基于激光光谱的“指纹”—化工危险气体实时监测系统

申报人：蒋鹏康申报日期：2025-01-13

基本情况

所属批次:

2025年批次

项目名称:

基于激光光谱的“指纹”—化工危险气体实时监测系统学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

仪器类

项目来源名称:

学生自主选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

现代化工产业的发展呈现出蓬勃的态势，工业安全问题越来越引起重视，各类化工危险气体聚集在一起，极易发生爆炸、火灾、中毒等巨大灾难，给国家和人民生命财产带来巨大的损失。这使得灾害预防，危险气体实时监测变得尤为重要。目前，化工行业的气体监测技术手段存在诸多问题，误差大精度小、信息不够及时、监测设备集成化低、设备兼容性低、监测气体种类有限等。针对上述问题，研发基于激光吸收光谱的“指纹”——化工危险气体实时监测系统。该系统从安全、快速、高效、经济等角度出发，对建筑内部和空旷的外部两种不同环境的特点采取两种不同的方式进行数据采集，建筑内采用长周期光纤光栅的分布式定位方式；空旷的外部采用激光光谱监测方式进行数据采集，利用光纤传输，光线光栅传感，最后将所有数据传入搭建的气体实时监测系统软件平台中进行监测。能做到化工园区危险气体浓度实时监测，形成一套高集成化、高兼容性、信息实时共享的系统。

负责人曾经参与科研的情况:

曾参与大创项目：1.Sky scope-基于点云数据的危岩数字化识别与评价

2.基于伊辛模型对生物制药企业价值链的研究与应用项目负责人

指导教师承担科研课题情况:

夏雄平：1.广西自然科学基金：激光间接驱动惯性约束核聚变中的受激布里渊散射研究（2016GXNSFAA380071），主持，2016.09-2019.08（已结题）；

2. 广西自然科学基金：可见-近红外波段超材料完美吸收体吸收特性的研究（2016GXNSFBA380204），参与，2016.09-2019.08（已结题）。

指导教师对本项目的支持情况:

指导教师支持本项目的开展，为本项目提供方案论证、理论指导、实验设计、经费支持等。

项目级别:

国家级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	蒋鹏康	物理与电子信息工程学院	光电信息科学与工程	2022	总揽项目、方案设计与具体实施	第一主持人
2	邹天乐	物理与电子信息工程学院	光电信息科学与工程	2022	统筹规划与进行实验	成员
3	刘慎新	物理与电子信息工程学院	通信工程	2023	查找文献、方案设计	成员
4	王珏	物理与电子信息工程学院	光电信息科学与工程	2024	收集资料撰写阶段报告与总结报告	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	夏雄平	物理与电子信息工程学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

针对目前国内多数化工园区气体泄漏监测预警系统都停留在系统设置阈值，然后基于监测数据情况触发超限报警的单点位泄漏报警模式，无法反映园区整体层面的泄漏气体浓度及变化情况，也缺乏一个高效的系统平台软件处理数据，无法做到高效预警。同时有些系统仅适用于事故后果分析计算，无法对泄漏扩散进行模拟和溯源。因此，需要研究新的检测手段，以更有效、精准地获取危险气体分布信息，实现特征信息融合识别，及时准确研判态势及判断危险威胁，降低系统监测预警误报率和漏报率，实现化工区动态感知与隐患辨识预判。

本项目围绕化工危险气体泄露实时监测预警的技术难题进行攻关，以实现化工工作区危险气体泄露精准检测及位置判断和科学防控为总体目标，针对化工区气体泄漏多组分气体的特点，以及快速全面检测中需要解决的关键科学问题，开发基于长周期光纤光栅的分布式传感器、化工区有害气体实时监测系统、化工多组分气体TDLAS检测装置。

项目基于TDLAS技术及激光监测领域相关研究成果，综合应用理论分析、数值模拟、实验研究和现场工业性试验等方法手段，采用模块化设计、集成创新、技术攻关等途径，研制化工多组分气体激光光谱动态检测装置。通过进行化工工业性试验验证系统现场应用性，不断进行技术突破和更新迭代，完善化工区有害气体泄露预警主动防控技术体系，将化工有害气体泄露防控的关口前移，实现了化工气体泄漏超前预警及由被动治理到主动防控的根本转变。

研究内容:

项目基于TDLAS技术及激光监测领域相关研究成果，综合应用理论分析、数值模拟、实验研究和现场工业性试验等方法手段，采用模块化设计、集成创新、技术攻关等途径，研制化工多组分气体激光光谱动态检测装置。开发的化工多组分气体激光光谱系统能够实现实时检测，具有非接触、快速、高效、动态、在线、校准周期长、痕量气体检测精度高的特点。其总体构思如图1所示： summernote-img

图1 总体思路图

1、拟实现功能

随着技术的不断发展，新的传感器和检测技术不断涌现。如何将这些新技术与现有的检测系统有效集成，提高系统的兼容性，是一个挑战。本系统对集成性和兼容性进行了提升：（1）统一通信协议：确保系统内部各个组成部分使用统一的通信协议，这可以使得不同设备和系统之间的信息交换更加顺畅，提高整个系统的兼容性和集成性。（2）模块化设计：将气体泄漏检测系统划分为多个独立的模块，每个模块负责特定的功能。这种设计方式可以提高系统的灵活性和可扩展性，使得系统可以根据需要进行定制和扩展。同时，模块化的设计也使得系统更加易于维护和升级。（3）智能化集成：选用多参数传感器进行数据采集，预警软件建立数值模型将收集到的监测信息进行融合处理，最后实现化工危险气体信息的态势评估及有效预警。系统将能够实现以下具体功能：

（1）协同采集、存储并查询化工区实时环境的甲烷，硫化氢等气体温湿度、压差等信息；

（2）实现对出现异常变化的节点位置做出及时预警和定位；

（3）实现化工危险区域高密度网络化动态监测和隐患识别，对危险气体泄露进行危险程度分级识别及预警；

（4）精准研判危险气体泄露状态变化规律和发展趋势；

（5）提供图像化展示多测点气体-温湿度-压差趋势曲线、通信拓扑结构图、现场布置图及监测系统信息流图、历史数据及报警查询的功能。

2、装置设计思路

本装置设计的目的是为了准确及时检测化工区有害气体，并分析确定出有害气体的特征信息，掌握有害气体特征信息随时空的演化规律，解决化工有害气体信息提取、融合、判识和预警的技术难题，为化工安全与预警技术研究，提供科学的实验检测仪器。

多组分气体是多种气体的混合物，化工区由于管道、阀门泄漏或生产作业等造成有毒有害气体如HCl、HF、H2S、NH3等气体的无组织排放，形成多组分气体，会造成环境的污染和人体伤害，尤其是甲烷气体，经过累积之后容易引起爆炸，在化工区期隐患时期气体的含量一般在ppm-ppb量级范围，通常被称为痕量气体。本装置作为预警设备主要检测的化工区多组分气体包括硫化氢、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔。

开发的化工多组分气体激光光谱实时检测仪器装置，具有非接触、快速、高效、动态、在线、校准周期长、痕量气体检测精度高的特点。检测仪器装置的设计思路如图2所示。

图2 装置设计思路

国、内外研究现状和发展动态:

激光领域的发展现状呈现出蓬勃的态势，不仅市场规模持续扩大，技术创新也不断涌现，光纤激光技术、激光光谱检测技术等是近年来激光领域的重要技术创新，其在化工气体检测、信息传输等领域广泛应用。在激光光谱检测领域，Hinkley和Reid等人提出了可调谐二极管激光吸收光谱技术。此后，可调谐激光二极管吸收光谱学越来越受到人们的重视，并逐渐应用到痕量气体监测上。随着光通讯和光电子技术的发展，二极管激光器也迅速商品化。

随于二极管激光器的快速发展，如今研发出TDLAS技术，本质是调谐二极管激光吸收光谱技术，其原理是利用分子单一分立吸收线的吸收光谱来获取气体的各种属性(如：浓度、温度等)。当光通过某种介质时，光电磁波会与介质的分子、原子相互作用使得光被吸收和散射而产生衰减，由于气体分子对光的散射很微弱，远小于被测量气体分子的吸收光能，故可以忽略。根据测定气体吸收特定波长光的程度，可求出气体相应的各种属性。

可调谐二极管激光器与长光程吸收技术相结合，在化学研究和污染气体监测中得到了广泛的应用。其技术特点是：(1)探测灵敏度高，一般可达到ppm~ppt量级，能够满足化工厂中痕量气体监测的要求；(2)由于分子光谱的“指纹”特性，它们的选择性很强，利用二极管激光可调谐和高光谱分辨率的特点，可以对特定分子在特定光谱范围内的光谱吸收进行测量进而反演得到气体的浓度；(3)探测范围广，响应时间快，非常适合大范围现场实时监测。高分辨率、高灵敏度、良好的选择性、实时、动态，这些特点使得调谐二极管激光吸收光谱技术成为痕量气体快速、在线分析的有效方法之一。

参考文献：

[1]柳山虎,吴勇,梁立振,等.基于TDLAS的气体检测技术对比与分析[J].计量与测试技术,2024,51(04):35-39.DOI:10.15988/j.cnki.1004-6941.2024.4.011.

[2]唐伟,马云鹂,袁艺朗,等.基于TDLAS的增强型气体检测新技术[J].石油化工自动化,2023,59(04):81-84.

[3]叶蕾. 基于TDLAS气体检测技术的解调方法研究及开放光路搭建[D].东北石油大学,2024.DOI:10.26995/d.cnki.gdqsc.2023.000270.

[4]恽浩. 基于激光吸收光谱技术的甲烷气体检测系统设计[D].南京理工大学,2024.DOI:10.27241/d.cnki.gnjgu.2021.002509.

[5]王鑫. 基于吸收光谱和光热效应的气体检测研究[D].河北大学,2021.DOI:10.27103/d.cnki.ghebu.2021.000837.

[6]李恒宽,朴亨,王鹏,等.基于近红外吸收光谱技术的高精度CO2检测系统的研制[J].红外与激光工程,2023,52(03):115-121.

[7]宋彤彤. 基于TDLAS技术的硫化氢气体浓度测量方法研究[D].河北科技大学,2021.DOI:10.27107/d.cnki.ghbku.2020.000267.

创新点与项目特色:

1、创新点

（1）可实现因化工厂环境变化自动采用不同的实时监测方法

在化工区周围的空旷环境，设计了一种TDLAS多组分大量程监测子系统，系统通过监测化工区的气体，经一系列处理将测量到多组分气体浓度信息采集到工控机处理系统，将信息传输到预警平台，通过对各组分浓度、烷烯比、链烯比的计算，及时准确地反映危险变化情况，以实现危险程度的预判及火区环境爆炸危险性的自动精准判定，解决了一定的难题，并为化工区危险气体实时监测领域提供了高精度的光学仪器。

在化工区建筑内部的复杂环境以及不同环境情况，设计了一种基于长周期光纤光栅的分布式传感器，传感器内激光光源发出的脉冲光通过波分复用器进入单模光纤，在单模光纤内传输时产生斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光，再通过波分复用器进入探测器进行光电转换，高速采集卡对信号进行采集和累加平均后通过数据处理系统解调得到实时气体浓度信息。

（2）系统软件利用最新的 InPaaS 新型混合云模式网络构建，可实现信息储存和信息共享。

保障化工企业安全性和合规性：化工企业通过将敏感数据保留在私有云中，可以更好地控制数据的安全性和合规性。私有云提供了更高的数据隐私性和隔离性，从而减少了数据泄露的风险。同时，化工企业还可以根据特定的合规性要求，在私有云上部署特定的安全控制和策略。

降低化工企业成本效益：混合云模式允许企业根据业务需求选择最佳成本效益的方案。例如，对于敏感或核心的数据，企业可以选择将其部署在私有云上，以确保数据的安全性和私密性。而对于非核心或临时性的工作负载，企业可以选择使用公有云，以节省成本。此外，混合云模式还可以帮助企业避免过度投资在硬件和软件上，因为它们可以根据需要快速增加或减少资源。

2、项目特色

（1）高集成化：将激光器、气体传感器等多参数传感器与现有的检测系统有效集成形成一个统一的工作系统。采用集成化设计不仅能简化了系统的安装和调试过程，还提高了系统的运行效率和可靠性。

（2）高兼容性：本系统具有良好兼容性，能够支持多种气体类型和多种检测环境。无论是对于常见的工业气体还是对于某些特殊的气体，该系统都能进行有效的检测。同时具有灵活扩展的能力，当需要增加新的检测点时，只需将新的检测单元或传感器接入系统即可，无需对整个系统进行大规模的改动。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

1、具体技术路线如图3所示：

图3 总体技术路线

通过束管自动采样装置，经气路预处理系统进入TDLAS吸收池，经光电检测与信号处理电路，将测量到多组分气体浓度信息采集到嵌入式数据处理系统，最后通过化工工业以太环网交换机将信息传输到实时监测系统，实现化工区气体的全时段实时监测。

在完成化工多组分气体激光光谱动态检测装置核心技术和关键技术研发的基础上搭建整套系统和功能测试，争取实现化工气体测量的高灵敏度、高稳定性和高精度的逐级跨越。

2、拟解决问题：

针对目前国内多数化工园气体泄漏监测预警系统存在的问题，本项目基于TDALS技术和长光程技术开发了一套新的化工多组分气体激光光谱实时检测方法，来解决当前市场上气体泄漏监测预警系统的主要问题：

（1）能够连续实时检测分析硫化氢、氮气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔等化工多组分气体的浓度。

（2）通过对指标气体各组分浓度、烷烯比、链烯比的计算，及时准确的反映气体泄露情况，可实现预判报警。

（3）系统能进行高效的数据分析与处理，能够提供数据图表实时显示、远程传输及网上实时发布等。

3、预期成果：

①通过本项目的研究，克服目前市场上化工危险气体系统的难题，设计出更高效、更准确、更智能的激光化工文献气体监测系统。

②将本系统相关的硬件设备进行自主集成化设计，解决其存在的兼容性问题，做出完整实物。

③建立基于激光光谱的化工危险气体“指纹”实时监测系统与其在化工厂实际应用效果方面的联系，为以后改进系统提供数据。

④自主创新搭建InPaas新型混合云模式网络模式和用web service作服务器，实现本系统数据能通过浏览器进行访问。

⑤相关研究结果发表学术论文1篇。

⑥通过本项目的训练，提高项目成员的创新能力和运用知识解决实际问题的能力。

项目研究进度安排:

第一阶段（2025.04-2026.05）项目研究方案设计：

查找资料和文献，对所收集的信息进行分析归纳，明确研究项目的方向和内容，深入了解该研究领域的背景和现状，进行队员的分工合作，与指导老师讨论制定研究方案，选择合适的研究方法，熟悉实验和测试应用的仪器、材料用途。

第二阶段（2025.06-2026.11）硬件设计和软件开发、系统测试：

搭建基于长周期光纤光栅（LPG）的分布式传感器、多组分激光光谱监测装置，组成系统的主要硬件部分，编程开发化工区有害气体实时监测系统软件平台。在实验室环境下，测试适量部分化工危险气体，不断的对系统进行测试，并记录实验数据。

第三阶段（2025.12-2026.04）分析总结：

将得到的实验数据进行整理并进行数据分析，评估系统的可行性。最后将项目的结果进行归纳、论文撰写、总结报告的撰写。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

查阅了大量与激光光谱检测危险化工气体技术相关的论文文献，对激光光谱检测技术的基本原理以及各种设备方案有了清晰的了解；同时指导老师团队在激光研究方面具有深厚的研究基础，发表过多篇激光相关论文，这些研究积累为本项目的顺利执行奠定了良好的基础。

本项目参与了第十二届全国大学生光电设计竞赛东南赛区，项目的商业计划书，实物演示得到了评委老师的认可，荣获省二等奖。同时目前项目也取得了阶段性成果，围绕系统已经申请两项专利。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

物理与电子信息工程学院拥有本项目所需的相关设备，指导老师所在的实验室具备组装测试系统的实验条件，可以为本项目的数据测试和改进供条件。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	12000.00	无	6000.00	6000.00
1. 业务费	3000.00	无	1500.00	1500.00
（1）计算、分析、测试费	3000.00	数据分析，软件开发等测试	1500.00	1500.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	0.00	无	0.00	0.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	0.00	无	0.00	0.00
2. 仪器设备购置费	6000.00	购买激光器OEM板、气体传感器等	3000.00	3000.00
3. 实验装置试制费	2000.00	进行仪器设备维护	1000.00	1000.00
4. 材料费	1000.00	制备相关气体的原材料、试剂以及资料打印等	500.00	500.00

结束