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第7期 2011年7月
工矿自动化
Indust ry and M ine Auto mation
No.7 Jul.2011
文章编号:1671-251X(2011)07-0041-04 DOI:CNKI:32-1627/TP.20110628.1412.010
应用的可行性探讨
蒋泽1, 刘茂荣2
(1.中煤科工集团常州自动化研究院，江苏常州 213015;2.黄陵矿业集团有限责任公司一号煤矿，陕西黄陵 727307)
摘要：阐述了光纤气体传感器的结构及工作原理，介绍了多点光纤气体传感系统Opto Sniff 的工作原理及其采用的直接探测和TDLS 技术，并进行了实验室测试。结果表明，该系统具有传输距离长、响应时 间快、测量精度高、不用定期标校的优点。该系统在煤矿中应用还存在无法实现就地声光报警等问题，需进一步研究。
关键词：煤矿；光纤传感器；多点监测；远距离传输
中图分类号:TD679 文献标识码:A 网络出版时间:2011-06-2814:12 网络出版地址:w wwki/kcms/detail/32.1627.TP.20110628.1412.010.html
Probe on Feasibility of Applicat ion of M ulti point Opt ical Fiber
Gas Sensor System in Coal M ine
JIANG Ze 1
, LIU M ao rong
2
(1.Changzhou Automation Research Institute of China Coal Technolog y and Eng ineering Group Corporatio n,Chang zhou 213015,China. 2.No.1Coal Mine of H uang ling M ining Gr oup Co.,Ltd.,
H uangling 727307,China)
Abstract :T he paper introduced structur e and wo rking principle of optical fiber gas senso r,and intr oduced w orking principle and new techno logies of direct detectio n and tunable diode laser spectroscopy of m ulti point fiber g as sensor sy stem OptoSniff.T he laboratory test results show ed that the system has adv antag es of lo ng transmission distance,fast response,hig h accuracy ,and no periodic calibration.T here is still a problem in application of the system in coal m ine,nam ely the sy stem can t achieve in place sound and light alarm s.
Key words :co al mine,optical fiber sensor,m ulti point monitoring,lo ng distance tr ansm issio n 收稿日期:2011-03-23
作者简介：蒋泽(1983-)，男，江苏常州人，助理工程师，现主要从事矿用传感器的开发和应用工作。E mail:Alick675@sohu
0 引言
随着煤矿的不断发展，越来越多的工作面要求传感器传输距离达到3km，而不再局限于2km ，更有某些场合提出6km 的远传要求。目前常用的传感器受功耗限制，只能通过提高电源电压或增加电缆直径的方式来延长传输距离，但效果并不理想。
光纤气体传感器技术是20世纪70年代伴随着
光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，是一种以光波为载体、以光纤为媒质感知和传输外界被测信号的传感技术[1] 。光纤气体传感器技术有着其它电类或化学类传感器无可比拟的优势，其传感器部分采用无源设计，可实现10km 以上的远距离传输，有着极强的抗干扰能力和较好的稳定性。多点光纤气体传感系统利用连续波调节技术复用多个光纤气体传感器，用单个设备为多个光学传感器提供光信号进行测量，可实现对多个点气体浓度的检测。
本文结合英国OptoSci 公司生产的多点光纤气体传感系统OptoSniff，介绍该系统的工作原理及其所采用的直接探测和T DLS(可调谐二级管激光光
谱)技术，并在实验室环境下验证该系统在煤矿中应用的可行性。
1 光纤气体传感器结构及工作原理
光纤气体传感器由光源、光纤、光传感元件、光调制单元和信号处理器等组成
[2 3]
，如图1
所示。
图1 光纤气体传感器组成
光源发出的光经过光纤进入对特定气体敏感的光传感元件；在光传感元件中受周围环境气体影响而发生变化的光再进入光调制单元，由其将光传感元件检测的参数调制成幅度、相位、偏振等信号[4]
，最后利用微处理器对信号进行处理，得到对应的量。2 多点光纤气体传感系统OptoSniff
2.1 系统组成及工作过程
多点光纤气体传感系统主要由中央控制单元CCU 、无源光纤网络和无源光纤传感器组成，如图2所示，其中中央控制单元主要包含激光二极管、光电驱动器、
处理单元和接收单元。
图2 多点光纤气体传感系统组成
中央控制单元激光二极管发出的光经过无源光纤网络分配进入多个光纤传感器(一个光纤传感器需要一进一出2芯光缆)，其中受周围环境中气体的影响而发生变化的光再通过光纤网络返回到中央控制单元，
经中央控制单元集中处理可同时计算出多个点的气体浓度值。系统还提供接口，可将各测点的浓度值实时地传输给计算机进行存储。2.2 直接探测和T DLS 技术
系统选择近红外区域的气体吸收光谱线来进行处理[5]。在近红外波段，每种气体分子有固有的吸收光谱，如甲烷的吸收光谱线是1651nm 。现以甲烷为例阐述直接探测和TDLS 技术。
采用直接探测技术测量气体浓度过程：首先通过控制温度和电流的调解，将分布式反馈激光器调
节到接近吸收光谱线的地方；然后将一个随时间变化的斜坡信号(通常为2~20H z)加载到激光器的
注入电流中，去震荡扫描以待测气体的吸收谱线为中心的频率范围，如图3所示。在进行扫描时，透射的传输信号被接收器同步记录。归一化的传输信号波动与系统参考点(零点)构成吸收光谱线透射率方程，方程中信号幅值和气体的浓度成正比。通过反复扫描整个吸收情况，结合取零点做参考，系统本质
上可以实现自我校准。
图3 直接探测技术示意图
当甲烷浓度小于1%CH 4时，光谱线吸收作用很弱，在误差和系统噪声的影响下，直接回复的信号灵敏度较低，无法正确测量气体浓度。为了解决该
问题，系统使用带波长调节功能的T DLS 技术。该技术将一个相对高频率(10~100kH z)的正弦波和斜坡信号一起，加载到激光器的注入电流中进行震荡。正弦波和气体吸收谱线的相互作用在相同的频率上产生了振幅调制信号。如果解析度和敏感度没有限制，就会有剩余的振幅调制信号(在相同频率上，由注入电流调制带来的正弦强度调整)，这样就能看到吸收谱线传输信号。在接收端锁定探测，然
后通过振幅调制信号恢复所需波长的第一次和第二次谐波，如图4所示。这些第一次和第二次谐波信号与吸收光谱线透射率方程相对应，通过周密的信号处理,
计算出气体的浓度。
图4 带波长调节功能的T DLS 示意图
2.3 系统性能与特点
(1)通过标准的光缆，系统可实现多达300个
42 工矿自动化2011年7月
点的气体浓度实时监测，传输距离达10km以上。
(2)中央控制单元以外的部分完全是无电源工作，并有很好的电磁抗干扰度。
(3)坚固易插拔的传感器模块，响应时间快(1~5s)，不受低氧、湿度过高、其它气体等环境因素影响。
(4)具有自我校准特性，提供固有的校准稳定性，确保整个系统只需要在中央控制单元上做一次校准，而后无需标校。
(5)气体灵敏度高，测量范围宽(如甲烷测量范围为0~100%)，可以检测多种气体，没有气体交叉干扰的问题。
2.4 与其它气体传感系统的比较
多点光纤气体传感系统与其它气体传感系统的比较如表1所示，其中 表示非常好, 表示一般, 表示差。
3 实验室测试
在本实验中，利用1台中央处理器为4台光纤传感器提供光信号，同时测量4个点的气体浓度值。
3.1 设备配置
1台计算机,1台中央处理器,3台光纤传感器(用于测量甲烷),1台测试用光纤传感器，标准甲烷气样若干(不确定度为2%CH4)。其中测试用光纤传感器的传感元件装在一个密闭壳体中，对外界来说只有一个进气口和一个出气口，方便测试响应时间。
3.2 测试数据
测试前没有对系统进行标校，系统安装结束后直接开始测试。对于响应时间的测试只对测试用光纤传感器进行。测试数据如表2所示。
表1 多点光纤气体传感系统与其它气体传感系统的比较 特性
自动扶梯装饰
OptoS niff
电极材料光纤
M id-红外
分析仪
载体催
化式
电化
学式
标校简易性
多点能力
远距离传输能力
本安和抗电磁干扰能力
检测多种气体
安装维护成本
响应和恢复时间
长期稳定性
非接触式测量
表2 测试数据
一次性台布标准甲烷浓度/%CH4
测试用光纤传感器
气体浓度/%CH4响应时间/s
1号传感器
气体浓度/%CH4
2号传感器
气体浓度/%CH4
3号传感器
气体浓度/%CH4
0.5020.5150.490.480.50
1.50 1.513 1.48 1.49 1.47
1.99 1.983 1.96 1.95 1.96
2.99 2.963 2.94 2.95 2.93
3.47 3.443 3.42 3.43 3.42 6.49 6.433 6.40 6.41 6.40 9.008.9238.888.908.89 20.0219.82319.8019.7819.78 3
4.9433.98333.9333.9533.92 59.9256.50356.4456.4656.48 84.9179.79379.7079.6879.60
从表2可以得出以下结论:
(1)甲烷浓度在20%CH4以下时，系统的测量精度较高；甲烷浓度在20%CH4以上时，系统的测量精度也能够满足煤矿的使用要求(根据AQ6211 2008，甲烷浓度在1%CH4以下精度要求为 0.06%CH4，甲烷浓度在1%CH4以上精度要求为 (真值 6%)%CH4)。
(2)测试用光纤传感器响应时间都在5s以内。
传输距离方面，在中央处理器与光纤传感器间加入25km长的光缆，对应传输距离增加12.5km，重新测量气体浓度。结果显示，延长传输距离后，测量的甲烷浓度值没有变化。
4 结语
介绍了多点光纤气体传感系统OptoSniff并进行了实验室测试。结果表明，该系统具有传输距离
43
2011年第7期蒋泽等：多点光纤气体传感系统在煤矿中应用的可行性探讨
收稿日期:2011-04-19
基金项目：天地(常州)自动化股份有限公司研发项目(10GY062)
作者简介：赵亮(1982-)，男，山东兖州人，助理工程师，硕士，现主要从事煤矿专业软件的设计与研发工作。E mail:zhlx lp1998@ 163
长、响应时间快、测量精度高、不用定期标校等特性，目前已应用到垃圾填埋场、天然气输送管道等场合，但在煤矿中应用还存在以下问题:
(1)煤矿环境湿度高、粉尘大，系统的传感元件部分能否在井下环境中长期使用还需要进一步验证。
(2)系统传感器部分是无源的，无法实现就地声光报警，不符合国内现有的煤矿行业标准，系统功能还需进一步完善。
(3)激光器等主要元件成本过高，相对于国内现有的监测系统来说，该系统造价较高。参考文献:
[1] 郭凤珍，于长泰.光纤传感技术与应用[M].杭州：浙江
大学出版社,1992.
[2] 何勇，王生泽.光电传感器及其应用[M].北京：化学工
业出版社,2004.
[3] 刘，黄尚廉，陈伟民，等.拉曼光谱学用于监测变压器油
中的甲烷气体的研究[J].传感技术学报,1998(1):25
27.柴草热水器
[4] 孙圣和，王廷云，徐影.光纤测量与传感技术[M].哈尔
滨：哈尔滨工业大学出版社,2000.
[5] 单胜军，王立新，罗强，等.一种光谱吸收型光纤气体传
感器的研究[J].中国水运,2009(3):103 104.
第7期 2011年7月
工矿自动化
Indust ry and M ine Auto mation
No.7
Jul.2011
文章编号:1671-251X(2011)07-0044-06 DOI:CNKI:32-1627/TP.20110628.1414.011基于免疫算法的分层覆盖组播技术研究
赵亮, 贺耀宜, 王勇, 陈小林
(中煤科工集团常州自动化研究院，江苏常州 213015)
摘要：为了克服传统的实时流媒体数据单播、IP组播等传输方式浪费网络带宽，甚至导致服务器过载的缺陷，提出了基于免疫算法的覆盖网络应用层组播树的构建方法。该方法以节点间网络延迟和节点的度作为约束条件，采用免疫算法划分组播岛、出使整个系统 花费 最小的组播服务节点，实现了组播服务节点的全局最优选取。仿真结果表明，该方法有效可行，较采用传统的遗传算法具有更快的收敛速度和更高的搜索能力。
关键词：数据传输；分层覆盖网络；应用层组播；免疫算法
中图分类号:TD67 文献标识码:A 网络出版时间:2011-06-2814:14
网络出版地址:w wwki/kcms/detail/32.1627.TP.20110628.1414.011.html Research of Layered Overlay M ult icast Technology Based on Immune Alg orit hm
ZH AO Liang, H E Yao yi, WANG Yong, CH EN Xiao lin
(Chang zhou Automation Research Institute o f China Coal T echno logy and Eng ineering Gr oup
Co rpo ration,Chang zhou213015,China)
Abstract:In order to so lve problems of w asting netw ork bandw idth and server overload ex isted in traditional real time str eaming data transm ission m ode o f unicast and IP multicast,the paper put forw ard a method of building multicast tree of applicatio n lay er of ov erlay netw ork based o n im mune alg orithm.T he method uses imm une algor ithm to divide m ulticast island and select multicast ser vice nodes w ith the
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