光纖氣體傳感技術(shù)及其在煤礦安全中的應(yīng)用研究.pdf

1、根據(jù)量子力學理論，原子核外電子的能量分布不連續(xù)，電子在其軌道上運動不會發(fā)出電磁波，只有當電子從能量為E1的一個量子軌道跳到能量為E2的另一個量子軌道時才會發(fā)出電磁波，此過程叫做量子躍遷。當有電子從高能級躍遷到低能級時才能釋放一定頻率的光子，表現(xiàn)出發(fā)射光譜的性質(zhì)；反之當電子吸收一定頻率的光子由低能級躍遷到高能級時則表現(xiàn)出吸收光譜的性質(zhì)。只有當光量子的能量恰好等于原子能態(tài)E1與能態(tài)E2之差時這個光量子才會被這個原子吸收。分子由原子組成，氣體

2、分子也只能吸收那些能量正好等于它的某兩個能級的能量之差的光子，因此，特定的氣體大都具有其特定的吸收波長，從而根據(jù)這個原理可以實現(xiàn)不同種氣體的區(qū)分。根據(jù)Beer-Lamber定律可以知道，氣體對特定波長光的吸收率與該氣體濃度成一定的關(guān)系，因此可以根據(jù)吸收率來實現(xiàn)氣體的濃度檢測。
　　 煤礦安全事故近幾年來被廣泛關(guān)注，如何提高煤礦采礦安全已經(jīng)成為一項意義重大的課題方向，瓦斯安全事故中，最為嚴重的是瓦斯突出瓦斯爆炸，傳統(tǒng)的瓦斯氣體傳感

3、器已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的安全狀況，因此實現(xiàn)光纖瓦斯氣體檢測，特別是遠程不帶電檢測，對瓦斯事故的防治意義越來越大。
　　 在采礦過程中，另外一個對采礦安全以及經(jīng)濟效益影響巨大的是采空區(qū)的自然發(fā)火。采空區(qū)自然發(fā)火往往會影響正常的采礦生產(chǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)將會直接對煤礦造成巨大的經(jīng)濟損失。本文針對火災(zāi)氣體檢測，設(shè)計和實現(xiàn)了自然發(fā)火火災(zāi)檢測系統(tǒng)。
　　 文章第一章對目前氣體檢測及其在煤礦災(zāi)害領(lǐng)域的應(yīng)用進行了簡單介紹；第二章，主要講述了光

4、學吸收式氣體傳感的基本原理；第三章具體講述了瓦斯氣體傳感器的四種解決方案，對每種方案都進行了詳細描述，列出了具體實驗的大量數(shù)據(jù)；第四章，針對煤礦瓦斯氣體檢測的具體應(yīng)用和現(xiàn)場示范工程展開詳細的介紹和說明，并且分析了現(xiàn)場實驗中觀測到的實驗數(shù)據(jù)及其實際意義；第五章對前幾章的檢測技術(shù)進一步提升，使用了新的設(shè)計思路，通過諧波檢測技術(shù)以及鎖相放大技術(shù)，實現(xiàn)了超高靈敏度的痕量氣體檢測；第六章詳細說明了光纖痕量氣體檢測技術(shù)在煤礦實際領(lǐng)域中的應(yīng)用，針對煤

5、礦自然發(fā)火災(zāi)害，實現(xiàn)了采空區(qū)的火災(zāi)災(zāi)害在線預(yù)測預(yù)報；第七章，作者著重介紹了具體工作中比較關(guān)鍵的傳感器探頭設(shè)計，提出了防塵防潮的具體設(shè)計方案；最后，對全文工作進行了簡要總結(jié)，并對下一步的研究方向以及工作重點進行了粗略介紹。
　　 本文結(jié)合目前煤礦安全需求，采用光纖傳感技術(shù)，實現(xiàn)了光纖瓦斯氣體傳感器與光纖痕量氣體傳感器，并且將之應(yīng)用于現(xiàn)場，首次報道和進行了光纖氣體傳感器在煤礦礦下長期示范工程。在傳感器光路與電路設(shè)計過程中，作者充分考