基于光子晶体光纤传感器的瓦斯监测系统

ａ ｏ ｔ ｄ ａ ｅ ｔ ｇ ｃ ｍｐ ｎ ｎ ｓ ａ ｄ ｇ ｓｍｏ ｉ ｒ ｇ ｓ ｓ ｍ ａ ｅ ｎ Ｚ ｇ Ｂ ｅ ｗｉ ｌｓ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｒ ｓｉ ｅ ｉｎ ｄ ｄ ｐｅ ｓ ｔｓｉ ｏ ｏ ｅ ｔ ， ｎ ａ ｎｔ ｉ ｙ ｔ ｂ ｓ ｄ ｏ ｉ ｅ ｒ ｅ ｓｓ ｎ ｏ ｅｗｏ ｋ ｓｄ ｓｇ ｅ ． ｎ ｏｎ ｅ ｅ
通过 Ｒ －３ Ｓ２ ２串口和网关将 数据 实时地传递 给井 上计算 机
监 测 系 统 ， 后 再 将 控 制命 令 通 过 协 调 器 向 子 设 备 发 送 ， 然 总 体 结 构 如 图 ２所 示 。
井上 计算机 监测 系统 井上
１ ３ 光 纤 瓦斯 传 感 器检 测 原 理 ．
验所使用的光纤气体传 感器 以可调谐 的激 光器 为光源 ， 它
可 以提供在待测气体 吸收谱 线附 近连续 可调 的光源 ， 斩波 器调制光强度 ， 空芯带 隙型光子 晶体光纤 为传感单元 ， 电 光 探测器检测光纤输 出端光强 ， 再经锁相放 大 、 据采集信号 数 处理单元 ， 根据输 出与输入 光强差 由微 处理器 计算 得到监 测处 的甲烷体积分数值 ， 甲烷光 子晶体 光纤传 感器 检测原
Ｚｇ ｅ路由器节点 ｌ ｌ ｉ ｅ 路由 ｉ Ｂｅ ｇＢｅ 器节点 ｌ Ｉ ｉＢｅ路由 Ｚ ｇｅ Ｚ 器节点
瓦 斯 ｌ 瓦 斯 ｌ 瓦 斯 ｌ 瓦 斯 ｌ 瓦 斯 ｌ 瓦 斯 ｌ Ｉ ｌ ｌ ｌ 传感器节点 ｌ传感器节点 ｌ ｌ Ｉ 传感嚣节点 ｌ传感器节点 ｌ传感器节点 Ｉ传感器节点 ｌ ｌ ｌ
理 图 如 图 １所 示 。
图 ２ 瓦斯 监测 系统 总 体 结 构 图
Ｆｉ Ｏｖ ｒ ｌ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｇ ｓ ｍｏ ｉｏ ｎ ｙ ｔｍ ｇ２ ｅ ａｌ ｔｕ ｔ ｒ ｉｇ ａ ｏ ａ ｎ ｔ ｒ ｇ ｓ ｓｅ ｉ
２ ２ 系统 的控 制与 收发 节 点设 计 ． 本部分主要有电源 、 制器 、 Ｓ２ ２接 口、 示报警 电 控 Ｒ －３ 显 路和无线收发模块组 成。由电源模块提供 ３ Ｖ的电压 ， 过 通
ｓ ｐｅ ｉｒｔ ｔ ｅ ｏ ｕ ｒｏ ｏ ｏｈ ｒ ｃ ｍｍｏ ｆｂ ｒ ｉ ａ ａ ｐ ｔ ｆ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｓ ｍ ｏｅ ｓ ｎ ｉ ｖ ｔ ｔｃ ａ ．Ｔｈ ｅ ｓ ｒ ｉ ｎ ｉ ｅ ｓ ｎ ｍ ｎｙ ｓ ｅｃｓ，ｏ ｘ ｍｐ ｅ， ｔｉ ｒ ｅ ｓｔ ｅ ｏ ｄｅｅ ｔｇ ｓ ｉ ｅ ｓ ｎｏ ｓ
斯的 目的。
关键词 ：瓦斯监测 ；空芯带隙型光子 晶体光纤 ； ｉ Ｂ ｅ 无线传感器 网络 Ｚｇ ｅ ；
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ Ｐ３
‘
文献 标 识 码 ：Ａ
‘ ‘
文 章 编 号 ：１０ －７ ７ ２ １ ） ００ ９ －３ ００ ９ ８ （ ０２ １－ ０７０
■ ■ ０ ‘ ０
Ｂ ｅ 调 器 节 点 （ 聚 节 点 ） 然后 由 协 调 器 进 行 初 步 处 理 ， ｅ协 汇 ，
间距 为 ２ ７ ． ｍ， 光强分布效果 较好 ， 光能量主要集 中在纤芯
中 ， 露 少 ， 纤 在 波 长 ｌ ６ ｍ 处 存 在 空 芯 带 隙 ， 足 测 泄 光 ０ ６ ｎ 满 量要求。
式 中
为一定波长下 ， 单位体 积分数 、 单位长度 的介质 吸
收系数 ； 为吸收路径 的长度 ； Ｃ为气 体体 积分 数 ； 为相对
灵 敏 度 ， 且
＝
传感器 。光子 晶体光 纤具有无 截止 的单模 特性 、 低损 耗特
性 、 活 的 色散 特性 、 控 的非 线 性 、 强 的 双 折 射 效 应 以 灵 可 极
纤 的纤 芯 孔 直 径 为 ５ ４ ｍ， 层 孔 直 径 为 ２ ６ Ｌ 包 层 孔 ． 包 ． ｍ， ｂ
整个体统分为井 下的部 分和井上 部分 ， 井下 的瓦斯传 感器节点 （ 终端 ） 采集 到的瓦斯体积分数 以无线的方式传 将 递 给 ＺｇＢ ｅ路 由器 节 点 （ ｉ ｅ 中继节 点 ） 然后 再 传送 至 Ｚｇ ， ｉ
￥基金项 目： 国家“ 十二五” 支撑科技计划资助项 目（ Ｑ ０２ Ａ Ｙ ５ ４ ０ ） Ｓ ２ １ Ｂ Ｊ ３ ０ － ８
９ ８
传 感 器 与 微 系 统
第３ １卷
式 中 ＿为气孔 中光功率与总功率的 比； 厂 ｎ 为被测气体 的折
射率 ， 可近似为 ｎ ＝１ ｎ 模场 的 有效 折 射率 ； Ｅ ； 为 Ｅ ， 和
传感器 ， 它受到温度等环境 因素 的影 响较 大 ， 且交叉敏感现 象严重 ， 检测精度受 到很 大 的影响 ， 它采 用 电桥 检测 电路 ， 反应速度慢 、 检测精度低 和在 高体积 分数可燃 气体 下有严
重 激 活 现 象 。 因此 ， 文 采 用 抗 电 磁 干 扰 能 力 强 的 光 纤 本
根据气体 的吸收波 长来改 变纤 芯孔 直径 （ 、 Ｄ） 包层 孔 直径 （ ） 包层孔间距 （ 等参数来设 计不同的带隙性质 的 ｄ 、 以） 空芯光子 晶体光纤 ， 使待测气体的吸收波长落在 该光纤 中 ， 以提高检测灵敏度 。为 了使 甲烷气体的特征吸收波 长落 在光纤 的带 隙中 ， 本实验 用到 的空 芯带隙 型的光 子 晶体 光
空芯带隙型光子晶体光纤传感器检测气体体积 分数工 作原理 ： 根据待测气体 甲烷 的特征 吸收波 长范 围来确 定空
Ｚ Ｂｅ 器节 ｉ ｅ协调 点ｌ ｇ
井 下
芯带隙型光子晶体光纤的结构 ， 在矿井 中的气体 （ ＣＨ ， 如 ２
Ｃ Ｈ ， Ｏ） ２ Ｃ 它们各 自的光谱 吸 收峰不 同， 因此 ， 测气体 吸 待 收谱线附近的光源通过 光纤 时 ， 检测 出相应 的气体 体积 就 分数 ， 避免 了气体传 感器 容易 出现 的交叉敏 感 问题 。本实
Ｔｈｅ ｔｓ ｅ ｕ ｔ ｓｃ ｍｐａｅｄ ｗｉｈ ｓ ｍ ｐ ｅｖ ｌ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｅ ｐ ｒｍ ｅ ｔｌｒ ｓ ｌｓｓ ｏ ｔ ａ ｅ ａｉｅ ｅ ｒｒｉ ｔ ｎ １ ｅ ｔｒ ｓ ｌｓ ｉ ｏ ｒ ｔ ａ ｌ ａ ｕ ｎ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎａ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｒ ｌｔｖ ｒｏ ｓｗｉ ０％ ｈｉ ａ ｈ ｒ ｓ ｆｏ ｌｎ ａ ｎ ｔｒｎｇ ｉ ｃ ｉｖ ｄ ｆ ｎｄ ｍｅ ａｌ ． ｎｄ ｔ ｅ ｐｕｐｏ ｅ ｏ ｎ—ｉ ｅ ｇ ｓ ｍｏ ｉｏ ｉ ｓ ａ ｈｅ ｅ ｕ ａ ｎｔｌｙ Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ： ｇ ｓ ｄ ａ ｍｏｎｔｒｎ ｉｏ ｇ； ｈｏｌｗ— ｏ ｅ ａ ｇ ｐ ｈ ｔ ｎｃ ｒ ｔｌ ｉｂｅ ； Ｚｉ Ｂｅ ｉ ｌｏ ｃ ｒ ｂ ｎｄ ａ ｐ ｏ ｏ ｉ ｃｙｓａ ｆ ｒ ｇ ｅ； ｗｉｅ ｅ ｓ ｅ ｏ ｎ ｔ ｋｓ ｒ ｌ ｓ ｓ ｎｓ ｒ ｅｗｏｒ
重 要 的意 义 。 目前 ， 矿 中 瓦 斯 监 测 大 多 采 用 的 是 热 催 化 煤
信技术的无线传感器 网络与空芯带 隙型光子 晶体光纤传感
器 相 结 合 ， 现 了矿 井 瓦 斯 的 实 时 监 测 。 实 １ 光 子 晶体 光 纤传 感器
１ １ Ｂ ｅ— ａ ｅｔ 律 ． ｅ ｒＬ ｍｂ ｒ 定 由 Ｂ ｅ—ａ ｂｒ定 律 知 ｅｒ ｍ ｅｔ Ｌ ，Ａ （ ）＝Ｉ（ ） ｘ （ ， ）， ｏ Ａ ｅｐ — ｙＪ Ｃ （） １
（ Ｎｓ ＷＳ ）
０ 引 言
高 的 检 测 灵 敏 度 。基 于 此 ， 文利 用先 进 的 ＺｇＢ ｅ 线 通 本 ｉ ｅ无
在过 去几 十年中 ， 全世界 煤矿 事故激增 ， 矿井瓦斯 （ 甲 烷） 灾害仍然是 威胁 煤 矿安 全 的一个 重要 因素。因此 ， 实 时快速安 全准确 地检 测 出 甲烷 体 积分 数对 于预 测 瓦斯 突 出、 确保煤矿工作人员 的生命 安全和 煤矿 的正常生 产具有
２１ ０２年 第 ３ ｌ卷 第 ｌ Ｏ期
传感器与微系统 （ ｒｎｄ ｃｒａｄＭｉ ｏｙｔ ｅｈ ｏｏｉｓ Ｔａｓｕｅ ｎ ｃ ｓｓ ｍ Ｔ ｃｎｌ ｅ） ｒ ｅ ｇ
９ ７
基 于光 子 晶体 光 纤 传 感 器 的 瓦斯 监 测 系统
韦 民红 ， 童敏 明’童夏敏 ，
（ ． 国 矿 业 大 学 信 息 与 电气 工 程 学 院 ， 苏 徐 州 ２ １ １ ； １中 江 ２ １６ ２ 淮北 师 范 大 学 物 理 与 电子 信 息 学 院 ， 徽 淮 北 ２ ５ ０ ） ． 安 ３ ０ ０
２ 基 于 ＺｇＢ ｅ的 无线 传 感 器 网络 ｉ ｅ ” ２ １ 瓦 斯 监 测 系 统 总 体 结 构 ．
分别表示在横 截 面上模场 的 电场 和磁场 分量 。＿越 厂
大 ， 感 器 的 灵 敏 度 越 高 Ｊ 传 。
１２ 空芯 带 隙型 光 子 晶体 光 纤的 结构 参数 ．
．
（ ． ｃ ｏ ｌ ｆ ｎ ｏ ｍａｉｎ ａ ｄ Ｅ ｅ ｔｉ ｌ ｎ ｉ ｅｒｎ ， ｈｎ ｎｖ ｒｉ ｆ ｎｎ ｎ １ Ｓ ｈ ｏ ｆｒ ｔ ｎ ｌ ｒ ａ ｇｎ ｅｉ ｇ Ｃ ｉａ Ｕ ｉｅｓ ｙ ｏ ｉｇ ａ ｄ ｏ Ｉ ｏ ｃ ｃ Ｅ ｔ Ｍｉ
Ｔｅ ｈｎｏｌｇｙ， ｃ ｏ Ｘｕｚ ｕ ２１ ６， ｈｏ ２ １１ Ｃｈｉ ｎａ；
摘
要 ：空芯带 隙型光子 晶体光纤 以其 独特的结构和导光机制 ， 有其 它普通光纤无法 比拟的优势 ， 种 具 这
光纤传感器在气体检测方 面灵 敏度更 高。设 计了 以这种传感器为检测元件 ， 基于 ＺｇＢ ｅ的无线 传感 器网 ｉ ｅ 络的瓦斯监测系统 ， 实验测试结果与样本值 比较表 明： 相对误差在 １ ％ 以内 ， Ｏ 基本达到 了实 时在线监测 瓦
Leabharlann Baidu
（ ／
．
（） ２
其 中
及可进行微结构设计改造 等优点 。文献 ［ ］ ３ 的研究 中表 明了空芯带隙型光子 晶体光纤应用 于气体 检测可以得到更
收 稿 日期 ：０ ２ ０ － ０ ２ １－ ４ ２
／ ｘｘ Ｊｘ—Ｈｄ ， （ ＝ｆ Ｈｄ＾Ｈ Ｅｘｄ ３ Ｅｙｙ （ ｙ ｙ ｄ／Ｅ ）ｙ ）
，
传导光 的特性和芯层 可以是空 心 的特 点 ， 接将 光子 晶 直 光纤 的中空芯 层作 为气 室对 待测 气体 和参 考气 体进 行测 量， 通过分别测量 和 比较被 测气体 测量路径 与参 考气体测 量路径 的光衰减 ， 可减小温 度等环 境因素对 气体 体积分数 测量 的影响 ， 提高测量精度 。
２ Ｓ ｈ ｏ ｏ ｈ ｓ ｓ ｎ ｌｃｒｎｃＩ ｆｒ ｔ ｎ Ｈｕ ｉｅ Ｎ ｒ ｌ ｎｖｒｉ ， ａｂｉ ３ ｏ０， ｈｎ ） ． ｃｏ ｌ ｆ ｙｉ ｄ Ｅｅｔ ｉ ｎｏ ｍａｉ ， ａｂ ｉ ｏｍａ Ｕ ｉ ｓ ｙ Ｈｕ ｉｅ ２ ５ ｏ Ｃ ｉａ Ｐ ｃａ ｏ ｏ ｅ ｔ
ａ ｏｎｉｏｒ ｎｇ ｓ ｔ ｍ ａＳ ｄ ｎ ｓｍ ｔ ｉ ｙｓ ｅ ｂ ｅ Ｏ ｐｈｏ ｏ ｃ ｃ ｙ ｔ ｌ ｔ ｎｉ ｒ ｓ ａ
ｔ ｒ Ｓ ｌ ｂｅ ｅｎＳ ０ｒ
Ｗ ＥＩ Ｍ ｉ ｈ ｎ ｌ ｎ． ｏ ｇ １ ＴＯＮＧ ｎ． ｉ ．ＴＯＮＧ ａ ｍｉ Ｍｉ ｍ ｎｇ Ｘｉ — ｎ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｗ ｉ ｐ ｃａ ｔ ｃｕ ｅ ａ ｄ ｌ ｈ ｒ ｐ ｇ ｔ ｎ ｍｅ ｈ ｎ ｓ ， ｏｌｗ— ｏ ｅ ｂ ｎ ｇ ｐ ｐ ｏｏ ｉ ｃ ｙ ｔｌｆ ｅ ｓ ｔ ｓ ｅ ｉｌｓｒ ｔ ｒ ｎ ｉ ｔ ｏ ａ ａｉ ｃ ａ ｉｍ ｈ ｌ ｈ ｕ ｇ ｐ ｏ ｏ ｃ ｒ ａ ｄ ａ ｈ ｔｎ ｃ ｒｓａ ｉ ｒｉ ｂ