光纖光柵傳感器在井溫和頂板壓力測定中的性能作用

文/于明東 安里千

光纖光柵傳感器在井溫和頂板壓力測定中的性能作用

文/于明東 安里千

光纖光柵傳感器從根本上解決了傳統電傳感器本身的安全隱患，低成本，結構簡單，易于維護，大大降低煤礦企業的安全成本和人力成本。光纖光柵傳感器在煤礦中的測溫、壓力、應力等方面有著廣泛的應用前景。

一、光纖光柵傳感器的結構原理

光纖光柵傳感器的原理，簡單講就是入射光在光纖中傳遞，如果光纖中沒有光柵，那么入射光全部透射過去，沒有反射光。當遇到光纖的光柵時，由于光柵能夠改變特定波長光的傳輸方向，使其特定波長的光波發射回去，而其他波長的光不受光柵的影響透射過去，光纖光柵起到了光波選頻的作用。根據光纖耦合模理論，當寬帶光在布拉格光柵中傳播時，會產生模式耦合，滿足條件的光會被反射，光纖光柵的反射光的中心波長λB由下式決定：

λB=2nΛ

式中，n為光纖芯模有效折射率，Λ為光柵周期。當光纖光柵傳感器的外圍物理量如溫度、應力、應變等發生改變時，式中的Λ或者n將發生變化，從而導致反射光的波長λB發生改變，若λB的改變量定義為ΔλB，外圍物理量引起的反射光波長的變化量如下公式：ΔλB=2Λ×Δn+2n×ΔΛ。

通過測量反射光中心波長的變化量，就可以獲得待測物理量的變化量。應力、應變、溫度等會引起布拉格光柵反射光中心波長的變化，其根本原因是應力、應變、溫度等引起了布拉格光柵周期的變化和彈光效應的改變引起的。

二、分布式光纖光柵傳感器系統的性能特征

目前的電傳感器都是多點、分布式布置，在多點、分布式布置上光纖光柵傳感器具有非常大的優勢。分布式光纖光柵傳感器主要利用分復用(WMD)、時分復用(TDM)、空分復用(SMD)及它們的組合復用技術。光纖光柵的復用技術使得多個光纖光柵傳感器共用一個光源和一個解調系統，它不但可以減少每個傳感器上花費的成本，也可以大大減小整個傳感系統的體積。

光纖光柵調解器輸出一寬帶波長光，經光分路器到達光纖光柵傳感器陣列；反射光再經分路器送至波長可調諧濾波器。只有當反射光波長與可調諧濾波器的波長相同時，才能通過濾波器被探測器接收。

三、光纖光柵傳感器在井下溫度測定中的功用

由煤炭自燃而引起的火災，它經常發生在采空區、停采線、斷層、煤柱等丟煤區，以及掘進冒頂處或封閉不嚴的舊采區內?；馂臅a生大量的熱和一氧化碳，造成井下生產和人員安全隱患。

由井底車場、機電硐室、運輸及回采巷道等機械、電氣設備比較集中，而且風流比較暢通的地點引起的火災，一般發生得比較突然，發展速度也快。一個小火源，稍有疏忽，火勢就可能蔓延擴大到很大的范圍。如果發現不及時，處理方法不當，或是行動措施不果斷，會給礦井帶來嚴重損失以至發生人身傷亡事故。

根據火災引起的原因，在相應的地點安裝光纖光柵溫度傳感器可以起到預防火災的作用，把火災消滅于萌芽狀態，把損失降到最低。傳統的電子溫度傳感器，在遍布全礦井測溫方面難顯優勢。光纖光柵溫度傳感器在礦井測溫方面優勢明顯：

黑龍江省七臺河市食品藥品監督管理局深化機構改革，落實“四有兩責”，不斷創新思路、強化措施，努力夯實食品藥品安全的根基，深化改革創新監管方式。連續3年被省食品藥品監管局和市委市政府評為目標考評優勝單位，2016年在全市“兩學一做”創環境大會上做了典型經驗介紹，相關經驗在省政府大會上交流；黑龍江省新聞聯播節目組先后3次對該局 “百名干部走千家企業訪實事辦實事”活動進行專題報道。

1.光纖光柵溫度傳感器無源器件，只是使用光信息傳遞信息，從根本上做到了安全防爆。

2.光纖光柵溫度傳感器測量精度高：0.1℃～0.5℃；測量范圍寬：-100℃～+300℃；采樣速度快：100MHz。

3.分布式組網，成百上千個測點，具有無零點漂移、不受電磁干擾、耐腐蝕、抗沖擊振動、使用壽命長等優點。

4.光纖光柵溫度傳感器成本低，結構簡單，安裝方便，降低了煤礦生產成本。

光纖光柵溫度傳感器完全滿足井下的要求，并優于目前的有源溫度傳感器，可以對井下電纜、開關柜電氣節點、電纜接頭、采空區、皮帶通廊、井下煤倉、地面煤倉等敏感地點測溫，對全礦井易發生火災的敏感地點實現了在線遠程監測。

四、光纖光柵傳感器在頂板壓力測定中的應用

近年來，因頂板事故引起的死亡人數占礦山總死亡人數的30％以上，而且占有比例有逐年遞增的趨勢。為此，各煤礦對煤礦頂板淺層和深層的在線監測、對錨桿錨索的壓力監測、對液壓支架的壓力監測變的越來越重要。傳統的電傳感器易受溫度、濕度、電磁場等外圍環境的干擾。光纖光柵傳感器在煤礦動態壓力監測方面有非常大的優勢。

光纖光柵懸臂梁位移傳感器測量范圍可以達到400mm，測量精度可以達到1mm，結構簡單、安裝方便、成本低廉。不受外圍環境的影響，無零點漂移。光纖光柵懸臂梁位移傳感器的分布式系統要優于目前所有的電傳感的485、CAN等各種數據總線。可以實現對煤礦頂板的淺層和深層離層的在線監測，完全滿足煤礦安全生產的需求。

輪輻式光纖光柵壓力傳感器的測量范圍可以達到60MPa，測量精度達到0.1％～0.5％。結構簡單，安裝方便，完全滿足了煤礦錨桿、錨索、液壓支架的壓力在線監測，替代了電傳感器。

五、光纖光柵傳感器在實際應用監測中的優點

1.光纖光柵傳感器質量輕，體積小，便于分布式布置，一臺解調儀能夠解調成百上千個點，實現了與目前礦井物聯網無縫連接。

2.光纖光柵傳感器是無源器件，完全實現了井下安全防爆，即使在生產中發生傳感器破碎性損壞，也不會引發瓦斯、粉塵、火災等事故。

3.可以實現全光測量及遠距離測量，測量距離可達幾十公里。光線的成本也比電纜的成本低的多，光的傳輸損耗幾乎可以忽略不計，優于目前的電傳輸。

4.系統的集成度高，可以把幾百個甚至上千個傳感器進行融合傳輸，優于目前井下的485、CAN等總線。

5.系統的巡檢時間短，故障率低。故障排除簡單，便于維護。

6.光纖光柵傳感器不受電磁干擾，對環境的干擾不敏感，測量精度高，具有抵抗包括高溫在內的惡劣環境及化學侵蝕的能力。

7.光纖光柵傳感器的制造成本遠低于目前井下的電傳感器，降低了煤礦安全生產成本，維護簡單，減輕了人力成本。

總結以上幾點，光纖光柵傳感器已經在各個方面全面超過了傳統的電傳感器，光纖光柵傳感器在煤礦行業將得到廣泛的應用，市場前景非常好。

（責任編輯：李元）

作者單位：（中國礦業大學（北京）力建學院）