光子晶体光纤SPR传感机理及瓦斯实时监测关键技术研究

基本信息
批准号:51874301
项目类别:面上项目
资助金额:60.00
负责人:刘海
学科分类:
依托单位:中国矿业大学
批准年份:2018
结题年份:2022
起止时间:2019-01-01 - 2022-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:马洪宇,沈力,王洪梅,任宣儒,高蕊,王晴,王猛,李宏伟,丁毅
关键词:
光子晶体光纤光纤传感瓦斯检测安全监测矿井安全
结项摘要

The prevention and control of the gas disaster is of top priority in China's coal mine safety work, and accurate and reliable gas detection technology is the premise and key for the gas disaster prediction and control. At present, the gas monitoring devices used in the coal mines are mainly based on the thermo catalytic. This kind of sensor is very sensitive to the environment and difficult to achieve the dynamic monitoring and tracing forewarning. The project aims to integrate the SPR technology with the light-wave transmission control method of the photonic crystal structure, and then apply them to the real-time monitoring of the gas, which can improve the forecasting capacity of the gas disaster. Based on the coupling theory, a new PCF-SPR gas sensing model is established. The coupling formation mechanism of light-waves and the control method of polarization filtering will be studied emphatically. The project also analyzes the correlation of gas-sensitivity characteristics, explores the key factors affecting resonance wavelength, and optimizes the sensor structure parameters to achieve the selectivity detection of the gas. In order to meet the demand of multiplexed light-source, the output of PCF-based parametric oscillator is regulated and controlled to accurately match with the SPR sensing wavelength. A distributed gas-monitoring experimental platform with applicability, stability and reliability is built to achieve the all-optical detection and long-distance security data transmission.The study not only satisfies the requirements of multi-parameter safety monitoring but also meets the needs of some relative fields, such as environment monitoring or leakage detection.

瓦斯灾害防治作为我国煤矿安全工作的重中之重,精准可靠的瓦斯检测技术正是实现瓦斯综合治理和灾害预测的前提与关键。目前井下通用的热催化瓦斯传感器易受环境干扰且检测灵敏度较低,难以实现瓦斯的动态监测及跟踪预警。本项目拟将表面等离子共振技术与光子晶体结构光波传输控制方法相融合,进而将其应用于瓦斯实时监测,从而大幅提高瓦斯灾害的预知预警技术能力。基于耦合模式理论构建光子晶体光纤SPR气体传感模型,探索光波耦合形成机制和偏振滤波控制方法,关联瓦斯气敏特性分析影响共振波长漂移的关键因素,优化传感器结构实现瓦斯气体的选择性探测。调控光子晶体光纤参量振荡器输出,实现与传感工作波长的精确匹配,解决传感光源复用关键难题。搭建分布式瓦斯监测实验平台,确保其适用性、稳定性和可靠性,实现瓦斯气体的全光监测及数据远距离安全传输。此研究不仅能满足多参数煤矿安全监测需求,还能拓展应用于环境监测或泄漏检测等相关领域。

项目摘要

本项目将PCF-SPR气体传感机理、传感光源工作特性与瓦斯监测实验相结合,探索瓦斯气体、传感结构与共振光谱之间的相互作用机制。研究内容主要包括:基于瓦斯敏感薄膜的PCF-SPR气体传感机理,构建PCF-SPR气体传感模型,全面分析光波传输特性和SPR耦合行为过程,研究目标气体、薄膜参数及共振效应之间的相互作用机制;探究传感光源工作特性及输出调谐机理,掌握基于超连续谱的产生和控制机制确保光源多波长输出与多通道PCF-SPR传感工作波长精确匹配的方法;基于瓦斯实时监测的快速响应要求,结合复合薄膜气敏特性完成结构优化设计与合成,掌握提高目标气体检测精度和范围的关键因素;基于PCF-SPR气体传感机理及传感光源工作特性,搭建分布式PCF-SPR瓦斯监测实验平台,建立传感系统噪声模型,探究SPR共振光谱数据降噪与特征提取新方法,将实验测试与理论研究比对分析,为PCF-SPR传感技术能规模化应用于煤矿安全监测提供理论和实验依据。本项目的研究进一步完善了PCF-SPR传感新方法、瓦斯气体传感新机理及其实时监测关键技术,为实现多参数、高灵敏度、宽适用范围的煤矿安全监测需求提供了科学依据与技术支撑。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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