器电路设计

5.5结论

参考文献

第6章光纤痕量气体检测在煤矿采空区自然发火预测中的应用研究

6.1引言

6.2国内外研究概况

6.3采空区自然发火预测预报研究方法

参考文献

第7章光谱吸收式光纤气体传感器探头设计

7.1光纤准直器

7.2对射式光纤准直器组

7.3反射式光纤准直器组

7.4长光程气体吸收池

7.5传感器探头的防尘防潮以及防暴设计

7.6温度对气体吸收池的影响

全文结论及下一步研究计划

攻读期间发表的论文、专利及奖励情况

致 谢

个人简介