深部采动下红外瓦斯传感特性致变模式及自适应检测机制研究

Because of complex factors in deep mining environment, noises' effect on traditional infrared gas detection system becomes more significant, and detection results may thus be inaccurate or incorrect. This project intends to carry out a thorough study on 1) the effect of deep-mining factors (mine depth > 800 meter ), including environmental parameters' variation and fluctuation (such as pressure, temperature), noise's sound-pressure changes caused by mechanical vibration, complex geomagnetic and electromagnetic parameters changes and random circuit noises, 2) mathematical modelling of influence of deep-mining factors on methane molecule absorption spectrum (base band, frequency-doubling band and overtone band), optical system and electrical system, and 3) mutagenic mode and general regulation of function of the above factors on infrared gas sensing characteristics. Meanwhile, we will also 1) study the self-suppression methods on noises in electrical-domain and optical-domain, and 2) explore and build new self-adaptive infrared gas detection mechanism and novel optical-machinical-electrical structure, to eliminate the effects of deep-mining factors and to enable the detection performance under deep-mining environment to be over 95% of those in ideal laboratory environment. This project is an exploratory and innovative research, and possesses both scientific significance and practical applicative prospects.

受深部采动复杂因素影响，传统红外瓦斯检测系统噪声作用愈加显著，造成仪器失准或失效。本项目拟深入研究深部采动条件下（矿井深度>800米），环境参数冲击变化（如压强、温度）、机械振动造成的噪声声压变化、复杂地磁及电磁参数变化、电路随机噪声等因素对红外瓦斯检测系统的影响，建立甲烷分子吸收谱（基频、倍频、泛频）、瓦斯检测光学系统和电学系统受深部采动各因素作用的数学模型，揭示出红外瓦斯传感特性受上述因素影响的致变模式和一般规律。同时，研究电域和光域噪声的自适应抑制方法，探索并构筑新型自适应红外瓦斯检测机制和光-机-电检测结构，以最大化的抑制深部采动的影响，使检测性能达到理想环境指标的95%以上。本项目属于探索性和创新性研究，既有科学意义，又有实际应用前景。

瓦斯的主要成分是甲烷，当甲烷浓度在5%-16%之间，遇到明火会发生爆炸，对煤矿生产、矿工生命安全等都存在巨大威胁。随着煤炭开采深度的增加，由于地质构造等均与理想环境及浅层煤矿有着较大不同，由此引发的各种统计特性无法预知的噪声更是异于地面常见噪声或浅层煤矿噪声，出现了一系列的新问题和新难点。. 本项目主要针对深部采动复杂环境下各种干扰因素，包括电磁干扰、噪声干扰、煤尘污染等对光路、电路、系统带来的各种影响进行深入研究。（1）研究了不同噪声源所产生噪声的时、频域统计特性，研究环境参数冲击变化的时、频域特性，研究并总结了噪声参数、环境参数对甲烷吸收谱影响的一般规律；（2）研究了各种适合复杂噪声条件下的无损去噪检测方法，并选择最佳的小波去噪、锁相放大进行深入研究，研制了相关的电学系统并进行实验。实验结果表明，采用小波去噪可使得明显改善仪器对甲烷气体的检测性能，其检测下限可从4 ppm（未使用小波去噪）降低至1 ppm；（3）针对扰动和噪声的统计特性未知且随机的扰动和噪声，研究中将自适应信号检测方法引入到红外气体检测中，研究了基于LMS自适应去噪算法和流程，利用Matlab软件编写实现了上述两种自适应信号处理算法的程序，并开展了仿真实验。实验结果表明，经过LMS算法之后，信噪比提高了16.25dB；（4）煤尘干扰是煤矿环境的重要特点，矿井下极大的灰尘会使仪器的光学元件失灵，导致仪器失效，难以应用。透明导电膜技术可使光学元件表面导静电而不粘灰尘，从而解决此问题。研究了用于制作防尘、除湿和抗干扰的瓦斯检测光学气室的中红外Sn掺杂CuFeO2、CuScO2等不同结构的透明导电薄膜；（5）研制了基于分布反馈激光器、热光源、带间级联激光器等多种光源、便携式、袖珍式等多种形式、中红外、近红外等不同波段、单通道、双通道等不同方式的红外瓦斯检测传感器，并进行长时间、室内、室外多种实地测量，为红外气体传感器的实际应用推广提供了前期实验基础。. 本项目执行期内，共公开发表SCI文章11篇，EI文章13篇；申请中国发明专利2项，已获得授权1项。所研究的复杂环境噪声特性、软件及硬件抑制噪声方法、自适应检测机理、透明导电膜技术、研制的多款样机，均可为各种不同环境下红外光谱检测技术的实用化进程提供参考价值。