基于籠形分子配合效應的光纖甲烷傳感技術研究.pdf

1、中國是煤炭資源大國,也是以煤為主要能源的國家,煤炭占一次能源構成的70％,煤炭生產(chǎn)在國民經(jīng)濟發(fā)展中具有舉足輕重的地位。但是,當前煤炭生產(chǎn)環(huán)境惡劣,煤炭資源開采誘發(fā)的重大災害事故時有發(fā)生。其中,瓦斯事故是煤礦安全生產(chǎn)的最大威脅之一,被視為煤礦事故的“頭號殺手”,而監(jiān)測甲烷(瓦斯主要成分,約占83～89％)濃度則是一種預防瓦斯事故發(fā)生的重要手段之一。目前,已有基于半導體、熱催化、光干涉、紅外吸收、電化學法等不同類型的甲烷傳感器。為了進一步提

2、高礦井瓦斯監(jiān)測的能力,論文提出一種基于籠形分子配合效應的纖芯失配型光纖甲烷傳感方法,主要工作包括制作含籠形分子敏感膜的塑料包層石英纖芯(PCS)光纖和纖芯失配型光纖甲烷傳感器、量子化學從頭計算法分析籠形分子與甲烷分子作用機制、光波導理論分析光纖甲烷傳感器折射率傳感原理、溶液介質(zhì)中折射率傳感實驗、甲烷傳感實驗、礦井瓦斯樣品試驗等,結果表明基于籠形分子配合效應的纖芯失配型光纖甲烷傳感器檢測礦井甲烷氣體濃度是可行的。其具體內(nèi)容包括：
　

3、　 ①以香草醛為原料,通過三步法合成籠形分子A和E,分析原料配比、反應溫度、時間等因素對合成產(chǎn)率的影響,優(yōu)化合成反應條件；采用核磁共振(NMR)、熒光光譜(PL)、紫外光譜(UV)、質(zhì)譜(MS)等分析籠形分子的組成、結構與理化性質(zhì)；制作PCS光纖甲烷傳感器和纖芯失配型光纖甲烷傳感器,通過掃描電子顯微鏡(SEM)研究涂覆的含籠形分子敏感膜表面形態(tài)。
　　 ②采用幾何光學分析基于子午光線的纖芯失配型光纖傳感器的光傳播路徑；利用量子

4、化學從頭計算方法,研究不同數(shù)量的甲烷分子進入籠形分子前后永久偶極的變化規(guī)律；根據(jù)倏逝波穿透深度公式,研究倏逝波穿透深度隨敏感膜折射率的變化規(guī)律；采用菲涅耳公式和反射率表達式,分析纖芯失配型光纖甲烷傳感器敏感膜折射率傳感原理,研究傳感器輸出光功率隨敏感膜折射率變化特征,結果表明增大甲烷濃度時,傳感器輸出歸一化光功率線性增加。
　　 ③從光波導理論出發(fā),分析PCS光纖甲烷敏感膜折射率測量原理,從理論上計算PCS光纖傳感器輸出光功率Ⅰ

5、(α)隨入射角α變化的角度分布曲線Ⅰ(α)～α；建立敏感膜折射率測試裝置,在不同甲烷濃度處測量甲烷傳感器的角度分布曲線Ⅰ(α)～α,研究Ⅰ(α)～α曲線隨不同甲烷濃度的變化規(guī)律,進而獲取相應甲烷濃度處敏感膜的折射率。
　　 ④理論分析纖芯失配型光纖傳感器折射率/濃度傳感原理,數(shù)值計算不同媒質(zhì)折射率時傳感器輸出歸一化光功率的變化規(guī)律；建立溶液中折射率傳感實驗系統(tǒng)；配制不同濃度的甘油溶液,采用阿貝折射儀測定其折射率,分析甘油溶液濃度

6、與折射率的關系；驗證實驗發(fā)現(xiàn),傳感器輸出歸一化光功率隨甘油溶液折射率變化規(guī)律與數(shù)值計算結果基本一致。
　　 ⑤建立纖芯失配型光纖甲烷傳感實驗系統(tǒng)；開展含籠形分子E、A敏感膜的傳感器性能評價實驗,研究不同敏感區(qū)域長度處傳感器輸出信號隨甲烷濃度變化特征,獲取響應速度、線性范圍、選擇性等信息；研究含籠形分子E敏感膜的傳感器對0～3.50％(v/v)(低爆炸限內(nèi))瓦斯標準氣體的響應特性,發(fā)現(xiàn)傳感器輸出信號隨甲烷濃度增加而增大；當瓦斯標準

7、氣體濃度低于1.00％時,傳感器輸出信號呈線性增加,其斜率為0.0465,靈敏度較高；傳感器檢測限為0.10％(v/v)。
　　 ⑥開展含籠形分子E敏感膜的傳感器對三匯一礦采掘工作面瓦斯樣品和三匯一礦、二礦北翼抽風機房風井口排風瓦斯樣品測試實驗。對于采掘工作面瓦斯樣品,傳感器測量結果(1.39％CH4)與礦井氣體多點參數(shù)色譜自動分析儀分析結果(1.41％CH4)基本一致,相對誤差1.42％；當瓦檢儀對抽風機房風井口排風瓦斯中甲烷