光纤气体传感器及其安全工程应用中的关键技术研究

能源是人类生存和发展的重要物质基础,关系着国计民生和国家安全。在能源的开采利用过程中,生产安全成为经济发展中的一项重要课题。近年来,国家对安全生产给予了极大的重视,安全生产事故总量呈下降趋势,但是重特大事故频发且危害严重。在我国煤炭领域,瓦斯和自然发火是煤矿安全生产中的两种主要灾害。针对瓦斯灾害,瓦斯监测监控系统是监测预警的主要手段。当前煤矿监测监控系统的主要问题在于所用的催化燃烧式传感器存在可靠性差,频繁校准,寿命短、量程小等问题；传统红外传感器存在易受背景气体干扰,在高粉尘、高湿度环境无法正常使用,烯烃类气体交叉干扰严重、功耗大等难题；这些传感器已不能适应矿山安全的需求。煤矿自然发火的预测预警主要采取气体指标分析预报办法。传统自然发火所用的痕量气体检测设备主要是色谱分析系统,存在着设备复杂、操作复杂、分析速度慢、不能实现在线监测等问题,限制了其应用范围。随着技术进步,改进的束管系统采用红外分析仪来代替部分色谱分析仪,加快了检测速度,存在的缺陷是测量气体种类少,无法实现存在较大交叉干扰的烯烃类痕量气体检测。因此现有检测技术的缺陷限制了火灾预测预报技术的发展。基于激光光谱技术的光纤气体检测技术具有高分辨率、高选择性、多组分以及低功耗等优点,成为工业有害气体检测的有效工具,能有效解决煤矿安全领域气体检测存在的问题,为煤矿灾害的预测预报提供可靠的数据保障。本论文来源于煤矿安全的实际需求。结合矿山安全的发展现状尤其煤矿安全对气体检测技术的需求,提出用可调谐激光光谱技术来解决煤矿瓦斯和火灾等主要灾害急需的气体传感产品的需求问题。通过调研分析,从仪器整体设计的主要矛盾出发,讨论了光纤气体传感系统中存在的激光器波长漂移导致测量误差的问题,痕量气体检测中光学噪声的干扰问题,以及多组份检测中存在的交叉干扰问题等；提出了一种基于预置零点背景气体的痕量气体检测方法和基于多变量的交叉干扰去除方法；研制了低光学噪声的探测器和光纤耦合长光程气室；开发了光纤甲烷传感器和光纤多组份气体传感器；对传感器性能进行了全面的测试分析;并系统的在煤矿安全领域多个场合的进行了现场试验研究。结果表明研制的光纤气体传感器具有良好的性能,满足煤矿安全领域的应用需求。文章主要研究了以下几个方面的内容：1.通过调研分析,确定了课题研究方向。对激光光谱技术的基础理论知识进行深入研究,通过光谱吸收技术一般理论以及激光吸收光谱的理论分析,为传感器的研制提供了理论依据。2.研制基于激光吸收光谱技术的光纤甲烷传感器。采用直接吸收光谱技术,针对当前光纤甲烷传感器存在的易受光强扰动和激光器漂移造成的稳定性差和测量误差大难题,提出基于参考光路与参考气室的自校准方案,有效消除了激光波长漂移的影响。提出了一种基于最小二乘法的气体校准方法,通过阻尼最小二乘法提高了大量程范围的测量精度。对研制的传感器进行了详细的性能和可靠性测试。3.分析了激光吸收光谱中对微量气体分析中存在的问题,针对光器件中存在的光学噪声,研制了低噪声光电探测器；基于赫里奥特池原理研制了一种光纤耦合的长光程检测气室。对不同的噪声处理算法进行了研究,采用傅里叶变换滤波算法较大抑制了光学干涉噪声,采用卡尔曼滤波算法进行测量结果的噪声滤除,提高了测量稳定性。4. 由于不同光学元件造成的背景波动,限制了系统的探测限的提升。为了进一步提高系统检测限,提出了一种基于预置零点的背景优化痕量气体检测方法,结合最小二乘拟合算法实现了ppm级一氧化碳气体的准确、稳定探测。5.根据多种气体检测的需求,提出了基于波分复用的激光器阵列的多气体检测技术方案。针对不同气体之间测交叉干扰难题,结合多组分检测,提出了基于气体浓度和光谱的多变量分析方法,实现了交叉干扰的有效去除。6.针对煤矿安全的需求,研究了一氧化碳、乙烯、乙炔等痕量气体的检测,进行了系统的测试,实现了气体浓度的高灵敏度高精度检测。7.结合现场需求,开展了光纤气体传感器在煤矿安全领域的应用研究,验证了传感器应用于现场测量的可行性。通过本课题的研究,主要做了以下几个方面的创新性工作：1.研制了一种光纤甲烷传感器。针对当前激光甲烷传感器存在的易受光强扰动和激光器输出波长漂移造成的稳定性差和测量误差大难题,提出基于参考光路与参考气室的自校准方案,有效消除了激光波长的影响。开展了针对光纤甲烷传感器的可靠性试验,为传感器未来的实际应用打下良好的基础。2.分析了光器件中存在的光学干涉噪声,研制了一种低噪声光电探测器,解决了探测器光学噪声引起的检测背景漂移难题。3.基于赫里奥特长光程池原理,研制了一种光纤耦合的长光程检测气室。气室可以做为了独立元件使用,也可以通过光纤进行级联形成更长光程的气室,方便了痕量气体检测技术的研究。4. 提出了一种基于预置零点的背景优化气体检测方案。采用参考气室与传感气室的级联实现了传感信号背景的增强,有效消除了噪声造成的背景波动,结合最小二乘拟合和卡尔曼滤波算法最终实现了ppm级一氧化碳气体的准确稳定探测。5.基于波分复用方式实现了多激光器阵列的多组分气体检测技术,结合多变量分析方法,有效减小气体交叉干扰对检测结果的影响。研制了光纤多组分气体检测仪。