光纤光谱仪（共3篇）
光纤光谱仪 篇1
在预防煤矿瓦斯事故中,瓦斯监测是一项重要的保障措施。矿井瓦斯主要由井下煤层产生的有害气体,主要成分是甲烷CH4、重烃CnHm等。由于煤矿事故频发,因此有必要对煤矿井下甲烷气体的进行安全性监测。这使得瓦斯气体监制系统的研制成为气体监测方面的一个重要方向与研究课题。以往检测瓦斯的化学方法存在多种缺陷,针对这些问题,国内外进行了大量研究,并发现了光学检测。光纤传感器的原理就是吸收光谱型气体,这在性能上与传统的瓦斯传感器有所不同。因为它传输功率损耗小、抗电磁干扰能力强、传输信息容量大,并且耐高温高压、绝缘、防爆,具备气体选择性,可进行遥测等优点[1],已成为一个热点研究领域。
1 光谱型气体吸收基本原理
从根本上说,某种光学现象或特性,只要与气体物理、化学特性相关联,就可直接或间接地方式,对光纤气体浓度进行测量。最重要的光纤气体传感器就是光谱吸收型的气体传感[2]。它是利用吸收峰——气体在石英光纤的投射窗口,由于吸收气体会产生光强衰减,从而能测到气体浓度。通过吸收峰的位置,就可识别气体的种类。但一些常见气体:如CO、CH4的标准特征所吸收到的光谱线会超出石英光纤的投射窗口,而出现在中外区震动谱中。针对这一类型气体,利用气体在石英光纤投射窗口所产生的泛频谐波谱。这类波谱相对于标准特征谱,其吸收量小。但是探测系统对其灵敏性较高,所以检测结果较好。
2 光纤传感瓦斯系统
图1所示为光谱吸收式光纤传感瓦斯系统。
该系统用1660mm波段的分布反馈式半导体激光器当做光源。包括探测器、光学系统、电流控制系统、二级管激光系统的温度控制系统,包括锁相放大器、数据采集系统。
利用波长为1660mm的光源。采用甲烷等吸收测量瓦斯成分中的甲烷气体。为了提高系统的探测灵敏性,采用波长调制,通过二次谐波2F进行探测。通过检测谐波信号就可知气体浓度,因为两者成正比。在利用二次谐波进行检测时,由二级管激光器所发出的光会通过样品池,在通过角反射器反射到探测器上。继而探测器产生信号进入锁相放大器,计算机将会采集它所发出的2F信号。与此同时,信号发生器产生出锯齿波和正弦波来扫描、调制信号。再通过激光电流控制器调制激光所发出的波长,如果进行的是直接吸收探测,这时激光器的波长就只会被锯齿波扫描到,而不是被正弦波调试,探测器的信号也不会经过锁相放大器而是直接被送入计算机。
3 光纤瓦斯检测仪的安装与测试
针对煤矿瓦斯检测所面临的严峻形势,光纤瓦斯传感检测仪是一种较好的煤矿井下检测手段:长期稳定、准确可靠、快速敏捷、本质安全,它代表着一种新的瓦斯检测发展方向。为了加速推广该装置在煤矿井下的应用,某煤业集团所属的超化煤矿在井下利用该装置进行了试验。
3.1 试验方法
3.1.1 井下设备的安装与布设
根据预先制定的试验方案:(1)超化煤矿在其所选的22102上付巷安装一台KFD-2型井下分站,其主要作用是把光纤甲烷探测仪以及所对应的催化燃烧式的甲烷探头数据传输到监控中心。(2)将电缆分布在巷道里,从22102上付巷迎头处由内向外沿着巷道布设电缆,直至井下分站处,将多余的电缆卷扎在巷道迎头以便于今后随着掘进面而向里延伸。(3)在巷道迎头处安装光纤甲烷检测仪,将检测仪与煤矿现有的催化燃烧式甲烷传感器并排式悬挂在仪器上。这样,可对这两类甲烷传感器所测出的结果进行对比分析。(4)接通分站电源,观察光纤甲烷检测仪的运行情况,以及井下分站的通讯状况。
3.1.2 与煤矿现有安全监测系统兼容性试验
通过安好的分站及甲烷检测仪。观察两者运行状态。正常运行10min后,对该点进行相关性的设置,启用该测点。记录该测点的数据,分别是井下现场、监控中心。然后对比两者数据,看是否相同。同时,观察催化燃烧式甲烷传感器与光纤甲烷检测仪数据结果的一致性并进行比对,数据吻合,表明光纤检测仪与该安全检测系统具备良好的兼容性。
3.1.3 矿井下恶劣环境的适应性研究
矿井下恶劣环境的适应性研究主要是:先按原有方式:用光谱吸收原理进行气体浓度检测。再考察探头在恶劣环境下(如高温度、高粉尘、冲击振动)时是否对检测结果产生影响以及其影响程度,从而可检测出探头防空、防水、防震等的可靠性。在离采掘工作面大约5m处悬挂探头,在与它并排位置悬挂一催化燃烧式甲烷传感器,收集两者在放炮、采煤掘进、喷水除尘等情况下监测数据的一致性。试验初,将单层不锈钢防尘滤网安装在探头上,开始时,其透光率为27%,当设备工作<9h时,粉尘的阻挡会使透光率<11%,从而中断数据上传。这时需要清洗探头内部的气室镜片,可恢复正常透光率达到28%。而用棉质滤网代替防尘滤网,气室镜片的清洗周期为3~8天;在气室管外再增加一层防尘网,清洗周期可延长到21天以上;换上金属滤片式网,探头的维护周期达到3个月以上[3]。
3.2 实验结论
通过近1年的井下试验,光纤甲烷检测仪在性能、使用、维护等方面的试验结论如下:(1)光纤甲烷检测仪能够对煤矿井下环境中甲烷的浓度进行长期监测。(2)光纤甲烷检测仪和煤矿现有的安全监测系统之间具有较好的兼容性。(3)按照煤矿安全监测设备相关标准要求,光纤甲烷检测仪的各项技术指标都达到了设计要求。(4)光纤甲烷检测仪是能够被一次标定并且长期使用。(5)在煤矿恶劣环境下,光纤甲烷检测仪具有较好的适应性。其他气体不影响测量结果,也不受振动冲击影响。在透光率约10%以上时,粉尘也不会对其有所影响。(6)在甲烷浓度变化上,光纤甲烷检测仪要比催化燃烧式传感器的感应快。如果对探头的防尘措施作进一步改进,较大程度上使探头的气室镜片清洗周期延长,光纤甲烷检测仪的维护和使用也将会更加简化。
4 结束语
应用光纤传感技术进行煤矿瓦斯监测,具有应用价值、抗干扰能力强。实验表明:光谱吸收式光纤传感瓦斯系统可以对煤矿的甲烷气体进行检测。该系统利用分布反馈式半导体激光器作为光源,用光纤作为信号传输通道,将光电二极管作为光点的探测器件,可以对噪声以及其它干扰起到有效地抑制作用。这样可将系统的灵敏度提高到10×10-6。通过次谐波检测技术,可使传感器在一定程度上抑制环境中光量的变化、温度漂移的干扰。通过实验,可得到与2F信号中最大值相对应的最佳调制幅度值。能用光纤传感器有效地检测出微弱气体浓度信号,该系统可广泛应用于煤矿瓦斯气体监测,并实现煤矿井下气体遥测。研制、开发煤矿瓦斯自动监测设备,对推动光机电一体化精密环境监测仪器的形成具有一定的现实意义。
摘要：分析了气体光谱吸收基本原理,研究了一套光纤传感瓦斯系统,应用于某超化煤矿试验,并取得良好效果。指出基于光谱吸收的煤矿瓦斯光纤传感器,可用于对煤矿瓦斯气体进行大范围监测,也可在线连续监测井下瓦斯气体,其具有广阔的应用前景。
关键词：光谱吸收,煤矿瓦斯,光纤传感气体
参考文献
[1]宋元明,王涛.中国煤矿瓦斯治理现状和对策[J].中国煤层气,2007(4):59-63.
[2]冯明,宫辉力,陈立.煤矿瓦斯形成的构造地质条件及瓦斯灾害预防[J].中国煤层气,2006(2):31-33,49.
[3]彭世东.矿井内的瓦斯浓度检测[J].劳动保护杂志,2007(8):113-118.
光纤光谱仪 篇2
为了比较3种聚合物光纤在γ射线辐照下的辐照损伤特性的不同,通过分析3种聚合物光纤在辐照环境下的物理化学变化,并测量了聚甲基丙烯酸甲脂、聚碳酸脂、聚苯乙烯3种光纤在不同剂量γ射线辐照下可见光波段的辐照光谱,得到3种光纤辐照损伤特性的`定量结果.在0.1kGy和1kGy辐照剂量时,3种光纤的透过率光谱趋势类似,整个可见光波段透过率光谱都较平坦;在5kGy和10kGy辐照剂量时,测得的辐照光谱在不同波长段出现峰值,辐照剂量越高,剂量率越大,光谱的峰值效果越明显,透过率起伏越多,透过率峰值也向长波段偏移.结果表明,光纤的辐照损伤和恢复都有波长相关性,这对核辐照环境下使用塑料光纤有很好的参考作用.
作 者：葛文萍 地里木拉提・吐尔逊 王耀祥 田维坚 GE Wen-ping TURSUN Dilmurat WANG Yao-xiang TIAN Wei-jian 作者单位：葛文萍,GE Wen-ping(中国科学院,西安光学精密机械研究所,西安,710068;新疆大学,信息科学与工程学院,乌鲁木齐,830046)
地里木拉提・吐尔逊,TURSUN Dilmurat(新疆大学,信息科学与工程学院,乌鲁木齐,830046)
王耀祥,田维坚,WANG Yao-xiang,TIAN Wei-jian(中国科学院,西安光学精密机械研究所,西安,710068)
刊 名：激光技术 ISTIC PKU英文刊名：LASER TECHNOLOGY年，卷(期)：200731(5)分类号：O434关键词：光谱学 γ射线辐照 聚合物光纤 透过率光谱
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光纤光谱仪 篇3
Polymicro Technologies业务发展经理Robert Dauphinais表示：“我们新的宽光谱FBPI光纤经优化用于全景摄谱仪和传感器分析, 创造了业界第一。FBFI光纤提供了出色的性能, 并结合了耐辐射和耐曝晒性能, 防止辐射和曝晒导致光纤性能退化并缩短产品寿命。”
在超过2100 nm的近红外 (NIR) 波长区域, Polymicro FBPI光纤的衰减等同于具有低氢氧基硅石内芯和加氟覆层的标准NIR光纤, 其抗曝晒性能可与具有高耐辐射性的标准UV优化高氢氧基光纤相媲美, 并且具有低至200 nm的UV传输性能。
许多光谱应用需要在宽光谱范围传输光线, 并且具有最小焦比衰退的高性能光纤。与受限于传输光谱范围的标准光纤不同, Polymicro FBPI光纤可以在较宽的波长范围进行传输, 在整个波长范围具有相对的一致性。
Dauphinais补充道:“与现今市场上的任何其它光纤相比, FBPI光纤可以在较宽的波长范围应对UV曝晒和NIR衰减, 这在扩大光谱测量范围和提高器件灵敏度方面具有显著的优势。”
FBPI宽带光纤设计用于一系列高性能光谱应用, 包括光纤测试、环境监控、气相测量、精密外科和工业激光应用及高性能气体或液体色谱法。
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