光纖光柵傳感器在井溫和頂板壓力測(cè)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(cè)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(tǒng)電傳感器本身的安全隱患，低成本，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，大大降低煤礦企業(yè)的安全成本和人力成本。光纖光柵傳感器在煤礦中的測(cè)溫、壓力、應(yīng)力等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

一、光纖光柵傳感器的結(jié)構(gòu)原理

光纖光柵傳感器的原理，簡(jiǎn)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(dāng)遇到光纖的光柵時(shí)，由于光柵能夠改變特定波長(zhǎng)光的傳輸方向，使其特定波長(zhǎng)的光波發(fā)射回去，而其他波長(zhǎng)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(jù)光纖耦合模理論，當(dāng)寬帶光在布拉格光柵中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生模式耦合，滿足條件的光會(huì)被反射，光纖光柵的反射光的中心波長(zhǎng)λB由下式?jīng)Q定：

λB=2nΛ

式中，n為光纖芯模有效折射率，Λ為光柵周期。當(dāng)光纖光柵傳感器的外圍物理量如溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等發(fā)生改變時(shí)，式中的Λ或者n將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致反射光的波長(zhǎng)λB發(fā)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(zhǎng)的變化量如下公式：ΔλB=2Λ×Δn+2n×ΔΛ。

通過測(cè)量反射光中心波長(zhǎng)的變化量，就可以獲得待測(cè)物理量的變化量。應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等會(huì)引起布拉格光柵反射光中心波長(zhǎng)的變化，其根本原因是應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等引起了布拉格光柵周期的變化和彈光效應(yīng)的改變引起的。

二、分布式光纖光柵傳感器系統(tǒng)的性能特征

目前的電傳感器都是多點(diǎn)、分布式布置，在多點(diǎn)、分布式布置上光纖光柵傳感器具有非常大的優(yōu)勢(shì)。分布式光纖光柵傳感器主要利用分復(fù)用(WMD)、時(shí)分復(fù)用(TDM)、空分復(fù)用(SMD)及它們的組合復(fù)用技術(shù)。光纖光柵的復(fù)用技術(shù)使得多個(gè)光纖光柵傳感器共用一個(gè)光源和一個(gè)解調(diào)系統(tǒng)，它不但可以減少每個(gè)傳感器上花費(fèi)的成本，也可以大大減小整個(gè)傳感系統(tǒng)的體積。

光纖光柵調(diào)解器輸出一寬帶波長(zhǎng)光，經(jīng)光分路器到達(dá)光纖光柵傳感器陣列；反射光再經(jīng)分路器送至波長(zhǎng)可調(diào)諧濾波器。只有當(dāng)反射光波長(zhǎng)與可調(diào)諧濾波器的波長(zhǎng)相同時(shí)，才能通過濾波器被探測(cè)器接收。

三、光纖光柵傳感器在井下溫度測(cè)定中的功用

由煤炭自燃而引起的火災(zāi)，它經(jīng)常發(fā)生在采空區(qū)、停采線、斷層、煤柱等丟煤區(qū)，以及掘進(jìn)冒頂處或封閉不嚴(yán)的舊采區(qū)內(nèi)。火災(zāi)會(huì)產(chǎn)生大量的熱和一氧化碳，造成井下生產(chǎn)和人員安全隱患。

由井底車場(chǎng)、機(jī)電硐室、運(yùn)輸及回采巷道等機(jī)械、電氣設(shè)備比較集中，而且風(fēng)流比較暢通的地點(diǎn)引起的火災(zāi)，一般發(fā)生得比較突然，發(fā)展速度也快。一個(gè)小火源，稍有疏忽，火勢(shì)就可能蔓延擴(kuò)大到很大的范圍。如果發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，處理方法不當(dāng)，或是行動(dòng)措施不果斷，會(huì)給礦井帶來嚴(yán)重?fù)p失以至發(fā)生人身傷亡事故。

根據(jù)火災(zāi)引起的原因，在相應(yīng)的地點(diǎn)安裝光纖光柵溫度傳感器可以起到預(yù)防火災(zāi)的作用，把火災(zāi)消滅于萌芽狀態(tài)，把損失降到最低。傳統(tǒng)的電子溫度傳感器，在遍布全礦井測(cè)溫方面難顯優(yōu)勢(shì)。光纖光柵溫度傳感器在礦井測(cè)溫方面優(yōu)勢(shì)明顯：

黑龍江省七臺(tái)河市食品藥品監(jiān)督管理局深化機(jī)構(gòu)改革，落實(shí)“四有兩責(zé)”，不斷創(chuàng)新思路、強(qiáng)化措施，努力夯實(shí)食品藥品安全的根基，深化改革創(chuàng)新監(jiān)管方式。連續(xù)3年被省食品藥品監(jiān)管局和市委市政府評(píng)為目標(biāo)考評(píng)優(yōu)勝單位，2016年在全市“兩學(xué)一做”創(chuàng)環(huán)境大會(huì)上做了典型經(jīng)驗(yàn)介紹，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)在省政府大會(huì)上交流；黑龍江省新聞聯(lián)播節(jié)目組先后3次對(duì)該局 “百名干部走千家企業(yè)訪實(shí)事辦實(shí)事”活動(dòng)進(jìn)行專題報(bào)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(cè)量精度高：0.1℃～0.5℃；測(cè)量范圍寬：-100℃～+300℃；采樣速度快：100MHz。

3.分布式組網(wǎng)，成百上千個(gè)測(cè)點(diǎn)，具有無零點(diǎn)漂移、不受電磁干擾、耐腐蝕、抗沖擊振動(dòng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

4.光纖光柵溫度傳感器成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，降低了煤礦生產(chǎn)成本。

光纖光柵溫度傳感器完全滿足井下的要求，并優(yōu)于目前的有源溫度傳感器，可以對(duì)井下電纜、開關(guān)柜電氣節(jié)點(diǎn)、電纜接頭、采空區(qū)、皮帶通廊、井下煤倉(cāng)、地面煤倉(cāng)等敏感地點(diǎn)測(cè)溫，對(duì)全礦井易發(fā)生火災(zāi)的敏感地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

四、光纖光柵傳感器在頂板壓力測(cè)定中的應(yīng)用

近年來，因頂板事故引起的死亡人數(shù)占礦山總死亡人數(shù)的30％以上，而且占有比例有逐年遞增的趨勢(shì)。為此，各煤礦對(duì)煤礦頂板淺層和深層的在線監(jiān)測(cè)、對(duì)錨桿錨索的壓力監(jiān)測(cè)、對(duì)液壓支架的壓力監(jiān)測(cè)變的越來越重要。傳統(tǒng)的電傳感器易受溫度、濕度、電磁場(chǎng)等外圍環(huán)境的干擾。光纖光柵傳感器在煤礦動(dòng)態(tài)壓力監(jiān)測(cè)方面有非常大的優(yōu)勢(shì)。

光纖光柵懸臂梁位移傳感器測(cè)量范圍可以達(dá)到400mm，測(cè)量精度可以達(dá)到1mm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本低廉。不受外圍環(huán)境的影響，無零點(diǎn)漂移。光纖光柵懸臂梁位移傳感器的分布式系統(tǒng)要優(yōu)于目前所有的電傳感的485、CAN等各種數(shù)據(jù)總線。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦頂板的淺層和深層離層的在線監(jiān)測(cè)，完全滿足煤礦安全生產(chǎn)的需求。

輪輻式光纖光柵壓力傳感器的測(cè)量范圍可以達(dá)到60MPa，測(cè)量精度達(dá)到0.1％～0.5％。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jiān)測(cè)，替代了電傳感器。

五、光纖光柵傳感器在實(shí)際應(yīng)用監(jiān)測(cè)中的優(yōu)點(diǎn)

1.光纖光柵傳感器質(zhì)量輕，體積小，便于分布式布置，一臺(tái)解調(diào)儀能夠解調(diào)成百上千個(gè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了與目前礦井物聯(lián)網(wǎng)無縫連接。

2.光纖光柵傳感器是無源器件，完全實(shí)現(xiàn)了井下安全防爆，即使在生產(chǎn)中發(fā)生傳感器破碎性損壞，也不會(huì)引發(fā)瓦斯、粉塵、火災(zāi)等事故。

3.可以實(shí)現(xiàn)全光測(cè)量及遠(yuǎn)距離測(cè)量，測(cè)量距離可達(dá)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(jì)，優(yōu)于目前的電傳輸。

4.系統(tǒng)的集成度高，可以把幾百個(gè)甚至上千個(gè)傳感器進(jìn)行融合傳輸，優(yōu)于目前井下的485、CAN等總線。

5.系統(tǒng)的巡檢時(shí)間短，故障率低。故障排除簡(jiǎn)單，便于維護(hù)。

6.光纖光柵傳感器不受電磁干擾，對(duì)環(huán)境的干擾不敏感，測(cè)量精度高，具有抵抗包括高溫在內(nèi)的惡劣環(huán)境及化學(xué)侵蝕的能力。

7.光纖光柵傳感器的制造成本遠(yuǎn)低于目前井下的電傳感器，降低了煤礦安全生產(chǎn)成本，維護(hù)簡(jiǎn)單，減輕了人力成本。

總結(jié)以上幾點(diǎn)，光纖光柵傳感器已經(jīng)在各個(gè)方面全面超過了傳統(tǒng)的電傳感器，光纖光柵傳感器在煤礦行業(yè)將得到廣泛的應(yīng)用，市場(chǎng)前景非常好。

（責(zé)任編輯：李元）

作者單位：（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）力建學(xué)院）