光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在礦井下的應(yīng)用

韓超仲 周海燕 種越 謝慶博

摘要：針對(duì)一些特殊領(lǐng)域的探測(cè)和安全問(wèn)題，隨著未知領(lǐng)域各方面環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜多樣，對(duì)未知領(lǐng)域溫度監(jiān)測(cè)要求越來(lái)越高。在礦井下的特殊環(huán)境下，對(duì)井下溫度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)有著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)一般是采用電學(xué)溫度傳感器，無(wú)法滿足對(duì)礦井下溫度監(jiān)測(cè)高精度的要求，因此，光纖傳感技術(shù)無(wú)疑有最具前景的應(yīng)用平臺(tái)。光纖傳感器擁有型變性較好，耐受能力更強(qiáng)等更多諸多優(yōu)點(diǎn)更適用于礦井下環(huán)境，因此，本文設(shè)計(jì)了光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能長(zhǎng)期有效實(shí)時(shí)高精度監(jiān)測(cè)礦井下溫度監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：溫度監(jiān)測(cè);布拉格光柵（FBG）;安全

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）36-0254-02

1概述

近幾年，國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定的快速增長(zhǎng)，國(guó)家對(duì)能源的需求也迅猛增加，雖然近幾年新型能源的開發(fā)與應(yīng)用不斷增加，但依舊缺少不了以常規(guī)能源煤炭作為的燃料，它在能源生產(chǎn)消費(fèi)中依舊占據(jù)半壁江山。雖然國(guó)家在前幾年取消了私人煤礦的開采權(quán)，在很大程度上降低了井下人員傷亡事件的發(fā)生，但并未杜絕;據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2019年上半年，全國(guó)煤礦企業(yè)就發(fā)生煤礦災(zāi)害事故67起，共死亡礦井工人108位，其中瓦斯事故占煤礦災(zāi)害總事故的20%。瓦斯事故的發(fā)生，是由于井下大量機(jī)械化設(shè)備和傳輸、通信電纜的敷設(shè)，若其產(chǎn)生故障會(huì)導(dǎo)致局部受熱，溫度上升;在對(duì)煤礦和含炭質(zhì)頁(yè)巖的非煤礦床進(jìn)行開采時(shí)，會(huì)從礦層裂縫中噴涌出大量危險(xiǎn)的爆炸性氣體，這些氣體在遇到明火或者達(dá)到一定溫度下，會(huì)產(chǎn)生爆炸，對(duì)工人生命造成威脅。并且煤礦在開采時(shí)采空區(qū)會(huì)存在大量遺留的浮煤，會(huì)有燃燒的危險(xiǎn)，造成事故的發(fā)生。礦井溫度還與井下工作者的身體狀況有著直接的影響，適宜的溫度使工人們?nèi)梭w熱平衡的穩(wěn)定，確保工人的勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低工傷事故的發(fā)生概率。因此對(duì)井下進(jìn)行溫度變化的在線監(jiān)測(cè)是非常有必要的。

2系統(tǒng)原理

光纖光柵在光導(dǎo)纖維傳感領(lǐng)域有著舉足輕重的地位。高溫、光熱、應(yīng)力引起的形變，磁場(chǎng)造成的Faraday effect和有效折射率的變化是光纖光柵的傳感機(jī)制。當(dāng)環(huán)境溫度、磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)、溶液濃度改變時(shí)，或者光纖光柵本身的應(yīng)力變化，光纖光柵原本的參數(shù)會(huì)發(fā)生改變，便可通過(guò)對(duì)光纖光柵的共振波長(zhǎng)或?qū)舱癫ㄩL(zhǎng)處的透射功率測(cè)量，最終便能得到所需的傳感信息。

光纖測(cè)溫技術(shù)能夠做到對(duì)環(huán)境溫度和設(shè)備的多點(diǎn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫設(shè)備的系統(tǒng)化和一體化，系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量設(shè)備上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，來(lái)防止因溫度過(guò)高而引起的事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下設(shè)備故障的及時(shí)檢測(cè)，保障了工人們的生命安全和企業(yè)的生產(chǎn)效率，防患于未然。光纖光柵測(cè)溫技術(shù)的極大優(yōu)勢(shì)就是在源頭處如何對(duì)于礦井設(shè)備的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理與分析、故障預(yù)測(cè)與排查等問(wèn)題進(jìn)行了解決，為井下工作的順利進(jìn)行，提供了強(qiáng)有力的保障。

光纖光柵溫度傳感器是此系統(tǒng)溫度測(cè)量的重要部分。依靠光纖內(nèi)部的溫度敏感區(qū)，可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到該點(diǎn)溫度的發(fā)生的改變。當(dāng)光線通過(guò)光纖布拉格光柵時(shí)，符合條件的光被布拉格光柵反射回接收端，接收端接收反射光進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，而其余波長(zhǎng)的光因?yàn)椴粷M足條件，可以幾乎無(wú)損透過(guò)。其傳感原理如圖1所示。

由coupled-mode theory，可以得知光纖布拉格光柵的中心反射波長(zhǎng)：

λB= 2neffA （1）

其中，λeff為導(dǎo)模的有效折射率，Λ為光纖光柵做簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)周期。

當(dāng)光纖光柵只受應(yīng)力的影響時(shí)，其折射率及周期會(huì)受其影響，發(fā)生改變，引起中心反射波長(zhǎng)移動(dòng)：

式中：△neff為折射率的變化，△Λ為光柵周期的變化

當(dāng)光纖布拉格光柵不受應(yīng)力作用時(shí)，由溫度變化從而引起的中心反射波長(zhǎng)AB移動(dòng)可表示為：

通過(guò)式（3）可得，△ΛB和△T呈線性相關(guān)，當(dāng)測(cè)量光纖光柵反射波長(zhǎng)的移動(dòng)量△ΛB，便可求出環(huán)境溫度T，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。

為使最終測(cè)量結(jié)果精確，可以使用熱脹系數(shù)較大的基底材料，并將光纖光柵放置到其表面。假設(shè)基底材料的熱脹系數(shù)為asub，并且滿足asub》as，則粘貼后光纖光柵的反射波長(zhǎng)隨溫度的變化關(guān)系由下式給出： 公式可簡(jiǎn)化為：

但是在現(xiàn)實(shí)中，為了排除冗雜因素的影響，則公式為：

可見光纖光柵的溫度靈敏度可提高為裸光纖光柵的倍。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于井下溫度的監(jiān)測(cè)，我們需要考慮到以下幾個(gè)方面：

（1）煤礦動(dòng)壓影響;

（2）復(fù)雜惡劣環(huán)境影響;

（3）遠(yuǎn)距離;

（4）實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部位感知;

（5）在線監(jiān)測(cè);

（6）大容量。

數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)是將傳感系統(tǒng)中采集到的數(shù)據(jù)向終端傳輸解析。

針對(duì)煤礦環(huán)境要求，數(shù)據(jù)采集需要多路數(shù)據(jù)多個(gè)參量測(cè)量，采集分析不同參數(shù)類型來(lái)分析不同井下環(huán)境，從而分析井下演變規(guī)律特征。這就要求系統(tǒng)需要同時(shí)布設(shè)多路多個(gè)傳感器，光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)必須采取關(guān)鍵性技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路多參量大容量的智能感知。

光纖光柵傳感技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)電測(cè)傳感技術(shù)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是其具有復(fù)用能力，采用FBG復(fù)用可以實(shí)現(xiàn)大容量、多參量監(jiān)測(cè)，同時(shí)也為構(gòu)建準(zhǔn)分布式感知網(wǎng)絡(luò)成為可能。

FBG傳感特征參量均是以波長(zhǎng)編碼的形式進(jìn)行編碼存儲(chǔ)，這就方便實(shí)際工作中多個(gè)波長(zhǎng)信息不同的FBG相互串接，能夠共用解調(diào)儀寬帶光源而避免波長(zhǎng)之間的串?dāng)_，使FBG傳感在波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）方面非常容易實(shí)現(xiàn)且具有高的信噪比，這些優(yōu)點(diǎn)使該技術(shù)在FBG傳感應(yīng)用層面上成為最根本、最普遍的復(fù)用方法，WDM的基本原理如圖2所示。

在整個(gè)波分復(fù)用系統(tǒng)中，光波分復(fù)用器和解復(fù)用器是波分復(fù)用技術(shù)中的關(guān)鍵部件，它的性能優(yōu)劣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量具有決定性影響。光波分復(fù)用器的誤差主要來(lái)源于接人損耗和由兩條信號(hào)線之間的耦合。波分復(fù)用系統(tǒng)的接人要求：及小損耗和小頻偏，不同信道間的串?dāng)_要小。如果信道間的隔離度大，那么不同頻率信號(hào)間的影響就小。

4結(jié)束語(yǔ)

光纖光柵技術(shù)相比于傳統(tǒng)傳感器更具優(yōu)勢(shì)，光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)光纖傳輸數(shù)據(jù)，快速并且傳播距離長(zhǎng)，成本也相對(duì)較低，更適用于極端環(huán)境，比如煤礦井下環(huán)境。傳感器是不帶電的光學(xué)無(wú)源器件，更容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期有效的溫度在線監(jiān)測(cè)。

光纖光柵溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查找和對(duì)比。當(dāng)設(shè)備溫度高于設(shè)定值時(shí)，終端發(fā)出報(bào)警，從而能夠及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，避免因高溫而造成瓦斯爆炸、設(shè)備故障等井下事故的發(fā)生，對(duì)礦井產(chǎn)業(yè)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2019-10 -14

基金項(xiàng)目：國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目（201610595012）;國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃立項(xiàng)項(xiàng)目（201910595023）

作者簡(jiǎn)介：韓超仲，男，桂林電子科技大學(xué)本科生在讀學(xué)生。