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调查，提出一种使用激光诱导荧光技术（LIF）技术快速识别突水水源类型的新方法，并进行了硬件结构设计。在试验中得出，该系统对于常见的煤矿水源可以快速识别，可在煤矿企业进行推广试用。
关键词：LIF 水源识别 突水
中图分类号：TD745 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）11-0000-00
瓦斯，水，火，顶板，粉尘是煤矿生产中较为常见的灾害，现阶段对于煤矿瓦斯的研究较多，对于水害的防治方法研究教少，而水害在煤矿中的危险性较大，一旦发生突水，轻则淹没工作面，重则整个矿井充水，造成重大的人员伤亡事故，并导致严重的经济损失。因此对于矿井突水的预警极其重要，现阶段的工作主要集中于突水后的水源识别方面，这不利于预警系统的建立。常规的水源识别采用离子检测方法进行水源识别，此类方法需要大量时间进行检测，对于煤矿的安全生产意义不大，因此如何进行快速的水源识别是煤矿生产的重要需求。
1 基本原理
荧光是物质在吸收能量后辐射的光，高强度激光可激发吸收物质使其达到激发状态。不同的荧光物质具有不同的辐射能级，因此也会发射出各异的荧光光谱。荧光光谱根据激发波长的变化与否分成激发光谱和发射光谱，本次设计使用的LIF系统使用发射光谱。固定发射光的波长和强度照射待测物质，待测物体即可产生荧光，并通过光纤传至特定的光电转换器上，运行单色器，记录下各个发射波长对应的荧光强度，得到的数值对应波长的谱图即为LIF技术的发射光谱。发射光谱可以定性的表示水中物质发射荧光在相应波长下的光强度，可进行物质的辨识。
长期的地壳运动形成了特定的地层，特定的地层其物质化学成分也相对稳定，因此其含水层中的物质也相对稳定，并且不同地层不同含水层的物质差异较大，此即为LIF技术进行矿井水源识别的根据。
2 硬件结构
LIF系统主要有光路部分和电路部分组成，光路部分主要进行光信号的发射和荧光信号的获取，电路部分主要进行数字信号的处理，如图1所示。
光路部分主要由激光源、荧光探头、光纤、光电转换器等构成，此次使用的光路部分采用激光正交式检测系统，其主要特点是光路简单，且激发光噪声对于检测干扰小。正交式检测系统激发光路和发射光路成等于90度的角度，此时需要控制入射光的角度以及光电转换器的角度，尽量大的增加激发面积，提高信噪比，减少噪声的进入，其结构图如图2所示。
激光器是获取矿井水样荧光信号的核心部件，选择合适型号的激光器对于获取良好的荧光信号及后续的光谱模式识别意义重大。经过多次多波长实验，确定405nm波段的波长输出荧光信号较好，结合井下环境，选择功率小、易散热的GaN材料制成的激光器。
图2 光路部分
根据光谱数据的特殊性，设计了以STM32为核心的LIF系统，其主要结构图如下图3所示。其中CA3130属于信号放大芯片，以对光电转换后得到的微小电流进行放大处理。为了减小系统的噪声，在进行PCB排版时，应尽量减少信号走线。因对A/D采样要求较高，故采用外置A/D采样芯片CS5532，此芯片可进行24位低噪声模数转换，可最大限度的提高信号精度。以STM32F103为核心的电路进行数字信号处理，通过STM32对整个电路进行控制，并处理得到的光谱数字信号。
3 实验分析
实验使用的5种水样来自山西某矿，通过对5种水样进行荧光激发可获取不同水样的荧光光谱图，如图4所示，谱图曲线从上到下依次为二叠水、太原组水、松散层水、顶板水和地表水。通过实验可见，不同水样的荧光光谱图不同，当未知水样来临时，我们只需计算未知水样与已知水样荧光谱图的相似度即可进行相应的水源识别。
参考文献
[1]鲁金涛，李夕兵，宫凤强 等.基于主成分分析与Fisher 判别分析法的矿井突水水源识别方法[J].中国安全科学学报，2012，22（7）：109-115.
[2]李宏斌，刘文清，张玉钧 等.水体中溶解有机物激光诱导荧光光谱分析方法[J].光谱学与光谱分析，2006，26（11）：2065-2068.
[3]方晓明，刘崇华，周锦帆.有害物质分析—仪器及应用[M].北京：化学工业出版社，2010. |
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发表于 2022-2-27 19:54:03