能源是人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，關(guān)系著國(guó)計(jì)民生和國(guó)家安全。在能源的開(kāi)采利用過(guò)程中，生產(chǎn)安全成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一項(xiàng)重要課題。近年來(lái)，國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)給予了極大的重視，安全生產(chǎn)事故總量呈下降趨勢(shì)，但是重特大事故頻發(fā)且危害嚴(yán)重。在我國(guó)煤炭領(lǐng)域，瓦斯和自然發(fā)火是煤礦安全生產(chǎn)中的兩種主要災(zāi)害。針對(duì)瓦斯災(zāi)害，瓦斯監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)預(yù)警的主要手段。當(dāng)前煤礦監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于所用的催化燃燒式傳感器存在可靠性差，頻繁校準(zhǔn)，壽命短、量程小等問(wèn)題;傳統(tǒng)紅外傳感器存在易受背景氣體干擾，在高粉塵、高濕度環(huán)境無(wú)法正常使用，烯烴類氣體交叉干擾嚴(yán)重、功耗大等難題;這些傳感器已不能適應(yīng)礦山安全的需求。煤礦自然發(fā)火的預(yù)測(cè)預(yù)警主要采取氣體指標(biāo)分析預(yù)報(bào)辦法。傳統(tǒng)自然發(fā)火所用的痕量氣體檢測(cè)設(shè)備主要是色譜分析系統(tǒng)，存在著設(shè)備復(fù)雜、操作復(fù)雜、分析速度慢、不能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)等問(wèn)題，限制了其應(yīng)用范圍。隨著技術(shù)進(jìn)步，改進(jìn)的束管系統(tǒng)采用紅外分析儀來(lái)代替部分色譜分析儀，加快了檢測(cè)速度，存在的缺陷是測(cè)量氣體種類少，無(wú)法實(shí)現(xiàn)存在較大交叉干擾的烯烴類痕量氣體檢測(cè)。因此現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的缺陷限制了火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展?！　』诩す夤庾V技術(shù)的光纖氣體檢測(cè)技術(shù)具有高分辨率、高選擇性、多組分以及低功耗等優(yōu)點(diǎn)，成為工業(yè)有害氣體檢測(cè)的有效工具，能有效解決煤礦安全領(lǐng)域氣體檢測(cè)存在的問(wèn)題，為煤礦災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供可靠的數(shù)據(jù)保障。　　本論文來(lái)源于煤礦安全的實(shí)際需求。結(jié)合礦山安全的發(fā)展現(xiàn)狀尤其煤礦安全對(duì)氣體檢測(cè)技術(shù)的需求，提出用可調(diào)諧激光光譜技術(shù)來(lái)解決煤礦瓦斯和火災(zāi)等主要災(zāi)害急需的氣體傳感產(chǎn)品的需求問(wèn)題。通過(guò)調(diào)研分析，從儀器整體設(shè)計(jì)的主要矛盾出發(fā)，討論了光纖氣體傳感系統(tǒng)中存在的激光器波長(zhǎng)漂移導(dǎo)致測(cè)量誤差的問(wèn)題，痕量氣體檢測(cè)中光學(xué)噪聲的干擾問(wèn)題，以及多組份檢測(cè)中存在的交叉干擾問(wèn)題等;提出了一種基于預(yù)置零點(diǎn)背景氣體的痕量氣體檢測(cè)方法和基于多變量的交叉干擾去除方法;研制了低光學(xué)噪聲的探測(cè)器和光纖耦合長(zhǎng)光程氣室;開(kāi)發(fā)了光纖甲烷傳感器和光纖多組份氣體傳感器;對(duì)傳感器性能進(jìn)行了全面的測(cè)試分析;并系統(tǒng)的在煤礦安全領(lǐng)域多個(gè)場(chǎng)合的進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明研制的光纖氣體傳感器具有良好的性能，滿足煤礦安全領(lǐng)域的應(yīng)用需求?！　?/p>

文章主要研究了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:　　

1.通過(guò)調(diào)研分析，確定了課題研究方向。對(duì)激光光譜技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識(shí)進(jìn)行深入研究，通過(guò)光譜吸收技術(shù)一般理論以及激光吸收光譜的理論分析，為傳感器的研制提供了理論依據(jù)?！　?/p>

2.研制基于激光吸收光譜技術(shù)的光纖甲烷傳感器。采用直接吸收光譜技術(shù)，針對(duì)當(dāng)前光纖甲烷傳感器存在的易受光強(qiáng)擾動(dòng)和激光器漂移造成的穩(wěn)定性差和測(cè)量誤差大難題，提出基于參考光路與參考?xì)馐业淖孕?zhǔn)方案，有效消除了激光波長(zhǎng)漂移的影響。提出了一種基于最小二乘法的氣體校準(zhǔn)方法，通過(guò)阻尼最小二乘法提高了大量程范圍的測(cè)量精度。對(duì)研制的傳感器進(jìn)行了詳細(xì)的性能和可靠性測(cè)試?！　?/p>

3.分析了激光吸收光譜中對(duì)微量氣體分析中存在的問(wèn)題，針對(duì)光器件中存在的光學(xué)噪聲，研制了低噪聲光電探測(cè)器;基于赫里奧特池原理研制了一種光纖耦合的長(zhǎng)光程檢測(cè)氣室。對(duì)不同的噪聲處理算法進(jìn)行了研究，采用傅里葉變換濾波算法較大抑制了光學(xué)干涉噪聲，采用卡爾曼濾波算法進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的噪聲濾除，提高了測(cè)量穩(wěn)定性。　　

4.由于不同光學(xué)元件造成的背景波動(dòng)，限制了系統(tǒng)的探測(cè)限的提升。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)檢測(cè)限，提出了一種基于預(yù)置零點(diǎn)的背景優(yōu)化痕量氣體檢測(cè)方法，結(jié)合最小二乘擬合算法實(shí)現(xiàn)了ppm級(jí)一氧化碳?xì)怏w的準(zhǔn)確、穩(wěn)定探測(cè)?！　?/p>

5.根據(jù)多種氣體檢測(cè)的需求，提出了基于波分復(fù)用的激光器陣列的多氣體檢測(cè)技術(shù)方案。針對(duì)不同氣體之間測(cè)交叉干擾難題，結(jié)合多組分檢測(cè)，提出了基于氣體濃度和光譜的多變量分析方法，實(shí)現(xiàn)了交叉干擾的有效去除?！　?/p>

6.針對(duì)煤礦安全的需求，研究了一氧化碳、乙烯、乙炔等痕量氣體的檢測(cè)，進(jìn)行了系統(tǒng)的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了氣體濃度的高靈敏度高精度檢測(cè)。　　

7.結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)需求，開(kāi)展了光纖氣體傳感器在煤礦安全領(lǐng)域的應(yīng)用研究，驗(yàn)證了傳感器應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的可行性?！　?/p>

通過(guò)本課題的研究，主要做了以下幾個(gè)方面的創(chuàng)新性工作:　　

1.研制了一種光纖甲烷傳感器。針對(duì)當(dāng)前激光甲烷傳感器存在的易受光強(qiáng)擾動(dòng)和激光器輸出波長(zhǎng)漂移造成的穩(wěn)定性差和測(cè)量誤差大難題，提出基于參考光路與參考?xì)馐业淖孕?zhǔn)方案，有效消除了激光波長(zhǎng)的影響。開(kāi)展了針對(duì)光纖甲烷傳感器的可靠性試驗(yàn)，為傳感器未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。　　

2.分析了光器件中存在的光學(xué)干涉噪聲，研制了一種低噪聲光電探測(cè)器，解決了探測(cè)器光學(xué)噪聲引起的檢測(cè)背景漂移難題?！　?/p>

3.基于赫里奧特長(zhǎng)光程池原理，研制了一種光纖耦合的長(zhǎng)光程檢測(cè)氣室。氣室可以做為了獨(dú)立元件使用，也可以通過(guò)光纖進(jìn)行級(jí)聯(lián)形成更長(zhǎng)光程的氣室，方便了痕量氣體檢測(cè)技術(shù)的研究。　　

4.提出了一種基于預(yù)置零點(diǎn)的背景優(yōu)化氣體檢測(cè)方案。采用參考?xì)馐遗c傳感氣室的級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了傳感信號(hào)背景的增強(qiáng)，有效消除了噪聲造成的背景波動(dòng)，結(jié)合最小二乘擬合和卡爾曼濾波算法最終實(shí)現(xiàn)了ppm級(jí)一氧化碳?xì)怏w的準(zhǔn)確穩(wěn)定探測(cè)?！　?/p>

5.基于波分復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)了多激光器陣列的多組分氣體檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合多變量分析方法，有效減小氣體交叉干擾對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。研制了光纖多組分氣體檢測(cè)儀。