礦用光纖光柵溫度傳感系統研究

摘 要：溫度是影響采礦安全的一個重要因素，礦井中的瓦斯如遇明火易發生爆炸，直接關系著井下煤礦工人的生命健康安全，故對于礦井中環境溫度的監測是十分必要的。常用測溫儀器主要分為紅外測溫儀器、電子測溫儀器以及新興的光纖測溫儀器。在礦井中，因開采的需要，設備種類復雜多樣，各種電磁信號會產生很強的電磁干擾；井下通風有限，水汽濕重，一些金屬儀器很容易被生銹腐蝕。而光纖測溫儀器有優良的抗干擾、耐腐蝕、反應靈敏等特性，在礦井之中有很好的應用前景。

關鍵詞：光纖光柵；煤礦安全；溫度監測；光纖傳感器

中圖分類號：TN253 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）13-0171-05

Research on Mining FBG Temperature Sensing System

MA Zhongtian， REN Dong

（School of Electronics and Information Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin 150022， China）

Abstract： Temperature is an important factor affecting the mining safety. The gas in the mine is prone to explosion if there is an open fire， which is directly related to the life， health and safety of the underground coal miners. Therefore， it is necessary to monitor the environmental temperature in the mines. The commonly used temperature thermometers are mainly divided into infrared thermometer， electronic thermometer and the newly optical fiber thermometer. In the mine， due to the need of mining， the equipment type is complex and diverse， and various electromagnetic signals will produce strong electromagnetic interference. The underground ventilation is limited， water vapor is very wet， and some metal instruments are easy to be rusty and corroded. The optical fiber thermometer has excellent anti-interference， corrosion resistance， sensitive response and other characteristics， which has a good application prospect in the mine.

Keywords： FBG; mining safety; temperature monitoring; optical fiber sensor

0 引 言

光纖最早由華人科學家高錕先生發明，高錕先生在1966年發表了一篇題名為《光頻率介質纖維表面波導》[1]的文章，文章中創新性地提出了光纖傳輸理論，論證了其可行性，并對光纖的制造做出了設計。由于高錕先生對于光纖通信領域做出了杰出的貢獻，2009年被授予了諾貝爾物理學獎。光纖光柵最早是被用來研究光波導材料的光敏特性的，加拿大科學家Hill等在研究摻鍺光纖光敏性的實驗[2]中，創新性地設計了一種光纖光柵的模塊。光在通過光纖光柵后，其頻率成分會發生變化，用成分變化來反應材料的光敏特性。而這種可以靈敏地反映外界因素變化的特性在工程領域很有應用價值。

1 國內外研究現狀

光纖光柵技術經過40多年的發展，已取得了許多重大成就，從理論研究到初步應用探索，再到廣泛實際應用，光纖傳感器的優勢逐漸突顯出來，近些年來的一些科學研究也都相關于一些較為深入的實際應用。2014年，Duraibabu團隊將光纖光柵傳感器安裝于水下機器裝備中，用來檢測海洋中海水的壓力和溫度，實現對海洋環境狀況的實時監測[3]。Chen等將光纖光柵溫度傳感器和壓力傳感器安裝在鐵路干線上集電弓上，收集集電弓的受力狀況，以及表層溫度，并探究了這些參數和流過集電弓電流之間的關系[4]。Massari等人利用光纖光柵器件設計出了一款可以靈敏地感知拉伸和溫度的變化觸覺感知機械手，用于輔助機器進行學習，成品機械手可以實現將物品抓取，并判斷物品的尺寸大小、材質等特性[5]。Presti等人用光纖光柵發明了一種柔性可穿戴設備心率監測儀，通過綁扎的方式穿戴于人的胸前監測人的呼吸和心跳，該發明突破了傳統電子設備限制，具有很強的抗干擾能力，測量十分精準，很有臨床應用前景[6]。MADAN等人通過改變光纖光柵包層的涂覆材料設計出了一款可用于碳鋼管的高溫測溫裝置，他們分別嘗試了化學耐高溫材料和黃金兩種材料，均取得了較好應用效果，最高測溫可測500 ℃，靈敏度達28 pm/℃ [7-8]。

我們國家近年來在光纖光柵應用領域勢頭十足，取得了豐碩的成果。北京交通大學的Liu等人使用光纖光柵溫度傳感器對高溫超導材料進行了測溫研究，在77～293 K的溫度范圍內，分別對裸光纖和使用金或銀作涂覆材料的光纖的溫度特性進行了比較分析[9]。彭軍等人使用光纖光柵溫度傳感器來測量電池分立部件在使用時的溫度，根據這些溫度數據來監測電池的安全狀態[10]。李五一等人設計了一種應變解耦增敏式FBG溫度傳感器，實現了對飛機載荷譜飛行實測中溫度參數的精確測量[11]。武漢理工大學的王宇琦等人設計出了一種基于拉斯塔光纖光柵的準分布溫鹽傳感器，該傳感器以一種精巧的結構實現了溫度和鹽度的同時并實時的測量，并大幅度減小了兩種信號的相互干擾[12]。韓國慶將光纖光柵溫度傳感技術應用于大型數據中心溫控監測中，大大提升了溫度監測的效率[13]。朱緒保等人研究并設計了一種新型的光纖光柵溫度傳感器來實現對煤礦中巖土溫度的監測[14]。夏翔等人提出了一種基于廣義回歸神經網絡和改進粒子群優化算法的光纖光柵傳感器波長峰值檢測方法，將神經網絡技術應用到了光纖光柵解調技術中[15]。光纖光柵器件目前正處于應用的熱潮中，各種新式發明將不斷涌現。

2 光纖光柵測溫原理

2.1 光纖原理

1）折射定律。如圖1所示，光線穿過一種介質n1進入到另一種介質n2中時，在兩介質的交界面處產生折射現象。若入射角為θin，折射角為θout，則四者之間的關系滿足斯涅爾定律：

式中介質n1與n2均為常數，設一常數C = n2 / n1，故有：

當C＜1時，即光線從光密介質進入光疏介質中時，θin有最大值，最大值θc = arc sin C。

2）全反射現象。當光線從光密介質射向光疏介質時，隨著入射角的增大，折射角也在增大，至90°時，若繼續增加入射角，光線將不再發生折射，而全部反射回原介質中。該現象稱為全反射，入射角的最大值θc稱為臨界角。

3）光纖傳輸。光線以一定角度輸入纖芯，傳至纖芯和包層的交界面上時，若光線的入射角大于臨界角θc，發生全反射，在一次又一次的全反射中，信號實現了在光纖中的傳輸，例如圖2中光線③所示。

2.2 光纖光柵原理

在一條標準的光纖中，纖芯為分布均勻石英材料，其折射率處處相等，是一個固定的常數。但是通過一些物理的手段（如紫外線照射等），可以改變石英材料的折射率。利用這些方法，在一條標準的光纖上等距地刻上幾個不同于整體折射率的細長條，形成的柵狀結構便是光柵，相鄰的細長條間的距離是光柵的周期Λ。光線在傳輸過程中，光柵會將一定頻率成分的光線濾除反射回去，而溫度會影響到具體濾除的光線的頻率成分。

1）光柵回波定理。如圖3所示，光線在穿過周期為Λ的光柵時，其部分頻率成分在經過該結構后被反射回去，反射回去的光線稱為回波，剩余頻率成分光線穿過光柵后繼續向前傳播。回波波長λB滿足光柵回波定理：

λB = 2neff Λ （3）

neff為光纖纖芯有效折射率。Λ為光柵的周期。

2）光纖光柵測溫原理。當外界溫度發生變化時，回波的波長會發生偏移。影響該過程的因素主要有兩個，分別為光纖的熱光系數ξ和熱膨脹系數α，在溫度變化過程中，波長偏移量ΔλB滿足：

ΔλB = λB （ξ + α）ΔT （4）

3 煤礦溫度傳感器特性指標

3.1 煤的自燃

在煤礦開采作業過程中，煤的自燃是一個重大的安全隱患，直接關系著采礦工人的生命健康安全。因此對于煤自燃機理的研究以及基于自燃機理而研究的發火監測系統的研究工作是十分必要的。籠統上劃分，煤的自燃過程主要分為三個階段：潛伏期、自熱期和燃燒期。

潛伏期里煤的氧化十分緩慢，熱量變化不明顯，不適合溫度監測的建設。煤經過準備期的熱量積聚以及其他燃燒所需條件準備，一旦自身溫度超過自熱的臨界溫度，煤溫將急劇上升直至達到著火點進入到燃燒階段。煤的臨界溫度一般在60～80 ℃的范圍內，是煤自燃的一個關鍵溫度，控制好該溫度可以大大降低于煤的自燃起火風險。煤在達到著火點后發火，開始燃燒進入燃燒期。

一個煤自燃監測預警系統建應構建在臨界溫度附近，即保證煤溫在60～80 ℃的范圍內可以實現精準監測。達到臨界溫度，迅速預警，對于溫度方面可以采取相關降溫措施，溫度下至臨界溫度以下，起火便基本被控制了。相較之下自熱期的監測控制更加高效，只需在60～80 ℃的范圍內降低溫度，而且也易于實現；一旦進入燃燒期，一般煤炭的著火點都高于300 ℃，不僅火勢難以控制極大威脅到工人的生命安全，而且后期滅火成本的投入，煤的損失都要遠高于自熱期的控制。

因此如果要使用光纖光柵傳感器進行自燃監測預警，60～80 ℃必須在其量程范圍之內，而且要達到精準監測的要求。

3.2 礦區作業溫度監測要求

根據我國現行煤炭行業技術標準，礦區的工作溫度在-5～40 ℃之間，所用溫度傳感器測量范圍為-20～60 ℃，顯示和輸出的誤差要控制在±2.5%以內。溫度傳感器在水中響應時間要小于10 s。在朱緒保等人研究的礦用材料模型光纖光柵溫度傳感器中[14]，其升/降溫響應時間達到1.7 s/℃左右，測量范圍為15～50 ℃，靈敏度達6.996 pm/℃。

4 光纖光柵溫度傳感器系統

4.1 光纖光柵傳感器系統

光纖光柵傳感器系統可分為三個部分：光纖光柵傳感器、傳輸光纖、光柵解調器，如圖4所示。光纖光柵傳感器可以感知到外界環境的微弱變化并產生靈敏的響應，具體表現為光信號頻率成分的改變。傳輸光纖為光信號的傳遞提供媒介，可以將不同的光纖光柵傳感器產生的光信號匯集整合，傳輸至所需的終端上。光纖光柵解調器可以對收到的光信號進行讀取，將傳輸過來的信號進行頻譜分析，顯示為數字的信號。完整流程就是變化的光信號首先光纖光柵傳感器感知外界因素的變化產生變化的光信號，該光信號通過傳輸光纖進行傳輸，最后在終端使用光柵解調器將信號轉換為可讀的信息供分析使用。

4.2 光纖光柵溫度傳感器實驗

1）實驗目的。一個溫度傳感的設計通常需要變化的物理量與溫度呈較好的線性關系，只有這樣才能保證溫度測量的準確性，根據理論分析中式（4）所得，光纖光柵波長偏移量與溫度呈線性的關系，為了驗證這種線性關系和探究光纖光柵測溫系統的可行性，設計并進行了如下的測溫實驗。

2）實驗器材。光纖光柵傳感器、可控溫水浴鍋、光纖光柵解調器（以及數據處理軟件MATLAB）。

3）參數說明及理論計算。圖5示為實驗使用的光纖光柵，其中心波長為λB = 1 549.99 nm，它的材質為通用的石英光纖SMF-28，查閱其相關數據[16]計算后得到式（4）中熱光系數為ξ = 6.25×10-6 ℃-1，熱膨脹系數為α = 0.5×10-6 ℃-1。

對理論分析中式（4）做如下變換：

帶入數據得理論值：

4）實驗流程。如圖6可調節溫度的水浴鍋，光纖光柵溫度傳感器置于鍋中，用光纖耦合器將光纖光柵溫度傳感器接入光纖光柵解調器上形成閉合光路，光纖光柵解調器的數據接口接入終端。整個實驗完整裝置如圖7所示。

先在水浴鍋中加入常溫冷水，設定初始溫度為24 ℃，接通電源，待水浴鍋溫度穩定后，使用光纖光柵解調器采集反射回的信號解調最后將數據發送至終端，在終端開始采集數據，保存記錄24 ℃的實驗數據。采集完畢后重新設定水浴鍋溫度，將溫度提升0.5 ℃即至24.5 ℃，同樣，待水浴鍋溫度穩定后，采集記錄該溫度下的實驗數據。重復以上步驟，溫度每次提升0.5 ℃。

5）實驗結果。實驗通過這種水浴的方式模擬特定的溫度狀況，收集了在24～90 ℃溫度范圍內，間隔為0.5 ℃下的光纖光柵實際波長偏移量的實驗數據，將數據整合后，使用MATLAB軟件將數據進行擬合，擬合后得到了如圖8所示的結果。實驗結果顯示，在24～90 ℃范圍內，波長偏移量與溫度呈較好的線性關系，實驗得出的曲線斜率為0.010 7與理論值0.010 5誤差很小，其可行性得以驗證。對于煤的自燃監測預警，該溫度傳感器完全適用，符合煤礦的監測需求。對于作業區，還可以實現25～40 ℃溫度范圍的溫度監測，而且其靈敏度為10.7 pm/℃，該靈敏度也符合礦用溫度監測。

5 結 論

光纖光柵傳感器件，以其抗干擾能力強、精度高、反應靈敏的特性，在礦井之中很有應用前景，在傳感器設計方面，基于光柵光纖原理可以設計各種傳感器，來滿足礦井中的需求，本文列舉了其作為溫度傳感器的應用場景。利用波長偏移量與光纖拉伸變化的關系，還可制成各類的力學傳感器等。在實驗過程中發現，光纖光柵解調器發熱的現象影響解調結果的準確性。實際上只要所使用的裝置需要電源供給，發熱問題是無法避免的。尤其在面向礦井的大規模光纖光柵系統設計中，解調系統的散熱問題直接關系到數據的準確性，一個解調系統的供電穩定和高效散熱是十分重要的，值得進一步研究。

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作者簡介：馬仲甜（1986—），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，講師，博士，研究方向：空間光通信穩定跟蹤技術；任棟（2001—），男，漢族，山西朔州人，本科，研究方向：電子通信技術。