光纤传感煤矿瓦斯的光谱域白光干涉解调机理研究

我国许多大型煤矿随着开采工艺段的不断改进和规模的扩大及开采深度的延伸，煤层瓦斯涌出量越来越大，高瓦斯矿井越来越多，瓦斯事故在煤矿事故中占的比例越来越高。针对煤矿瓦斯事故的频发，研究井下瓦斯气体浓度的监测，采用基于非本征法布里-珀罗干涉（EFPI）技术，对EFPI光纤传感器的光谱域白光干涉解调机理进行深入研究，提出能够实现光纤传感技术中的传感信息高分辨率、大动态范围测量、不受光源波动及传输光纤扰动等干扰因素影响的光谱域解调技术。基于光谱域白光干涉解调机理的光纤传感瓦斯的测量，它能消除瓦斯气体浓度测量中的各种干扰，得到精确的测量结果，是一种能够应用于井下恶劣环境中测量瓦斯气体浓度的新方法，可实现全光纤测量，井下只有光纤信号无电信号，安全性极高，抗干扰能力强，适宜于易燃、易爆等环境。通过对光纤传感瓦斯的研究，实现煤矿瓦斯监测的新方法，对于指导煤矿安全生产具有重大意义。

光谱域白光干涉解调机理的研究主要从总体检测机理框图设计，解调算法、降噪算法、数据处理算法等最优算法研究，光路复用和新型材料应用技术研究等方面，应用了FFT快速傅里叶变换、模式理论、遗传算法、蚂蚁算法和BP神经网络等算法作为信号解调算法，小波变换、归一化和希尔伯特-黄算法作为降噪算法，同时将膜计算应用到多传感器并行数据处理当中，设计了自聚焦透镜的气体传感器气室和采用空分复用结合时分复用技术的光路系统实现高精度光路复用降低了系统成本，使用了空心光子晶体光纤、数字正交锁相放大器、分布式光纤Bragg光栅传感器等新材料新器件有效的避免了井下恶略环境中各种干扰的影响，解决了EFPI光纤传感检测瓦斯技术中对光源功率波动和光纤传输损耗的变化敏感、测量分辨率低动态范围小、有效信号难以提取、数据处理效率低下、系统成本高易受干扰等问题。结果表明采用光谱域白光干涉解调机理模型的EFPI光纤传感瓦斯检测系统，能够实现32路（可扩展）的瓦斯在线实时检测，精确度可达5ppm，并且能消除瓦斯气体浓度测量中的各种干扰，得到精确的测量结果，能够很好在井下恶劣环境中测量瓦斯气体浓度，可实现全光纤测量，井下只有光纤信号无电信号，安全性极高，抗干扰能力强，适宜于易燃、易爆等环境。项目从2012年到2014年间共撰写专著及规划教材3部，专利16项其中发明专利4项，并获得软件著作权1项，论文21篇其中EI收录的9篇ISTP收录4篇，参加国际会议8次，获得省部级以上奖励2项，共培养了10位硕士研究生其中已毕业7位3位已开题1位在读博士研究生。