探测技术

探测技术（精选12篇）

探测技术 篇1

摘要：本文介绍了基于电容探测的智能液面探测技术, 用以提高自动化学发光免疫分析系统中液面探测系统的灵敏度。基于该技术改进的液面探测系统由单片机提供稳定的触发源, 提供可控且稳定的参考电平, 同时单片机还可实时跟踪比较输出, 使得系统的探测灵敏度得到了大幅度提高。

关键词：智能液面探测技术,电容探测,单片机,单针探头,比较输出,探测灵敏度

0前言

液面探测系统是自动化学发光免疫分析测控系统的重要组成部分[1], 用于控制采样针探入液体的深度, 从而最大限度减少挂滴, 使自动加样过程稳定可靠。电容式液面探测技术[2]原理简单、成本低、易于实现, 是应用最为广泛的液面探测方法。本文主要通过对电容式液面探测技术进行改进, 阐述提高液面探测系统灵敏度、降低最少探液量以保持系统长期稳定工作, 降低其维护成本的方法。

1 电容式液面探测原理

金属采样针通过空间环境与电路系统形成空间分布电容, 利用时基电路产生脉宽调制输出[3,4], 当采样针与导电溶液接触时增加了空间分布电容, 输出脉宽变大, 检出此事件就可探测到液面接触信息。基本原理, 见图1。R1、R2、采样针与时基电路构成单稳态触发电路, 当外部触发时开始充电, 输出高电平, 当充电到VCC/3输出反转为低电平。脉冲周期由外部触发控制, 触发频率一般在20~100k Hz, 触发周期以略大于探测到液面最大空间分布电容情况时的最大脉宽为佳, 由最大探液量及应用环境决定。

2 检测方法

脉宽调制信息经二阶低通滤波器转化为准直流电平, 当探测到液面时电平跃变升高, 跃变电平与参考电平输入比较器得到液面探测脉冲信息图。具体电路, 见图2。由U2A线性放大提供略大于本底电平的参考电平, 由于迟滞电路有一定的延时和带宽, 使得比较电路在未探测到液面时输出低电平, 探测到液面时在一段时间内输出高电平。

3 智能化设计

用时基电路提供触发源, 结合上述电路可以实现全硬件电路的液面探测系统, 但液面探测脉冲在小液量时不易被捕获, 易受干扰, 不能实现稳定可靠的探测。图2中由迟滞电路提供的参考电平在实际应用中需要反复调试, 且由于季节、气候变化, 可调电阻触点老化等原因参考电平不能一直保持稳定, 往往每隔两三个月需要人工调节一次, 这无形中增加了维护成本。

引入单片机控制液面探测[5,6]可以有效提高探测质量。原理框图, 见图3。由单片机输出一路PWM信号提供稳定的触发频率, 触发信号自图1中2脚输入, 当低于VCC/3时, 触发器置位, 3脚输出高电平, 同时放电开关管关闭, 单稳态触发器进入充电过程。为不影响脉宽调制, 选取低电平时短PWM信号作为触发信号。

根据检测原理, 稳定的参考电平不应因是否探测到液面而发生变化。可通过单片机输出另一路PWM信号经二阶低通滤波器生成直流参考电平, 并经A/D转换对其进行实时监测, 通过自适应算法自动调节占宽比使其输出与设定值一致的稳定参考电平, 探测精度要求高时需要经D/A转换来提供稳定可控的参考电平。液面探测模拟电路, 见图4。

由外部控制本底信息采集, 本底采集时间为0.2 s, 经A/D转换 (ADC) 、256个数据循环池滑动平均得到平均值, 在此基础上加一个增量作为参考电平值, 此增量的大小决定了探测的灵敏度, 通过2个单片机引脚调节该增量并自动存储到单片机EEPROM中。系统中A/D、D/A转换分别为10位精度IC。表1为在测量点AINF处本底和各种液体容量的模数转换值与数字万用表实测电压值的关系。

注:表中电压数据由于人工介入测量引入一定环境电容改变, 其测量值仅作参考。

探测到液面时的比较输出是一个稳定的高电平。为提高探测的抗干扰能力, 单片机实时跟踪比较输出:当跟踪到持续的高电平信号时输出信号;当跟踪到脉冲干扰信号时单片机通过判断持续时间予以删除, 这是提高小液量探测灵敏度的关键。100μL液面探测示波器检测结果, 见图5。

4 结论

依据电容式探测原理, 经智能化处理后的液面探测系统的灵敏度得到了大幅度提高, 最小探液量可达100μL, 优于预期最小探液量 (150μL) , 有效提高了试剂最大使用量, 降低了样本的需求量。此设计方案已应用于临床检测的某自动化学发光免疫分析仪中。

参考文献

[1]朱险峰, 张阔, 曾思思, 等.全自动临床检验仪器中液面探测技术的进展[J].生物医学工程学杂志, 2010, (4) :949-952.

[2]纪国伟.AU5400生化仪液面探测原理分析[J].中国医学装备, 2010, (7) :52-54.

[3]李书旗, 沈金荣.液位测量传感器系统的设计与实现[J].计算机测量与控制, 2009, 17 (11) :2131-2133.

[4]招惠玲, 周美娟, 胡远忠.电容式液位测量系统的设计[J].传感器技术, 2004, 23 (3) :40-42.

[5]程剑锋.基于单片机的接触式液面检测系统[J].机械工程与自动化, 2009, (6) :48-49.

[6]晏红, 王选择, 赵春华.液位自动化测量系统设计[J].现代仪器, 2002, (2) :9-11.

探测技术 篇2

随着我国高速公路建设的迅猛发展，溶岩地区修建的公路桥梁越来越多。溶岩为石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等可溶性岩层经常年水流侵蚀作用，逐渐溶蚀形成的溶槽、溶沟或溶洞，其分布无规律可循。

石灰溶岩地区桥梁桩基的持力层为石灰岩，岩质一般较坚硬，岩层中裂隙、溶洞、溶槽、石笋发育，岩面倾角大且不规则，给施工带来很大的困难，若处理不当，往往会造成掉钻、卡钻、埋锤、梅花孔、漏浆、塌孔等事故发生，甚至威胁桥梁运营安全。因此充分了解桥梁桩位所处地区溶洞的发育规律、基本形态、规模大小、溶穴顶板岩层厚度、完整性、洞内充填物性状等，进而评价岩溶地基的稳定性，并在施工过程中采取稳妥地防治措施，才能保证施工顺利进行、桥梁运营安全。

一、溶洞探测技术

溶岩地区桥梁桩基施工，应充分了解桩位溶洞分布规律等基本情况。目前较常采用的方法是超前钻探、地球物理勘探、电磁波层析CT探测、三高测量技术等。

1.超前钻探

在工程地质勘测工作中，钻探是广泛采用的一种最重要的勘探手段，科韵获得深部底层的可靠地质资料，因此在施工首根桩时，如果发现地质情况与设计资料出入较大，应该采用逐桩超前钻探，并按照设计桩底标高在完整基岩内加深5m，确保桥梁的安全可靠性。通过超前钻探，揭示溶岩的发育情况、溶洞的分布位置、地下水特征等。在施工中应该注意以下事项：

（1）每根桩必须用地质钻机钻探，详细记录地质状况、溶洞深度、高度、填充物类型，画图列表，为制定相应施工方，按提供详实依据；

（2）对充填物进行土工试验，分析其物理力学特性，检测容重、含水量、孔隙率等，为以后处理提供依据；

（3）根据地质钻探资料和填充物情况，对每根桩设计出相应的处理方案、成孔方法及施工措施。

2.地球物理勘探

地球物理勘探简称物探，是以各种土、石物理性质的差别为基础，采用专门的仪器，观测天然或人工的物理场变化，来判断地下地质情况的方法。在工程地质勘探中，与调查测绘、挖探、钻探配合使用，对指导地质判断、合理布置钻孔、判断溶岩地区的地质状况有很大的作用。目前常用的物探方法有：电法勘探、地震勘探、声波探测、重力勘探、磁力勘探、放射性勘探与地质雷达等，恰当地运用多种物探方法，相互配合，进行综合物探，效果会更好。

南昆铁路在施工过程中考虑到岩溶为不规则三维形体，空间组合复杂，为较为精确的查清岩溶的位置、形态及埋深，选用了直流电测深法和地质雷达探测法为主进行勘探，个别路段辅以联合剖面法、充电法和四极对称剖面法；在具备网格状布孔的条件下，采用孔内无线

电波透视法。电测探法点距为5m，异常地段加密至2.5m，AB/2从1.5m变至50m，MN/2=0.5m；地质雷达探测法采用连续追踪剖面观测，为兼顾勘探深度和精度，采用了100MHz和300MHz两种对空屏蔽天线进行施测采样点为512点扫描，记录长度为30010-9~65010-9s；孔内无线电波透视法采用定发、定接及同步等多种方式观测。通过采用综合物探方法，相互印证，取长补短，取得了良好的勘探效果。

3.电磁波层析CT探测

电磁波层析CT探测方法是80年代发展起来的一门新技术，将医学CT的原理运用于地学，派生出一系列的层析成像技术。目前国际上发展了3种井间层析探测技术：地震波井间层析探测技术、电磁波层析成像和电阻率成像。

在地基勘探中钻孔是最基本的手段之一，它虽然能给出详细直接的地层信息，但不能代表钻孔之间大范围的地下结构状况，常规一桩一孔的方法难于查明桥墩位下方的溶洞分部件情况。今年发展起来的地学CT成像技术可以弥补这方面的不足。井间电磁波层析透视探测方法应用可控发射源，在两个钻孔之间进行发射与接收，对比发射与接收之间的差异，可重建两钻孔之间的结构图像。

在肇庆大桥的建设过程中采用电磁波层析成像，工作频率采用32MHz，探测结果表明：该法能直观地勾画出墩位下方溶洞的分布形态和延伸状况，为大桥设计提供了较可靠的地质资料。总体而言，电磁波透视层析成像法在岩溶发育地带是一种有效而经济的探测方法，只要有足够多相互交错的探测剖面对桩进行控制，有助于正确判断溶洞在水平和垂直方向的延伸范围，减少漏判和误判，结合初勘钻孔进行电磁波透视CT探测，可以大量减少重复的财力和物力消耗。此外，根据水平切面溶洞分布图计算不同深度桩的实际有效摩擦面积，进而推算桩的承载力。

4.三高测量技术

三高测量即高精度、高密度、高分辨率。三高测量采用GDT高分辨率地质探测仪，对探测地质体的分辨率高，可达3%（层厚与埋深之比）。该技术是将单个的GDS测点以一定的密度，即点距等于极距差，测出的数据有高密度DS电测深曲线图、高密度电阻率等值线图（常规高密度）、高密度GDS曲线图，三种图形呈等深度的正方或长方形排列，不同于常规的倒梯形或三角形。其中高密度GDS曲线，对探测地质体的分辨率高，在探测岩溶石可以明显而直观的反映出岩溶发育分布情况及形态等特征。

在采取各种措施，对溶洞位置及各种情况进行探测后，能最大限度的降低施工风险。但是在实际施工过程中，不可避免的要对溶岩、溶洞采取一定的措施，来增加施工安全性，确保桥梁的运营安全。

二、溶洞处理技术

在溶岩地区选线，要想完全绕避是不可能的，尤其是在我国南方部分溶岩分布广泛的地区，难度更大，因此采用适当的措施对溶岩或溶洞进行处理就显得十分必要。

根据溶洞发育特点，将其分为三类：一般小溶洞、溶槽、裂隙，封闭大型溶洞，复杂溶洞。根据其特点采用相应的处理及施工方案。

1.一般小溶洞、溶槽、裂隙的处理措施

钻孔施工过程中，经常遇到一些不明情况的小溶洞、溶槽、裂隙，设计提供的地质资料也不一定有注明，这时准确的判断就非常必要，以便及时处理，从而可避免损失。比如，在冲孔的过程中，发现泥浆冒气泡或者浑水，泥浆面缓慢下降，可判断桩底遇到了一般的小溶洞、溶槽、裂隙。对此，立即投放小直径片石和袋装粘土，反复冲压，以填塞小溶洞、溶槽、裂隙，效果不明显时加投袋装粘土包裹锯木屑或短草根甚至整袋水泥，进行堵漏，同时向孔内不断补充泥浆，直至孔内情况稳定，然后再缓慢进尺，穿过岩溶区，再恢复正常。此法操作简单，经济实用，在广州西二环高速公路巴江河特大桥的施工中对较小的溶洞均采用此方法，效果理想。

2.封闭大型溶洞的处理措施

一般情况下，依据设计的地质资料，可以判断大型溶洞的大致位置。具体做法是，当进尺接近溶洞顶部约2m时，要求钻机操作人员改用低冲程(1～1.5 m)冲击，以防止迅速击穿岩壳时而卡钻，同时加强对进尺深度的测量和对钻孔情况的观察，发现异常情况及时处理。与此同时，在附近准备好大量的片石、袋装粘土，安排1台挖掘机在该桩附近待命，并备好大量的泥浆。在钻进过程中，操作人员如发现孔内浆面冒气泡，且泥浆面迅速下降，说明此时钻头已击穿了溶洞顶壳，应立即停止钻孔并将钻头提出孔外，并迅速开启泥浆池中的泥浆泵，不断往孔内加注泥浆及补水，以尽量保持孔内的水头差；另一方面立即组织附近的挖掘机向孔内投放片石、袋装粘土及膨润土进行回填。当泥浆面下降比较缓慢时，再用钻头进行反复冲压，将沉碴挤入溶洞，并边冲边回填直至孔内情况稳定，恢复正常为止。巴江河特大桥13-64桩-13.56~-27.26m溶洞采用以上措施，顺利完成施工。

对于较大的溶洞，若洞内无填充物或半填充时，则需要首先打设钢护筒穿透砂层，最好达到岩层表面，防止钻孔时打穿溶洞顶板后，泥浆迅速下落，导致上部钻孔坍塌。钢护筒打设完成后进行冲孔。溶洞顶板打穿后，向孔内填充片石及粘土至溶洞顶板，灌注泥浆后继续冲孔。如漏浆太快则应重复上述操作，直至泥浆不再下降为止。若溶洞深度不大，可采用打长钢护筒(或预制钢筋混凝土护筒)，采取边冲孔、边振沉钢护筒的方法穿过溶洞，在溶洞处套上钢套管的主要作用是防止混凝土流进溶洞。

3.复杂溶洞的处理

复杂溶洞主要是指联通型溶洞，依据设计提供的地质资料，若同一墩台桩基较大溶洞位置大致相同，则很可能为串通型溶洞。若钻孔至溶洞，孔内泥浆面迅速下降，向孔内投放片石、袋装粘土及膨润土，较长时间回填土面持续下降，不能稳定，就可以判断该溶洞为串通型溶洞或地下河。串通型溶洞可能在同一墩位的桩与桩之间相互串通，也可能串通到其他墩位。

此时应根据地质资料进行处理，若溶洞不大，可灌注混凝土，阻隔两孔，使之无法串通；若溶洞较大，可填充片石、卵石、漂石等石料，使其形成具有一定强度和厚度的护壁，防止施工过程中的漏浆、塌孔。如巴江河特大桥桩28—141 和桩28—143，在冲孔过程中，发现桩位溶洞联通，开始填充片石和粘土，还是无法阻隔；最后在28—143 孔内灌注混凝土，封住溶洞孔，24h后再进行冲孔。

4.压浆法处理

该方法是利用钻机把带有特殊喷嘴的注浆管钻穿岩层溶洞，确定位置后，用高压泥浆泵等高压发生装置，使水泥浆液成为高压喷射流，从注浆管底部、侧面喷出。同时钻杆以一定的速度提升，不断以强力冲击溶洞内。浆液经一定时间凝固后，即在溶洞内形成一个固结体 这样便起到充填溶洞的作用。

1）设计要求

（1）布孔：当溶洞面积小于2m 时，在溶洞中央布一个孔；当面积大于2m，按2 m间距布孔。

（2）孔深：钻至溶洞底0.5 m以上为限。

（3）注浆材料及配比：浆液以水泥为主剂，为提高灌浆速度掺用水玻璃、减水剂，主要可以采用42.5号普通水泥。

2）施工工艺

（1）布孔钻进：根据勘探资料，了解溶洞位置、深度，进行布孔及确定钻孔深度，然后进行钻孔，并控制钻进深度、垂直度。

（2）试喷：钻孔到预定深度后，清孔，保证孔内无沉碴后安装注浆设备，起拔钻具，下注浆管，达到一定深度后，开泵试喷。

（3）注浆：根据成孔地质情况，了解渗透系数大小，确定各孔段浆液配比、灌注速度，配比根据效果而定，遵循由稀到浓的原则，逐级逐段改变，直至把整个溶洞灌满。灌注过程中如遇多层溶洞，先灌注底层溶洞，再提升钻杆，逐级灌注上层溶洞。

（4）清洗：起拔注浆器封孔，刷洗注浆管，以便畅通。

（5）在处理完后，再进行钻探，以探明岩溶、溶洞水泥浆充填情况，固结是否良好，有无空隙。

三、结语

在溶洞地区施工桥梁桩基是比较困难的，本文针对目前较常采用的溶岩检测方法和溶洞处理技术进行了总结，希望能够对在相关地区的工程施工提供参考。

参考文献：

1.伍法权，中国21世纪若干重大工程地质与环境问题[J]，工程地质学报，2001 9（2），P115~120 2.李坚，综合物探法在南昆线岩溶复查工作中的应用[J]，地质与勘探，1998年9月第34卷第5期P42~47 3.张腊根，刘基，高密度电法在岩溶地区路基勘察中的作用[J]，土工基础，2006年10月第20卷第5期，P69~71 4.赵峰，三高测量技术探测岩溶[J]，山西建筑，2003年2月第29卷第2期P76~77 5.郭贵安，魏柏林，井间电磁波CT技术在溶洞探测中的应用[J]，华南地震，1999年12月第19卷第4期P28~34 6.魏刚，李波，压浆处理桥梁基础溶洞[J]，湖南交通科技，2002年3月第28卷第2期P62~63 7.李海涛，吴初平，特大桥主桥多溶洞群处理技术[J]，湖南交通科技，2006年3月第32卷第1期，P95~97 8.张海健，谷永煌，杜来秋，浅谈岩溶地区桥梁桩基础施工技术及质量控制[J]，建筑与工程，2007年第22期P90~91 作者简介：

徐洪磊（1975-），男，山东济南人，学士，路桥工程师，主要从事公路、桥梁建设施工。

关于大气探测技术的探究 篇3

关键词：大气探测技术

引言：当前，大气探测技术的特点在随着自然科学和技术的进步的同时，也在逐渐地在提升。其中，包括在不断增强的探测能力，快速发展的自动化观测水平，观测方法及观测网设计也在逐渐被重视，观测工具的有效配合，遥测、遥感和直接观测等三种高新技术的同时运用，并各取所长。当前，国外的一些大型的研究计划都将观测系统的建设置于首要位置来对待，如：气候变化与可预报性研究计划（CLIVAR）、全球能量和水分循环研究计划（GEWEX）、世界天气研究计划（WWRP）等；

1. 天气雷达探测技术

在气象业务及科研工作中天气雷达探测占据着重要的地位，其中在强风暴天气、咫风、洪水及开展外场用大气科学试验等方面的监察和预报中，起到至关重要的作用，并且其发展速度也是非常的迅速。

目前，loCM雷达为探测的主要采取设备，其探测距离一般为迈/45oKM，构成较完善的雷达网，装备有比较完整的伺服系统，回波资料的数字化管理在依赖电子计算机的基础上完成，并且能和用户之间也形成比较好的护送设备。英国气象局雷达监测中心经过20多年的探索发展，其雷达网已经几乎可以把全英国重要地区以全部覆盖的标准，并且同时西欧的气象雷达网也相继被使用在其中，使得这些为短时间预报提供分辨率非常高（雷达站邻近ZXZKM，全国范围sx5KM，平均五分钟扫描一回）的降水（雨或雪）资料。近年来，FRONTIERS系统也在英国的这些雷达设备中同时配备，其在显示技术是应用当今最强最新的显示系统，并且可以短时间内提供出雷达观测文件和卫星的综合预报。

2.GPS无线电掩星探测技术

GPS无线电掩星技术在探测地球大气方面被认为是当前大气探测中最具有潜力的技术方法之一。GPS无线电掩星能够反演地球大气弯曲场、密度场、反射场及中性大气层的热度、气压、电离层剖面和湿度剖面等，都是国防建造、大气科学、气象、地球灾难预报等等相关应用部门的必须采取的数据。当前，我国已经制定了我方的掩星观测用的小卫星方案。MicroLabl、Orsted ，SAC-C及CHAMP等卫星都曾获得重要的观测结果。其中实行地球大气速剖面的反演是应用GPS无线电掩星技术的首要研究课题。当今，COSMIC卫星是我国台湾同美国计划共同发射的，其即将为这一领域的探究提供更充分的GPS掩星资料。虽然GPS掩星技术目前仅仅被认为是一项新技术，但其在空间探测方面所展示出的应用潜力却非常大，不仅可以在全球内的观测中实现昼夜观测能力，而且还具有很多非常重要的特点，如：垂直分辨率高、稳定性好、准确和探测参量多等。

3.卫星遥感探测技术

我们知道，多种大气微量成分同步测量和获得全球分布特质的发展方向是中高层大气卫星遥感技术的正向着方向发展，考虑到中高层大气的这一特点。我们日常在卫星探测方面，对中层大气温度和臭氧含量除了以往常规的NOAA卫星测量外，还进一步针对中层大气的温度、臭氧、大气微量和二氧化氮成分及气溶胶等中层大气的温度、大气压力及臭氧的测量而进行发射了SME、ERBS等卫星。其中，较为突出的研究成果便是马瑞平等利用卫星传感技术得到的中层大气以及平流层所探究收集到的资料在1979至1981年对中层大气的温度，首次对我国上空20—80千米大气温度的分布特征做出了较为详细全面的分析。除此之外，沈长寿等更是通过利用AE—D卫星对于中性大气数密度的观测所得到的大量的值得研究地资料，通过实验探究与分析得出对中性大气加热的理论是符合实际情况的。

4.气球、火箭及飞船探测技术

为了能够对臭氧层得到进一步的认识和很好的保护，结合现如今的技术手段，人们通过卫星、激光雷达、气球等诸多手段对其进行着不断地探究。相比较其他方式而言，当今最为直接和有效的手段之一是大气臭氧探空系统。由我国大气科学院和我国气象局大气探测集中实验基地联合合作所研发出的大气臭氧探空系统数字化属于电化学式臭氧探空系统相对于我们获得臭氧含量的信息做出了巨大的贡献。根据现今的技术发展，大气臭氧探测系统能够从地面到30KM高度范围内的整个大气层内各个高度上的臭氧含量值进行获得。不仅如此，我们还可以对这些高度上的温度、湿度以及起气压等进行获知，并可同时获得这些高度上的温度、湿度、气压和风等气象资料，这无疑是我们研究成果的一大进步。

5. 今后大气探测技术发展趋势

向综合探测方向发展是我国大气探测技术的总体未来发展趋势。如遥测遥感与大气观测，天基空基于地基，常规与非常规观测等。新型设备的研制和开发，逐渐实现可以使信息能够在获取、预处理及传输上实现一体化的效果。遥测遥感技术自动化方向的发展，把部分较为繁琐的目测及器测项目逐一取代。高精度方向的发展，是未来在时空上的高分辨率探测精度的必然，同时多功能和小型化也是探测仪器未来的发展方向。

结语：人类生存环境、灾害性天气事件及气候变化将大气探测技术的今后发展和研究的中心，特别是如大气和水汽成分探测、成分探测、强对流系统（暴雨、雷暴、台风等）中层大气状态与中的微物理量和电参量直接探测等等一些极端天气事件和特殊大气探测现场探测。结合探测新原理与遥感反演离理论和模型，研究、开发大气参数和过程探测的新技术和新方法，都将形成平流层大气和对流层与环境的综合探测系统，在推进其交叉科学及大气科学的发展，特别是在增进地球系统科学的发展方面和认识展现着重要作用。

参考文献：

[1]张庆阳， 张沅， 李莉， 田静. 大气探测技术发展概述[J]. 气象科技， 2013， （02）.

[2]郄秀书， 吕达仁 ，陈洪滨， 王普才， 段树， 章文星， 王鑫， 宣越健， 王勇， 霍娟， 白建辉， 杜睿. 大气探测高技术及应用研究进展[J]. 大气科学， 2008， （04）.

探测技术 篇4

1 雷达测试围岩松动圈基本原理

巷道围岩松动圈有许多测试方法, 其中使用地质雷达技术是目前最先进的, 目前矿井利用地质雷达对松动圈的测定越来越多[2,3,4,5]。地质雷达基于介质间的电导率、介电常数等电性差异, 以高频电磁波 (主频为数十兆赫至数百兆赫) 在电性界面的反射来探测地下目标体的。在地下一定深度内如果存在有异常物体, 并且其与周围介质间存在明显的电性差异时, 由地质雷达天线在巷道表面向巷道围岩发射的高频电磁波遇到异常物体与周围介质电性分界面时就会被反射回巷道表面被接收天线接收, 根据介质中电磁波传播速度和接收的反射信号及其双程走时, 便可确定围岩深部裂隙区域与较完整岩体分界面的位置和深度。

作为一种主动的电磁探测系统, 由计算机、控制面板、发射电路、发射天线、接收电路和接受天线6部分组成。其工作原理为:利用一个天线T发射高频宽频带电磁波送入围岩, 经深部较完整岩体与裂隙岩体的分界面反射回巷道表面, 被另一天线R接受, 如图1所示。它通过记录电磁反射波信号的强弱及到达时间来判定电性异常体的几何形态和岩性特征。从几何形态来看, 地下异常体可概括为点状体和面状体两类, 前者如洞穴等, 后者如裂隙、断层、层面等。它们在雷达图像上有各自特征, 点状体特征为双曲线反射弧, 面状体呈线状反射, 异常体的岩性可通过反射波振幅来判断, 如位置可通过反射波走时确定。算法如下:

式中:h为裂隙面深度;t为反射波的到达时间;x为天线间距;v为电磁波在岩土中的传播速度;c=0.3m/ns为电磁波在空气中传播的速度;ξ为介电常数, 可查有关参数或测定取得。由于相比地质体的埋深而言, 天线间距较小, 在计算中可忽略不计, 因此上式可简化为H=vt/2

实测结果表明, 电磁波在干燥的煤中传播速度为0.13~0.15m/ns, 在干燥的砂岩和石灰岩中, 约为0.11~0.13m/ns;地下巷道的围岩通常较为潮湿, 且在松动湿水后介电常数会发生较大改变, 不同的含水量和松动状况, 介电常数的改变量也会不同.试验现场观测到围岩的含水量较大, 个别钻孔中甚至有水渗出, 因此, 对电磁波的波速做出折减, 取平均波速为0.1m/ns。

2 测试设备特点介绍

一般而言, 地质雷达的探测深度与雷达天线频率成反比, 探测精度与天线频率成正比。这意味着, 地质雷达的探测深度与其探测精度之间有一定的矛盾。为拓展地质雷达的应用领域, 调和探测精度与深度之间的矛盾, 特配备了Ramac公司的全套雷达天线系统, 含10MHz非屏蔽天线、100MHz非屏蔽天线、250MHz屏蔽天线、500MHz屏蔽天线、1000MHz屏蔽天线。以实现雷达工作的各种工作方式。考虑到巷道内部金属物多, 电磁干扰多, 本次地质雷达测试特采用250MHz屏蔽天线对42采区变电所进行围岩松动圈探测。

3 地质雷达测试围岩松动圈测试断面布置

地质雷达测试时以围岩松动圈产生的宏观裂隙形成的物性界面为主要特征;在此范围内, 岩体为破裂松弛状, 地质雷达对巷道断面进行一周扫描, 发出的电磁波在其中传播时, 波形呈无序状态, 无明显同相轴;当电磁波经过松动圈与非破坏区交界面 (松动圈界面) 时, 则会有强反射, 则可根据反射波图像特征来确定围岩松动圈的范围。在试验中, 为了能够探测巷道内每个断面测区不同位置围岩的松动圈发育值, 在每个巷道断面两帮及顶板围绕巷道周边约间隔40cm选择一个探测点, 来探测巷道围岩松动圈厚度, 测试顺序是右帮→拱顶→左帮→底板。

4 变电所围岩松动圈雷达实测分析

测试结果如图2所示。因42采区变电所原支护采用金属棚式支护, 且巷道内多电器设备等, 在第1、5、13、25、37、40测点 (分别对应图中横坐标0、0.4、1、2、3、3.2处) 有电缆、水管、U型钢等障碍物的干扰。排除以上干扰, 可从图中看到在85ns处出现较密集的断续反射波。根据钻孔窥视仪的分析结果, 对应部位围岩松动破坏范围约为4.1m, 据此可得围岩中的电磁波速约为0.1m/ns, 与假设的电磁波速相同。

从雷达剖面图可看到在巷道底板有连续反射, 表明底板的围岩整体性良好, 破碎深度在1m内, 两帮、拱顶与肩窝在相近深度观测到断续反射, 表明松动范围相差不大, 在3~4m左右。根据地质雷达探测图像, 绘制变电所松动圈发育形态如图3所示。

由地质雷达实测结果可以知道: (1) 从实测图来看, 变电所围岩松动圈的范围较大, 最大达3.7m; (2) 同一断面不同位置松动圈尺寸不同, 顶部及左帮松动圈大, 底部松动圈范围较小; (3) 同一断面中, 强度高的岩体松动圈厚度较小, 强度低的岩体松动圈厚度较大。

5 结论

(1) 地质雷达可以方便、快捷有效地测出巷道围岩松动圈范围, 特别适合于用声波法难以测试的煤层、膨胀性泥岩等低强度软弱岩体的松动圈的探测。

(2) 采用地质雷达探测围岩松动圈, 探测结果符合实际, 测试结果准确, 精度较高, 能够预测松动圈的发展趋势, 可以有效指导支护设计、优化支护参数以及施工。

(3) 在煤矿井巷实际条件中, 金属物多, 电磁干扰大, 虽然可以采用屏蔽天线压制外界的电磁干扰, 棚架也可以避开, 但金属网、断面形状起伏难以回避, 故在松动圈探测中可采用低通滤波的数据处理手段有效的抑制断面起伏和金属网带来的干扰, 提高图像处理的精度。

(4) 杨河煤业42采区变电所受埋深、构造等因素的影响, 巷道围岩完整性较差, 现单纯的棚式支护无法满足支护需求, 可根据松动圈的探测结果, 有针对地进行锚杆和锚索的耦合支护, 并打设底角锚杆, 用以控制底板, 预防底臌的发生。

参考文献

[1]伍永平, 等.基于地质雷达探测技术的巷道围岩松动圈测定[J].煤炭科学技术, 2013, 3.

[2]宋宏伟, 等.用地质雷达测试围岩松动圈的原理与实践[J].中国矿业大学学报, 2002, 31 (4) .

[3]龙景奎, 等.巷道松动圈地质雷达探测应用研究[J].山东大学学报 (工学版) , 2009, 39 (s2) .

[4]杨永杰, 等.巷道围岩松动圈的地质雷达探测及应用[J].工程地质学报, 1997, 9.

探测制导与控制技术求职简历 篇5

探测制导与控制技术求职简历模板

姓名：简历模板 两年以上工作经验|男|28岁(1988年3月3日) 居住地：南京 电 话：133******(手机) 最近工作[1年5个月] 公 司：XX有限公司 行 业：电子技术/半导体/集成电路 职 位：嵌入式软件开发 最高学历 学 历：本科 专 业：探测制导与控制技术 学 校：南京理工大学 求职意向 到岗时间：一个月之内 工作性质：全职 希望行业：电子技术/半导体/集成电路 目标地点：南京 期望月薪：面议/月 目标职能：嵌入式软件开发 工作经验 /10 — 2016/3：XX有限公司[1年5个月] 所属行业：电子技术/半导体/集成电路 开发部 嵌入式软件开发 1. 开发了某高压线山火监测与预警系统; 2. 利用dsPIC组建电路，收、发、转无线遥控信息; 3. 测量和控制电源温度、充放电;根据接收到的命令开关有关设备等; 2012/5 — 2013/8：XX有限公司[1年3个月] 所属行业：电子技术/半导体/集成电路 开发部 技术员 1. 审核电源的原理图/PCB图; 2. 提供不合格电子部品的选型要求，进行整改; 3. 对温升/EMC等关键性能，提供解决方案; 教育经历 /9— 2012/6 南京理工大学 探测制导与控制技术 本科 证书 2008/12 大学英语四级 语言能力 英语(良好)听说(良好)，读写(良好) 自我评价 本人综合素质佳，能够吃苦耐劳，忠诚稳重坚守诚信正直原则，勇于挑战自我开发自身潜力;做一个主动的.人，工作积极热情，为了自己的目标为了完成自己想要的事情拼命投入力量;

煤矿采空区的探测方法与处治技术 篇6

关键词:煤矿生产系统施工 强夯法处理采空区

中图分类号：TD82文献标识码：A文章编号：1674-098X(2012)01(a)-0081-02

硫磺沟矿区煤层开采历史悠久，9～15号煤层厚度大，煤质好，各煤矿及小煤窑主要开采该煤层，开采管理混乱，硫磺沟煤矿位于准南煤田头屯河中游西侧硫磺沟矿区中部，行政区划隶属新疆维吾尔自治区昌吉市硫磺沟镇管辖。硫磺沟煤矿是在原昌吉市联合厂煤矿基础上由原新疆哈密煤业(集团)有限责任公司硫磺沟分公司兼并后扩建而成。2007年10月，兖矿集团对原新疆哈密煤业(集团)有限责任公司硫磺沟分公司进行了控股重组后，2008年硫磺沟煤矿开始进行年产90万吨改扩建，在施工过程中因多方面因素的影响，施工难度较大。其中，本矿井浅部小煤矿数量多，形成的采空区较多，采空区的存在影响矿井地面工程和井巷工程的布置。由于工业广场面积有效，乌鲁木齐市—庙尔沟沥青公路又从工业广场中部通过，因此，煤矿地面生产系统污水沉淀池需要从小型的煤窑采空区穿过。

地下矿层采空后,其上方覆盖的岩层失去支撑,使上方岩层产生移动变形,有可能导致各类建筑物变形破坏,甚至倒塌。如果在建筑物下存在采空区,危险性更大,必须采用综合勘探手段,查明采空区的规模、分布、填充情况,并对采空区做出科学的稳定性评价。

1 工程地质概况

地层上部为新生代第四系土层,主要为河谷沉积和残坡积物。下伏古生代二叠系中-薄层煤系地层岩石,主要岩性为砂岩、炭质页岩、泥岩、泥质砂岩,呈互层分布,中夹三层煤:4～5号、7号和9～15号。煤层的产状和其围岩产状基本一致,在浅层以40°倾角向西(沿5#台方向)延伸,深部产状趋缓。沉淀池及其附近区域的采空区为小煤窑开采形成的采煤巷道,分布浅,多为废弃的矿井,属个体开采的巷道。这类巷道分布没有资料记载,巷道支护简单或没有支护,矿井多已垮塌,被充填或部分充填。沉淀池下的采空区即为该类型。

2 探测方法

因此类采空区的无规律性,采用物探技术,快速、准确地诊断采空区的位置、规模,为地基稳定分析及治理采空区提供科学依据。

采用高密度电法与浅层地震法对采空区进行综合勘察,通过两者的结果相互验证,基本探明了采空区位置与规模。

2.1 测区地质地球物理条件

根据测区地层岩性分析,页岩和泥质砂岩电阻率比较接近,一般为n×10Ω·m～n×102Ω·m,砂岩电阻率一般比页岩和泥质砂岩高,在n×102Ω·m以上,煤层和炭质页岩电阻率一般为n×10Ω·m左右。如巷道或采空区为空洞,则空洞与非采空区完整地层的电性有较大差异,表现为相对高阻异常。因此,具备在区内开展高密度电法工作的前提条件。同时,区内不同地层存在波阻抗差,砂岩波速值较高,页岩、煤层波速值较低,采空区(充填或未充填)边界是强反射界面,测区开展浅层地震勘探的物性前提条件较充分。

2.2 测线布置

根据勘察目的和测区地层分布情况,测线平行沉淀池轴线布置。中间5条线按10m线距布置,两侧两条线间距为20m,点距为5m。地震施测中间3条测线,点距2m;为了与高密度电法对比,在沉淀池两侧,以沉淀池中轴线为中心线,布置了间隔6.5m的2条1m点距浅剖面线和1条1m点距的联络线。

2.3 探测结果

通过物探工作,基本查明了沉淀池下部的采空区情况。资料说明,本区无采空巷道,本区存在的采空区分布较复杂,2#沉淀池下存在冒落带,1#沉淀池下裂隙发育，主要在浅部,其深度在10m左右。深部采空区分布规律不似浅部明显,说明采空区规模较小,这与当地调查了解的情况基本相似。

3 地基稳定性评价

沉淀池区域稳定性评价。

该项目早已作了前期规划,煤层的开采时间为建国前,近期工业广场范围内煤层未开采,沉淀池所在区域无采空引起的沉陷盆地变形及区域性地基失稳现象,因此，沉淀池所在区域是稳定的。工业广场范围内都设计了保护煤柱，故以后的开采活动不会危及沉淀池和地面生产系统的安全。

4 强夯法处理采空区

强夯是法国Menard技术公司于1969年首创的一种地基加固方法，它通过一般10～40t的重锤和10～40m的落距，对地基土施加很大的冲击能，在地基土中所出现的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等。同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降。

4.1 加固机理

强夯法是利用强大的夯击能给地基一冲击力，并在地基中产生冲击波，在冲击力作用下，夯锤对上部土体进行冲切，土体结构破坏，形成夯坑，并对周围土进行动力挤压。

4.2 设计方案

选用铸钢20t夯锤夯，夯锤的平面为圆形、落距为21m。夯击点布置为三角形。强夯处理范围应大于建筑物基础范围，每边超出基础外缘的宽度宜为设计处理深度的1/2～2/3，并不宜小于3m。第一遍夯击点间距(夯距)为夯锤直径的2.5倍，第二遍夯击点位于第一遍夯击点之间，以后各遍夯击点间距可适当减小。以保证使夯击能量传递到深处和保护夯坑周围所产生的辐射向裂隙。各夯击点的夯击数为9击。每个夯击点夯3遍，最后再以低能量满夯2遍，满夯可采用轻锤或低落距锤多次夯击，锤印彼此搭接。

4.3 施工方法

选用70吨履带起重机，使用滑轮组起吊夯锤，利用自动脱钩的装置，使锤形成自由落体。拉动脱钩器的钢丝绳，其一端拴在桩架的盘上，以钢丝绳的长短控制夯锤的落距，夯锤挂在脱钩器的钩上，当吊钩提升到要求的高度时，张紧的钢丝绳将脱钩器的伸臂拉转一个角度，致使夯锤突然下落。

4.4 注意事项

为防止起重臂在较大的仰角下突然释重而有可能发生后倾，应在履带起重机的臂杆端部设置辅助门架，或采取其它安全措施，防止落锤时机架倾覆。自动脱钩装置应具有足够的强度，且施工时要求灵活。

4.5 处理效果

强夯施工结束后,在强夯范围内进行钻孔检验,采用注水、压水试验测定强夯段的渗透系数,各测点均未超过10-4cm/s,表明密实充填程度满足质量要求。从所取岩芯可见,冒落带、裂隙已被充填,达到了加固目的。

5 结语

采空区的加固处理是一个新课题,从沉淀池下采空区处理来看,由于工业广场区域是稳定的,对采空区的处理主要是保证沉淀池基础附加应力对采空区的影响。

总之,在工程建设中要尽可能避绕采空区,当必须穿过采空区时,宜采用物探手段探明采空区的位置、规模,并对采空区的稳定性做出科学的评价,如需处理,工程实践表明，采用强夯法是行之有效的方法之一，强夯法具有施工简单、加固效果好、使用经济等优点，因而被世界各国工程界所重视。对各类土强夯处理都取得了良好的技术经济效果。但对饱和软土的加固效果，必须给予排水的出路。为此，强夯法加袋装砂井(或塑料排水带)是一个在软粘土地基上进行综合处理的加固途径。

浅淡地下管线探测技术 篇7

工作流程是否合理, 直接影响到工期和工程质量, 因此制定合理的工作流程, 是保证工序质量, 获得最终产品质量的保证。地下管线探测的工作流程为:接收任务→编写技术设计书→现场技术交底→仪器方法及适应性试验→外业调查→探测草图→管线探测→探查信息录入→探测质量检验→管线点测量→数据处理→管线成果编制→检查、修改、整饰→审核验收→成果提交。用框图表示为图1。

2 地下管线分类及管线探测基本要求

2.1 地下管线分类

根据《城市地下管线探测技术规程》把城市市政地下管线分为供水、排水、燃气、电信、电力、工业、其他管线8大类, 共约22个小类。随着城市管理的细化, 未来种类可能会更多。

2.2 地下管线探测基本要求及方法

(1) 管线探测基本内容有:平面控制测量 (精度±5cm) 、高程控制测量 (精度±5cm) 、地形图测量、管线点测量、管线图绘制、管线成果编制、管线信息录入等。

(2) 管线点测量方法主要有极坐标法、GPS RTK法、交会法、几何测量法。

(3) 地下管线探测中采用的物探方法主要包括电磁法、地质雷达法、示踪法、高精度磁法、高密度电法、浅层地震波法等, 其中电磁法、地质雷达法和示踪法是目前地下管线探测中最常用、最有效的方法。

3 地下管线信息采集的方法

到目前为止管线信息采集的方法主要采用人工纸质记录, 然后在内业整理录入的作业模式, 主要方法有:填写调查表法、绘制调查草图法、图表结合法。如表1、图2。

工程编号:______种类:______

4 地下管线成果编制

管线成果编制是针对管线探测与测量形成的数据和属性整理成满足用户管理和使用的一整套档案资料 (纸质和电子) , 主要内容包括:技术报告书、分幅示意图、按一定比例尺绘制的专业地下管网和综合管网图、专业系统逻辑图、测点成果表、照片、固定控制点成果表、管线数据库、管线管理信息系统等。

当前管线成果编制使用的主要专业软件为Auto CAD图形软件、南方公司开发的Data数据工厂和Office办公软件套件, 解决图形符号化、连接关系、逻辑关系、拓扑关系、绘图等一系列工作。例我单位组织施工探测的贵阳市某小区地下管线竣工测量, 地面面积不大, 但地下管线埋设复杂, 地下管线埋设三层, 各层之间有各式各样的硐室, 层与层之间管线纵横交错, 分辨各管线的走向困难, 外业草图费了不少时间。部分成果如表2、图3。

5 管线数据质量控制

(1) 管线数据质量控制关键点有:控制点分布合理性及其测量精度;明显管线点的测量精度;隐蔽点的探测精度;管线连接关系的正确性;管线流向的正确合理性。

(2) 质量控制与检查方法:作业过程中, 每个测站必须要检查一个控制点和两个以上的明显点。对于作业成果按照规范要求进行自查、互查、专门设站抽样检查。

(3) 各检查比例规定应符合下列要求:作业员自检和班组互检应对管线图和成果表进行100%的检查校对;专门抽样检查, 每一个工区应在隐蔽管线点中均匀分布并随机抽取不应少于隐蔽管线点总数的1%且不少于3个点进行开挖验证;每一个工区必须在隐蔽管线点和明显管线点中分别抽取不少于各总点数的5%的通过重复探查进行质量检查。

6 地下管线探测安全问题

6.1 危险源的辨识

地下管线探测工作面临各种各样的危险因素, 对作业人员人身安全、仪器设备安全等可能造成危害, 作业中往往被忽视。我们要充分辨识危险源并认识其可能造成的危害, 从而采取有力的措施, 避免产生事故。

常见的危险源有:交通事故、坠落、磕碰、缺氧窒息、有毒气体、触电、爆炸、扎伤、中暑、冻伤、狗咬伤等。

6.2 应对措施

开工前要进行安全教育及安全交底, 工作现场摆放安全锥桶、穿戴具有荧光彩条的工作服、遵守交通安全规程、挂安全绳、井边留人、带防毒口罩、安全帽、监测有毒气体、氧气浓度、开井通风、禁止明火、穿无静电服装、绝缘鞋、常用急救药物、应急预案等。

7 结束语

地下管线探测是集物探、测绘和计算机综合运用的技术, 需要有强烈的责任心, 同时要不断学习、探索和积累, 才能逐步熟悉、掌握地下管线探测技术方法。

参考文献

[1]《城市地下管线探测技术规程》 (CJJ61-2003) [S].

[2]区福邦.城市地下管线普查技术研究应用[M].南京:东南大学出版社, 1998.

压裂裂缝探测技术的应用 篇8

压裂施工中, 所用的压裂液相对于地层为良导体。由于压裂液的压入, 目标层的压力场、内部介质、喉道等都将发生改变, 目标射孔层内的电阻率将降低。通过被测井套管和远供电电极向地层供以稳定的强电流, 这部分压裂液在地层中即可看成一个场源, 由于它的存在, 将使原电场 (注压裂液前的地面电场) 的分布形态发生变化, 即大部分电流集中到低阻体带, 使地层表面的电流密度减小, 造成地面的电位发生变化。

鉴于此, 若在被测井周围环形布置多组测点, 采用高精度的电位法压裂裂缝方位测试系统, 测量在注入压裂液前后的地面电位变化。实际上, 根据测量得到的电位差不能直接判断裂缝方位。

原因包括:

1. 裂缝深度较大, 供电功率有限, 由压裂液引起的外电场变化很小。

2. 地层中介质的不均匀性, 引起地面本身的电位分布不均匀。

3. 测量电极的接地条件不同, 导致不同测点间的电位差存在较大差异。

4. 供电电流的影响。经验表明:长时间供电, 供电电极表面发生氧化, 供电电流减小。

二、数据采集

1. 为保证测试数据的准确性和有效性, 现场测试要求:

(1) 测量线和供电线的接地电阻接近0Ω。

(2) 对地绝缘电阻大于30MΩ。

(3) 复查测点的重复测量相对误差在±0.5%以内。

2. 野外施工工作步骤:

(1) 井位现场踏勘。包括确定电法仪器放置位置、采集井口准确坐标、设计施工方案等。根据压裂时间安排, 制定好工作计划。

(2) 布设测点。采用导航仪和测绳, 准确定位各测点, 每个测点打入1根铜电极, 确保所有电极都打入实土中。供电电极一端固定在井口金属架上 (A极) , 一端距离井口1200m, 压裂目的层深度为1000m, 设计的远电极极距大于目的层深度。远电极共2根, 呈“一”字形排开, 各电极通过导线连接。

(3) 将所用测点通过导线与设备连接好, 确保导线完好。

(4) 设备优化。启动设备开始测试, 保证供电电流达到6A且稳定, 观测OM、ON间电位差, 对不能满足设计要求的测点进行整改。整改的测点包括:电位差不稳定, 或者与其它两点间的电位差差异大。整改途径:换一根导线、增加电极、将电极深埋等。确保所有测点工作正常, 测得稳定的数据。

(5) 背景电场测量。压裂前, 进行设备的连接调试, 设置测试参数。在保证仪器工作稳定条件下, 采集数据时间为1.5h, 在压裂施工前对被测井地面人工电场进行正常场测试, 测量内、中、外测点间的电位差。测量正常场阶段, 现场分析测量数据, 绘制时间-电位差曲线, 若电位差的变化率小于3%, 视为正常。

(6) 压裂施工过程中, 不间断测量异常场, 与压裂前基准电位场测试装置一致, 测试压裂过程中, 测量内、中、外测点间的电位差, 取得与压裂前对应相对应的电位差数据。整个测量期间, 电流出现下降趋势, 采用增大供电电压或者增加供电电极方法, 确保供电电流稳定。压裂过程持续2h, 现场时刻观察电位差的变化率, 分析引起电位差变化的原因。测量期间出现导线被压裂车辆弄断现象, 一旦发现故障, 立即采取处理措施, 将导线接好, 确保所有测点工作正常。

(7) 压裂完成后, 再测量3h, 继续记录电位场的变化。在压裂裂缝方位, 压裂液回流, 本方位测点间的电位差的变化率逐渐减小, 最终在零值附近小范围波动。

(8) 最后将所有设备整理好, 完井。

三、资料处理与解释

压裂裂缝探测技术选用的电位法测试压裂裂缝资料解释依据是, 根据电位法理论以及正演模拟可得出:改变压裂层段电阻率值后, 裂缝方向 (或高渗透方向) 的测点测得的电位视纯异常值发生明显变化, 我们知道, 当高矿化度液体进入人工压裂后的地层段, 由于电流分配系数在沿着高矿化度液体扩散方向上急剧增大, 导致地面电流密度减小, 这样, 地面电位视纯异常曲线出现负异常变化;反之, 当低矿化度液体进入压裂层段后, 电流分配系数沿低矿化度液体的扩散方向明显减小, 地面电流密度增加, 地面电位视纯异常曲线出现正异常变化。

结论及建议

压裂裂缝探测技术选用的电位法测试压裂裂缝技术是一种地球物理探测技术, 采用高信噪比电法系统, 对地下进行电场透视, 利用地下电位差异进行成像, 直接探测压裂裂缝的几何参数。

现场生产及资料解释表明:电位法测试压裂裂缝技术可以快速、准确的得到压裂液推进方向和距离;本方法效率高且易于解释, 有利于及时指导开发方案的调整;测试工作全部在地面进行, 操作简便, 不影响生产。

然而, 目前本方法只求出视纯异常变化率, 仅能对压裂裂缝方位给出较好的解释, 对裂缝的长度及高度, 即压裂裂缝三维分布信息还不能给出好的解释, 数据处理工作有待于进一步研究。

摘要：针对低渗透油藏, 压裂是稳产的重要手段之一。监测压裂裂缝的走向、长度对于验证压裂效果、了解裂缝形态、分析裂缝泻油状况、分析地层主应力分布方向对今后勘探等都将提供重要科学依据。压裂裂缝探测技术是一种有效的直接测试压裂裂缝走向及长度的成熟测试手段。而监测压裂裂缝的走向、长度对于验证压裂效果、了解裂缝形态、分析裂缝泻油状况、分析地层主应力分布方向、为今后勘探等都将提供重要科学依据。压裂裂缝探测技术是一种有效的测试压裂裂缝走向及长度的成熟测试手段, 曾多次在我国油田各种类型的油藏上进行了现场应用, 取得了较好的应用效果。我们现在使用的压裂裂缝探测技术叫电位法测试, 以电性差异为基础, 人工建立地下稳定直流电场。压裂施工中, 由于压裂液的压入, 导致目标射孔层内的电阻率发生改变, 采用高信噪比电法仪测量这种差异, 达到解释压裂裂缝方位和评价裂缝形态的目的。

关键词：压裂裂缝探测,电位法

参考文献

[1]何芳.井间电位测试技术在大庆油田的应用.石油仪器[J].2009, 23 (3) :38-64.

[2]郭建春, 李永明等.电位法裂缝测试技术研究与应用.石油地质与工程[J].2009, 5 (6) :88-94.

风管火灾探测报警技术研究 篇9

风管火灾探测报警的目的正是为了检测风管中火灾烟气的存在,阻止烟气通过风管管路蔓延传播。在火灾发生时,一旦风管感烟火灾探测器检测到烟气进入暖通空调系统的风管管路中,风管感烟火灾探测器就会产生报警信号,关闭整个系统或者部分受影响管路的风机,控制风阀动作,从而达到控制烟气通过暖通空调系统蔓延传播、防止火势进一步扩大和保护暖通系统不被火灾和烟气破坏的目的。

笔者介绍了风管感烟火灾探测目的和目前国内外应用情况,论述了风管感烟火灾探测的基本原理。采用流体力学技术模拟仿真探测器内三维的复杂流体结构,完成了探测器机械结构设计,通过适合气流采样的光电探测单元设计完成了探测单元设计,对探测器整机性能开展了相关的评估测试。通过对国外相关标准的研究,对相关工程应用设计方法进行了论述,提出了我国的应用建议,目的是促进风管火灾探测报警技术在我国的发展和应用。

1 国内外研究与应用现状

国外发达国家较早开展了HVAC系统风管火灾探测报警技术研究,并且制定了比较全面的相关标准和设计规范。美国国家标准NFPA 90A《暖通空调系统设计规范》、NFPA 72《火灾报警规范》、NFPA101《生命安全规范》等都涉及了风管火灾探测的内容。其中,NFPA 72-2005中第5.14、6.15.5等章节规定了HVAC系统中风管感烟火灾探测器的应用,目的是防止烟气回流,产生报警信号,触发防火阀动作。NFPA 101-2006第8.5.5.7中规定感烟报警时防火阀关闭。欧洲标准CEN 54-14-2004《火灾自动报警系统设计安装和使用》A6.4中规定了风管感烟火灾探测器的设置和作用。

美国保险商试验室制定了专门的产品标准UL268A《风管感烟火灾探测器》。ISO于2006年发布风管感烟火灾探测器标准ISO 7240-22《火灾探测报警系统第22部分:风管感烟火灾探测器》。国外典型风管火灾探测器产品有美国SystemSensor公司的Innovair系列风管火灾探测器、德国ESSER公司ADD型风管火灾探测器以及日本HOCHIKI公司DH-98风管感烟火灾探测器等。

在我国,针对HVAC系统的防火保护方面,主要依据GB 50016-2006《建筑设计防火规范》9.4节、10.3节以及GB 50045-95(2005版)《高层民用建筑设计防火规范》8.5节等,规定HVAC系统采用防火阀来隔烟阻火。在HVAC系统的火灾早期探测报警方面,我国还处于空白阶段。因此,在公安部消防局应用创新项目的支持下,笔者开展了风管火灾探测报警技术研究工作,设计了风管火灾探测器并开展了工程应用设计方面的研究。

2 风管感烟火灾探测器的设计

2.1 基本原理

风管感烟火灾探测的基本原理见图1所示。探测器由盒体和两根采样管组成。安装在上风处的总压管(即进气管)上通常有一排采样孔。风管中的气流由于压差的通过采样孔经总压管进入盒体,在盒体内流过感烟探测单元,由静压管(即排气管)重新排出到风管中。如果气流中有烟雾,就会触发探测器报警,并按预设逻辑联动相关设备(风机、阀等)动作。由于探测器安装在风管外部,因而具有使用简单、维护方便等优点,是目前风管火灾探测器的主流产品。

2.2 基于流体力学的结构设计

由于风管感烟火灾探测器是根据采样管中收集到的气流来探测烟雾,因而探测器中的气流组织对报警功能的实现起着至关重要的作用。然而,探测器内部的气体流动是非常复杂的,简单的经验计算并不能够准确反映真实的流场情况。复杂的几何特征决定复杂的流体结构,流体结构反过来与几何结构产生复杂的相互作用,使得探测器内的流动成为三维的复杂结构。而探测器盒体内的流场对探测单元的灵敏度又起着决定性的作用。所以,研究风管及探测器的流体力学问题就十分有意义,这是设计风管火灾探测器的关键步骤。

笔者采用流体力学计算软件开展了模拟探测器在不同流动条件下所产生的流体结构及特性,分析影响探测器盒体内流动的因素,讨论不同几何结构对流场结果的影响,分析其中的流体力学机理,并提供优化方案,为整机结构设计提供了依据。图2是风管内风速为10 m/s时探测器中心剖面上的气流速度和湍流分布情况。

2.3 光电探测设计

风管感烟火灾探测器电路功能框图如图3所示,主要包括信号采样处理和控制输出两大部分。信号采样和处理部分主要完成基于红外光电原理的烟雾浓度检测和信号的放大、处理以及烟雾信号的软件识别算法。控制输出主要完成电源转换以及输出接口和显示等功能。与普通点型光电感烟火灾探测器不同的是,由于暖通系统风管中的气流流速快、气体湿度范围大,其烟气的特点与在气流平稳、扩散空间充裕的室内等环境中有所不同,因而笔者设计的光电探测部分充分考虑到上述烟粒子的特点,取得了比较好的探测效果。

2.4 整机性能测试

笔者完成的风管感烟火灾探测器样机见图4所示。其主要技术指标为:电源为24 V;设有两组无源触点输出;具有外壳上罩脱落检测功能和外部复位功能;探测腔采用复合结构设计,既可配接专用烟雾探测模块,也可配接符合气流烟雾探测功能要求的通用点型感烟探测器。

在图5所示的火灾探测性能综合模拟评估试验平台上对笔者开发的风管感烟火灾探测器进行了测试,图中描圈的部分是安装位置。结果表明,该探测器在响应阈值、抗电气环境干扰性、火灾探测灵敏度和风管烟气探测性上均表现出了优异的性能。

3 风管探测器的工程应用

风管感烟火灾探测器主要安装于暖通空调风管系统的供风系统和回风系统中,来探测通风管路中火灾烟气的存在,从而控制烟气通过风管系统蔓延传播,并同时保护暖通空调系统不被火灾烟气破坏。通常,影响风管系统的火灾烟气主要有3种。

(1)室外烟火源。

在建筑室外中央空调系统新风口处发生的火灾,其生成的烟气极有可能通过新风口进入中央空调系统内部,再通过送风管路进入空调房间,危及空调房间内部人员及财产安全。

(2)中央空调系统中的火源。

随着建筑规模越来越大,中央空调系统的负荷也随之增大,加之有些系统维护检修不足,空调机房内部的制冷、加热系统和空调风机等设备也极易引发机械电器火灾。另有研究也表明,在暖通空调系统管路中存在的粉尘沉积物也存在大量的可燃物质,这也极易引发暖通空调管路系统内部的火灾。

(3)空调房间中发生的火灾。

当建筑内部的空调房间内发生火灾,迅速生成的烟气和火焰,由于空调房间的正压作用,极易通过房间内的回风口蔓延至暖通空调的回风管道中,继而沿着回风气流继续传播。

参考国外相关标准,针对典型的起火源,笔者总结了风管感烟火灾探测器的工程应用方法,主要包括探测器设置位置、安装与使用条件、安装过程、联动关系设置、检测与维护等方面。

通常情况下,暖通空调系统的供风系统和回风系统均需要安装风管感烟火灾探测器。例如,美国国家报警规范NFPA 72《火灾报警规范(2007版)》中规定:在暖通空调系统供风系统风机和空气过滤装置的下游和每个防烟分区的回风口后,以及在气流进入两个或两个以上防烟分区共用的回风管路之前,都应该安装与该位置风速情况相匹配的风管感烟火灾探测器。同时,在使用风管感烟火灾探测器时,还应该注意它并不能代替常规的点型感烟火灾探测器来保护建筑室内的空间,而是作为火灾自动报警系统中的一个组成部分来发挥作用。

4 结 论

对建筑内的HVAC系统风管开展火灾探测的研究与应用具有重要的意义。笔者在借鉴发达国家产品与技术基础上,通过综合采用优化流体结构设计、适于探测气流烟雾粒子的光学探测室结构设计和红外光电烟雾探测及信号放大、处理电路设计等技术环节,成功开发出风管感烟火灾探测器。性能测试表明,在响应阈值、抗电气环境干扰性、火灾探测灵敏度和风管烟气探测性上均表现出了优异的性能;与国外产品相比,各项性能指标基本达到先进产品水平,在灰尘和水雾的抗干扰能力上表现出较大优势。

在分析和总结国外相关工程应用规范的基础上,进一步的研究工作主要集中在产品的生产工艺和工程实际使用等方面,工程应用效果的反馈将促进该探测器设计的进一步完善和相关标准、规范的制修订,从而促进风管感烟火灾探测器在我国的发展与应用。

参考文献

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[4]GB 50243-2002,通风与空调工程施工质量验收规范[S].

[5]GB 50116-98,火灾自动报警系统设计规范[S].

[6]UL 268A,Smoke detectors for duct application[S].UnderwritersLaboratories Inc.Standard for Safety.2008.

[7]李岱森.空气调节[M].北京:中国建筑出版社,2008.

[8]董文辉,厉剑,梅志斌,等.火灾探测性能综合评估试验平台设计[J].消防科学与技术,2006,25(6):789-792.

[9]董文辉,李宁宁,梅志斌,等.欧美国家火灾报警系统规范介绍及启示[J].消防科学与技术,2008,27(6):423-426.

火灾探测技术研究的展望 篇10

火灾具有突发性、频繁性等特点，它不仅会给人类造成不必要的经济损失，还直接威胁着人的生命安全，为了避免火灾的发展，火灾探测的研究变得越来越重要。火灾探测技术结合了火灾探测算法与传感技术，是火灾探测器研发的重要前提，随着科技的不断进步，火灾探测技术的研究步入了一个全新的阶段。下面我们来了解一下火灾探测原理与方法，重点探讨一下火灾探测技术的发展趋势。

1 火灾探测原理及探测方法的研究

1.1 火灾探测的原理

火灾的发展具有不确定性，它不仅会受到自身因素的影响，还跟外界因素紧密的联系在一起。火灾一旦发生，就会以火焰、燃烧产物、燃烧音的形式扩散，下面我们分别来了解一下这三种物理特性。

1.1.1 火焰。

火灾发生时，火焰的温度一般在900℃到1400℃之间，它的形状由发光微粒合成，具有不稳定性，在火焰边缘一般称锯齿型。火焰在燃烧时会发射出电磁辐射，包括能量辐射与辐射光谱，辐射波动频率变化较大。

1.1.2 燃烧产物。

根据燃烧产物的形态，可以将它分为气态燃烧产物和固态高温产物。气态燃烧产物由水、一氧化碳、二氧化碳等成分构成，在发生火灾时，空气中一氧化碳和二氧化碳的含量会迅速增多。固态高温产物包括物体燃烧过后的杂质和高温形成物，它们带有静电荷，温度可高达上千度。

1.1.3 燃烧音。

燃烧音是指在物体燃烧过程中产生的声波，它是由空气受热产生的，一般频率较大，其频带中的杂音较少。在物质燃烧时，可听域和超声域都会产生声波，可听域的杂音较多。

1.2 火灾探测的方法

根据火灾物理特性的表现，我们研究出了许多有效的火灾探测方法，它们为探测器的研发提供了一定的理论依据，下面我们分别来了解一下主要的火灾探测方法。

1.2.1 火焰光探测法。

火焰光探测法是依据红外辐射、紫外辐射的大小来进行判断的，采用了被动式光辐射探测原理，一般用在明火燃烧的阶段。

1.2.2 空气离化探测法。

空气离化探测法是利用射线把空气离子化，使电离室内部的空气带有导电性，从而形成离子电流。采用这种探测方法可以用来检测烟雾气溶胶，一般检测范围在0.03m到10m之间。

1.2.3 光电探测法。

光电探测法是一种感烟式火灾探测方法，它是通过火灾微粒对光线的作用来实现的，一般分为减光式和散射光式。

1.2.4 温度探测法。

温度探测法是根据火灾燃烧时的温度变化进行判断的，它主要用于火灾的阴燃阶段，是通过热敏电阻、热电偶等元件及电子线路来进行火灾探测的。

2 火灾探测技术的发展趋势

为了提高火灾探测技术，需要我们继续研究新型的火灾探测技术，进一步完善火灾探测系统。另外，还要不断扩展火灾探测中技术应用，在探测中运用更多先进的技术，像激光技术、模糊逻辑、通讯技术等。以目前火灾探测技术的发展情况来看，网络型火灾自动报警技术和多参量火灾探测技术是未来火灾探测领域的研究方向。

2.1 网络型火灾自动报警技术

当前的火灾报警技术多是采用一体化控制模式，所有设备都由控制器集中控制，这种单一系统具有一定的缺陷。在整个系统中，一旦控制器发生故障，就会造成系统瘫痪现象，而且这种集中控制的模式不能运用到分散式的建筑中。而网络型火灾报警控制技术是由多项控制器构成，各项控制器之间的数据交换是在局域网中进行的，这不仅减少了系统瘫痪现象，还能够运用到大规模建筑中，是未来火灾探测技术发展的重点方向。

2.2 多参量火灾探测技术

火灾燃烧会产生大量的气体、烟雾、颗粒等，它的物理特性包括火焰、可燃物、燃烧音等，如果只根据某种参量进行火灾判断难免有缺漏。为此，需要我们依据火灾的物理特性，将多种火灾参量结合在一起，通过多参量火灾探测技术来识别火灾，从而降低火灾的误报率。以往单一性的火灾探测技术存在一定的缺陷，这对火灾的探测有一定的滞后性，而多参量火灾探测技术具有很强的综合性，它的使用会进一步缩短火灾探测时间，为此，多参量火灾探测技术会成为日后的重点研究对象。

3 结束语

综上所述，火灾探测技术与人类的生命财产安全紧密相连，随着科技水平的不断提高，火灾探测的研究越来越深入，逐渐向自动化、系统化的方向发展，其发展前景不可估量。时代在进步，火灾探测器的科技含量也不断提高，它们在火灾探测中的应用效果越来越好，相信在不久的将来，火灾探测技术会进入蓬勃发展的阶段。

摘要：随着科技的不断发展,火灾探测技术水平逐步提高,许多技术被广泛的运用到了火灾探测研究中,像智能探测、信号处理技术、自动控制技术等。为了避免火灾的发生,我们不断研究新型可靠的火灾探测器,试图通过敏感元件将能量进行转换,将其转换为易处理的物理量。文章中,对火灾探测的基本原理及火灾探测方法 进行了归纳分析,指出了未来火灾探测技术的发展趋势。

关键词：火灾探测技术,基本原理,火灾探测方法,发展趋势

参考文献

[1]张勇,刘军.火灾探测技术[J].消防技术与产品信息,2009(06)

[2]孙宇臣,王自朝.视频火灾探测系统现状分析[J].消防科学与技术,2007(04)

[3]丁璐,李春华,杨戍.火灾探测技术的分析[J].煤矿现代化,2007(04)

探测技术 篇11

冀中能源峰峰集团有限公司万年矿 河北省 056302

摘要：本文主要从当前我国煤矿安全生产现状、煤矿地质测量在煤矿生产中的作用、我国煤炭地质探测在安全生产中的几种技术、地质探测技术在安全生产中应用的展望等方面進行了详细的阐述。

关键词：煤矿地质探测；安全生产；作用

前言

地质探测工作是煤矿开采的前提，本文就煤矿地质探测技术在安全生产方面进行了探讨。

一、当前我国煤矿安全生产现状

近年来，我国煤矿的安全生产工作发展态势较好，但是，一些煤矿的安全生产形势仍然严峻，究其原因，主要有以下几个方面：

1.煤矿数量多，整体安全水平低，违法违规组织生产现象严重。

目前中国小煤矿的数量依旧数量众多，小煤矿安全保证条件差，乱采乱挖现象严重，置国家和人民利益的利益于不顾，经常为了追求利润，不惜拼人力、搞人海战术，无设计或不按设计施工作业，在局部区域内布置过多采掘工作面，导致井下一个班的作业人员高达数百人。由于生产组织集中，导致事故范围扩大，伤亡惨重。

2.基础工作薄弱，安全投入不足，不能保障

最基本的安全生产条件。煤矿矿井的寿命多为几十年，甚至上百年，建井初期，矿井的生产系统还是比较好的，但是随着开采深度加大，范围延伸扩展，瓦斯涌出量增多，危险程度急剧增长，原有的矿井生产系统就难以适应要求，而又没有可能自筹资金来改建生产系统，很多煤矿只能维持简单再生产。有的煤矿至今一直使用民国时期、解放初期的安全装备，装备差，抗灾能力差，所以不产生事故则已，一旦发生事故往往就是大事故。

3.企业安全生产主体责任不落实。

有些矿井还没有真正建立和落实安全生产目标管理责任制，安全生产第一责任者的职责不能全面落实，“谁办矿、谁管矿、谁收益、谁负责安全”的办矿原则没有根本理顺。一些国有煤矿企业主要负责人重生产、轻安全，向煤矿下达的产量、掘进进尺等指标越来越高，在这种考核指标的压力下，导致矿井负责人盲目追求产量和利润。一些国有重点煤矿干部责任心不强，作风漂浮，不严格执行领导干部下井带班制度，各种责任制和规章制度没有真正落实下去。

4.技术管理薄弱，职工安全意识差。

由于煤炭企业管理人员、技术人员和一线有经验的工人流失严重，大专院校的毕业生又不愿到企业工作，企业人才严重缺乏；一些煤矿不绘制采掘工程平面图和通风系统图，采区和采掘工作面无设计，不编制采掘作业计划和作业规程，有的煤矿不按设计施工作业。

二、煤矿地质测量在煤矿生产中的作用

1.地质测量提高煤矿日常安全生产

保障煤矿生产安全。生产安全是煤矿生产的前提，而地质测量是煤矿安全生产的有力保障。在煤矿开采的设计、施工和生产的过程中，地质测量工作的地位不能忽视。在煤矿开采前必须按照《矿井地质规程》的相关要求办理手续。接到地质人员的分析报告和水文地质条件预测后，方可对煤矿井的开采和设计进行工作。

2.地质测量提高技术生产安全

煤矿区所处地质环境不一样，矿山开采的煤层与规模规模也不一样。同时地面的岩性质量不同。所以，地质测量能测出煤矿山环境地质的问题。能根据地质测量工作的差异性设计煤矿开采规划。

严格按照《矿井地质规程》的要求，提交地质说明书。地质人员利用地质测量技术对煤矿区域进行正确的地质预测预报，这些测量的基础资料是煤矿安全生产的重要材料。

地测部门利用地质测量技术对每个掘进面进行编录、整理。有问题时要和工程师共同分析、研究对相关问题进行妥善处理。地质测量要结合工作面的地质状况，预报未开拓区的地质变化，一季度一测，准时上报。

地质测量为地质资料的综合分析提供真实的资料。特别在断层和褶皱形态方面，地质测量为掌握地下和工作面的地质变化规律提供有力证据。同时也为说明书的准确程度做出评价。地质测定对煤层冲刷及其他原因有很多的帮助，测量后的煤厚、储量大小，为生产衔接提供参考。地质测量为导线布设，提供了确切的资料。

3.地质测量是煤矿日常性工作

煤矿地质测量日常性工作一般为采集井下的原始资料和指导煤矿生产工作。煤矿地质测量工作质量关系着煤矿的安全生产和煤矿开采经济效益。煤矿生产会遇到断层等地质构造，使煤层断失。需要地质人员判明断失煤的距离。这时候地质测量技术很重要，为地质测量人员提供准确的预测方向。

三、我国煤炭地质探测在安全生产中的几种技术

目前，我国采用的煤炭地质勘探技术主要有：（1）高分辨地震勘探技术。采用这种技术可圈定与查明煤层断层落差、分叉、合并区以及岩浆岩等，并能有效分析这些因素对煤层可采集陷落柱的分布与影响范围，有利于对煤层发育带进行划分。（2）测井勘探技术。该技术可以勘探煤炭的稳定性、深度和厚度，还能对煤层的力学性质、水量、泥沙、炭灰水等进行分析。测井勘探技术主要采用水文测井、煤层气测井等技术，以核、声、电等物理参数为依据进行勘测，具有非常高的准确性，可精确到煤层的0.1m。（3）利用地质雷达、重磁电等技术勘探地质。该技术可在煤炭、地下水与石油地质勘探中广泛采用。（4）利用遥感技术勘探地质。遥感是一种远距离探测技术，主要结合计算机和卫星定位，通过传感器、遥感器等对电磁波敏感的仪器，探测物体的电磁波辐射、反射、散射特性，获取电磁波信息，从而对物体的性质、特征以及状态进行分析。在煤炭地质勘探中，通过航空、航天、地面等遥感测试技术，对煤层中的煤炭资源进行探测，可判断煤炭资源质量。

四、地质探测技术在安全生产中应用的展望

1.煤矿安全高效开采地质保障系统的研究

煤矿地质安全保障系统其内涵为：采取以地质构造量化预测评价为先导，井下物探、钻探相配套的工作面超前综合探测的技术途径。地质安全保障系统包括两大主题，即生产地质保障和安全地质保障。具体就是说：一是准确地查明采区乃至工作面的开采地质条件，特别是采区和工作面内隐伏构造及顶底板条件，以保障综采工作面的顺利展开；二是有效预测和防治诸如煤与瓦斯突出、突水等矿井地质灾害，以保障煤矿的安全生产。

2.井下探测技术的应用

井下探测技术的推广应用、总结提高，促进了矿井地质学科的技术进步。当前主要应用的技术：无线电波坑道透视技术、瑞利波探测技术、地质雷达探测技术、井下直流电法探测技术、槽波地震探测技术、CT探测技术等等。

3.信息技术的普及应用

计算机的应用得到普及，随着计算机的普及和应用，矿井地质工作中计算机的应用有了较大的进展。在资料的管理、物探数据及图象的处理、动态的监测等方面都得到了应用。

3.GIS在矿区的应用

GIS是以采集、计算、存储、分析、管理和应用一切与空间地理分布有关数据的计算机系统。矿区的GIS可以将所有矿山测量的信息包含进去，经过数据处理，为矿区的生产管理、数据检索、环境保护、事故处理和规划开发等提供决策依据。将图形数据和非图形数据统一处理，直接为煤矿生产服务

4.煤矿地质灾害的研究

煤矿地质灾害包括地面塌陷、井筒变型、软岩巷道变形破坏、突水淹井事故、煤岩瓦斯突出等，深入开展这方面的研究，对避免或减少事故的发生、保障煤矿的安全生产、改善工人的劳动条件，都有着十分重要的意义。

五、结束语

只有加强对煤矿地质探测技术的研究，才能更好的保障煤矿的整体质量，更好的生产的安全性，也是我国以人为本基本国策的体现。

参考文献：

[1]彭海辉.煤矿地质探测技术在安全生产中的作用[J].科学与财富.2013（3）：166-168.

[2]王朝.煤矿地质探测技术在安全生产中的作用[J].新西部下半.2012（3）：16-18.

紫外探测技术的新发展 篇12

紫外和红外探测技术几乎同时产生于50年代,由于紫外探测器件灵敏度低,一直未能应用,而红外探测技术发展较快。直到90年代,日本开发出雪崩倍增靶摄像管,使得紫外摄像器件有较高的灵敏度和合适的光谱范围,紫外探测才得到广泛关注[1,2]。紫外探测技术以其独特优势在通信、预警和制导方面得到广泛的应用。由于紫外线的日盲特性和大气层中良好的传播特性,可飞越障碍物而实现非视线(NLOS)通信,具有低窃听率,高抗干扰性和全天候工作等优点,是一种具有很大发展潜力的新型通信方式[2]。紫外预警利用“日盲区”来探测导弹的火焰与羽烟,在背景洁净的日盲区,导弹羽烟的紫外辐射很容易被检测出来。由于避开了最强的太阳辐射背景,信息处理负担明显减轻,虚警率很低,与红外预警相比,不需要低温冷却,体积小、重量轻、响应快[1,2]。

1 紫外探测器的发展

1.1 真空型紫外探测器

早期真空型紫外探测器以光电倍增管(PMT)为代表,PMT是一种光电子发射型检测器,二次发射增益可达到104,对单个光子能够响应,具有极高的响应速度,可实现微弱信号探测[3]。目前PMT有专用“日盲”型的紫外PMT,日本滨松公司生产的改进型日盲紫外PMT R2078在“日盲”区外量子效率下降约50%,灵敏度是日盲区的1%,相差约2个数量级,比较适宜紫外光通信系统使用[2]。PMT只是概略探测紫外辐射源方位,不能成像,只能判断光谱信息来确定目标[2,3,4]。带有微通道板的光电倍增管———通道光电倍增管(CPM)是一种较新的紫外光电倍增管,不但探测灵敏度和角分辨率高,而且能成像,光电阴极以MCP为基底的CPM性能更好。

CPM采用双近贴式管型时,以输入窗为光电阴极基底,如图1所示。光电阴极(光电阴极镀在输入窗)和MCP近贴,距离为0.1~0.3mm,MCP又与荧光屏近贴,距离为0.5mm左右。由装架环和陶瓷管封接起来,工艺上很难实现,其间加有大于100V的电压,易引起场致发射;此时发射方式多为透射式,量子效率低[5,6]。

以MCP为基底,光电阴极直接镀到MCP的输入面,则输入窗和MCP间的距离要求不很严格,只需MCP的输出面与荧光屏近贴,光电子弥散就会减小,图像质量好。该器件发射模式为反射式,量子效率高,光电阴极前加一栅网,加电压后在其间形成一匀强电场,发射的光电子几乎都能进入通道而倍增,如图2所示。另外,输入窗可采用Mg F2材料做成透镜,光电阴极处于透镜的焦平面上,可以大大提高光电阴极的量子效率[5,6]。因此,以MCP为基底的通道光电倍增管成为发展趋势。

CPM具有响应速度快,抗磁场干扰能力强,电路简单,体积小,质量轻等特点[3,4,5,6]。采用像增强器作为核心探测器,虽然识别能力和探测灵敏度有所提高,但仍离不开高压电源[5,6,7,8]。像增强型CCD改进成背照式CCD(BCCD)后,就可消除这一缺陷,而且成像环节简化,灵敏度更高[7,8]。

一般CCD感光时,入射光是从MOS结构的正面进入,正面由于带有复杂的金属电极,反射较大。而背照式CCD(BCCD)刚好相反,光由CCD背面的单晶硅层入射,避免了金属电极对光的强反射,故能获得较高的量子效率,如图3所示,可见,无论感光灵敏度还是光谱响应宽度,背照式CCD都比前照式CCD要高要宽[8]。

像增强型CCD(ICCD)的成像过程为“光子-光生电子-倍增电子-光子-电子”,如图4所示,显然过多的成像环节会使图像质量逐渐恶化:MCP倍增使噪声被引入图像;光学元件的损耗及弥散会使ICCD的MTF(调制传递函数)进一步下降[8]。背照式CCD(EBCCD)去掉荧光屏、MCP和光学耦合器件,减少了ICCD中的图像传输链,成为“光子-光生电子-电子”链。当光生电子轰击减薄式CCD的背面时,产生电子-空穴对,电子得到增益。由于电子轰击半导体的噪声要远远低于MCP倍增的噪声,它的信噪比更高[8]。背照CCD通常要有足够薄的衬底,使得弱光信号能从CCD背面直接注入到芯片有源区,这样不但大大提高CCD的量子效率,而且对波长从10~1000nm的光子以及高能带电粒子都很灵敏[7,8]。

EBCCD的优点是增益高、空间分辨力强、噪声低,理论上甚至可以探测到单个光子,但是制作工艺复杂[7]。

1.2 固体紫外探测器

固体紫外探测器主要有紫外增强型硅光电二极管、二极管探测器、Si C紫外探测器和金刚石紫外探测器、紫外CCD等,其中基于Al Ga N的紫外探测器发展迅速,逐渐成为紫外预警探测器件的主流[9]。氮化镓基(Ga N Based)材料是指元素周期表中的III族元素铝、镓、铟和V族元素氮形成的化合物(Ga N、Al N、In N)以及由它们组成的多元合金(In Ga N、Al Ga N等)。其典型结构如图5所示[9]。

纤锌矿结构的III-V族材料是直接带隙材料。随着合金组分的改变,其禁带宽度可以连续变[17]。对于铝镓氮材料,其禁带宽度可以从Ga N的3.4e V连续变化到Al N的6.2e V,理论上讲,利用这种材料研制的本征型紫外探测器的截止波长可以连续地从365nm变化到200 nm。根据经验公式估算:日盲型紫外探测器AlxGa1-xN材料的组分x需要达到40%以上,即所谓的高铝组分Al Ga N材料[9]。

目前,制备高铝组分Al Ga N材料虽然取得阶段性进展,但还面临许多困难[9],特别是制备具有器件结构的材料难度较大:其一缺少晶格匹配的衬底,使薄膜中存在大量缺陷,各种反应过程复杂且难控制;其二随着Al摩尔比率的增加,掺杂的激活效率变低。

紫外CCD是硅CCD减薄后,靠荧光物质将紫外光耦合进器件的,它可使器件具有从近紫外到远紫外波段摄像的能力[9,10]。1997年美国国家航空航天局研制成功新颖的256×256像元Ga N基紫外CCD,它是把Ga N紫外探测器与硅CCD多路传输器通过铟柱倒装互连而成的混合式紫外CCD[10]。由于Ga N材料在365nm波段具有很尖的响应,因而降低了对滤波器的要求,使得Ga N基的光探测器具有日盲特性。美国北卡莱罗林纳大学Schetzina教授领导的研究小组报导的Ga N基可见光电二极管在零偏压下的响应度达到0.21A/W(工作波长356nm),相当于量子效率82%,探测率D*值为6.1x1013cm Hz1/2/W[9]。在传统CCD移位寄存器的末端和输出放大器之间插入电子倍增器,即可获得电子倍增CCD(EMCCD)[8],EMCCD在信号读出时,通过相对的高压,将信号逐步放大,提高灵敏度。因此EMCCD最大的优点就是具有非常高的灵敏度,适合微弱信号的探测。L3Vision系列CCD芯片是英国E2V公司最新的EMCCD产品。芯片采用最先进的片上电子倍增技术,在有效放大信号的同时保证了高水平的信噪比和一定的信号输出速率。EMCCD技术是目前CCD行业最先进、应用前景广泛的技术。

固体紫外探测器虽然灵敏度高,体积小,功耗小,但制作工艺的复杂性和性能的稳定性是攻克的难点[7]。

2 紫外探测新动向

2.1 面阵探测器是光电器件的发展方向之一

大规模、多波段集成的成像探测器件是简化应用系统、提高系统性能的重要手段之一。Ga N基紫外面阵探测器主要是朝着大规模日盲型发展,目前均采用与红外焦平面类似的工艺,将背照射Ga N基光电二极管阵列与硅CCD读出电路,通过铟柱互连方式得到紫外焦平面器件。1999年美国Nitronex公司与北卡罗来那大学、Honeywell技术中心以及美国夜视实验室成功地实现了基于Ga N/Al Ga N pin型背照射32×32列阵焦平面探测器数字照相机,响应波段为320~365 nm,峰值响应率达到0.2 A/W(358 nm),内部量子效率达到80%,理论峰值探测率达到6.1×1013 cm Hz1/2/W。2000年他们成功展示了128×128紫外焦平面探测器数字照相机,响应波长在320~365 nm。2002年该小组又研制出320×256日盲紫外探测器,但只有部分像元能够有效成像,且质量较差,主要原因可能是高质量的高铝组分的Al Ga N材料制备困难[9]。2005年美国西北大学也报道了日盲型320×256紫外焦平面探测器,给出了较清晰的图像,但是没有器件性能的详细描述[10]。由于制备高质量的高Al组分的Al Ga N材料工艺还有待于不断探索,阵列成像的质量还待于改进。

2.2 变相紫外CCD

由于硅在200~400nm波段的吸收深度小,因此在紫外波段成像比较困难,目前此问题有了突破性进展,Photometrics公司在正面照射的CCD上加一层薄发光转换涂料,该涂层能把紫外辐射转换成普通CCD能够响应的中等波长的可见光而不需要对硅本身作专门的处理,在200~400nm的波段内可达20%的量子效率[10]。如再经过适当背面注入处理,涂上抗反射层,则具有深耗尽层的背照式CCD可达50%以上的量子效率[7]。

ARP公司与CEA公司合作,研制出一种称为ANIMATERV3X的数字成像系统,采用512×512元的高分辨率传感器,该传感器为背照式薄型CCD,其响应波段可延伸至短紫外和软X射线区,入射光直接照在CCD器件上,产生的信息经数字化处理后,通过光纤传送给接口卡。ANIMATERV3X的最大优点是能够在紫外和X光波段内成像[10]。

2.3 紫外数字照相机

美国科学家发明了可感应紫外光的数字照相机。一般数字照相机只能“看见”可见光,对许多物体(如星球、生化武器)发出的紫外光是看不到的。物理学家Jan F.Schetzina表示,这个发明对拓展数字照相机用途有良好的促进作用。它的特别之处是用Al Ga N化合物作感光物质,而不是传统的硅,这种照相机显然在军事上很有用[1,10]。

3 结束语

随着紫外探测技术不断发展,其应用范围也越来越广。紫外探测不但用于紫外告警、紫外通讯,而且在空间科学,环境监测和工业生产中有重要应用。用于空间探测的紫外望远镜,紫外星敏感器,用于灾害天气的预报,电晕放电检测,水质检测等。紫外/红外双光谱探测也称为未来发展的方,据报道,美国北约盟军1989年使用的尾剌对空导弹就采用这种红外/紫外双色制导技术,白天飞机反射的日光紫外波段功率很强,则用紫外波段跟踪目标。夜晚紫外波段辐射功率小于红外辐射,则自动切换成红外波段跟踪目标[1,2,10]。

摘要：介绍紫外探测技术的新发展。真空型紫外探测器以通道光电倍增管为代表,分析了以MCP为光电阴极基底,输入窗为透镜式的管子的特点;固体紫外探测器以GaN基紫外CCD为代表,把GaN紫外探测器与硅CCD多路传输器通过铟柱倒装互连而成的混合式紫外CCD。由于GaN基材料的禁带宽度与组分有关,光谱响应从200nm-365nm,在365nm(紫外光)波段具有很尖的截止响应特性,因而降低了对滤波器的要求,具有光谱响应特性好,灵敏度高,噪声小等优点。并对紫外探测的关键技术和发展动向做了初步分析,为紫外技术的进一步发展提供参考。

关键词：紫外探测技术,真空型紫外探测器,通道光电倍增管,固体紫外探测器

参考文献

[1]张忠廉,刘榴娣.紫外线技术在军事上的应用研究[J].光学技术,2000,Vol.26,No(4),289-293.

[2]李慧蕊.新型紫外探测器及其应用[J].光电子技术,2000,20,1:45-51.

[3]张宣妮,赵宝升.一种新型真空型紫外成像探测器[J].应用光学,2007,Vol.28,No(2),159-164.

[4]L.R.Canfield.J.Res.Natl Bureau standards(U.S)Far Ultraviolet Detector Standards,1998,92(2);97-112.

[5]张宣妮,鲁帆.紫外预警系统的发展[J].咸阳师范学院学报,2008,Vol.23,No(6),23-26.

[6]张宣妮,赵宝升等.以MCP为基底的CsI光电阴极的研究[J].咸阳师范学院学报,2007,Vol.22,No(6),22-25.

[7]戴丽英,刘德林,李慧蕊等.背照式电荷耦合器件的研制[J].光电子技术,2005,25(3):146-149.

[8]左舫,刘广荣,高稚允等.用于微光成像的BCCD,ICCD,EBCCD性能分析[J].北京理工大学学报,2002,22(1):109-112.

[9]Tut T,Yelboga T,Ulker E,et al,Solar-blind AlGaN-based p-i-n photodetectors with high breakdown voltage and detectivity[J],Appl.Phys.Lett.2008,92:103502.