光纖光柵溫度監測系統在礦井下的應用

韓超仲 周海燕 種越 謝慶博

摘要：針對一些特殊領域的探測和安全問題，隨著未知領域各方面環境越來越復雜多樣，對未知領域溫度監測要求越來越高。在礦井下的特殊環境下，對井下溫度的實時準確監測有著舉足輕重的作用。傳統的溫度監測一般是采用電學溫度傳感器，無法滿足對礦井下溫度監測高精度的要求，因此，光纖傳感技術無疑有最具前景的應用平臺。光纖傳感器擁有型變性較好，耐受能力更強等更多諸多優點更適用于礦井下環境，因此，本文設計了光纖光柵溫度監測系統，能長期有效實時高精度監測礦井下溫度監測。

關鍵詞：溫度監測;布拉格光柵（FBG）;安全

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）36-0254-02

1概述

近幾年，國民經濟持續穩定的快速增長，國家對能源的需求也迅猛增加，雖然近幾年新型能源的開發與應用不斷增加，但依舊缺少不了以常規能源煤炭作為的燃料，它在能源生產消費中依舊占據半壁江山。雖然國家在前幾年取消了私人煤礦的開采權，在很大程度上降低了井下人員傷亡事件的發生，但并未杜絕;據統計，僅2019年上半年，全國煤礦企業就發生煤礦災害事故67起，共死亡礦井工人108位，其中瓦斯事故占煤礦災害總事故的20%。瓦斯事故的發生，是由于井下大量機械化設備和傳輸、通信電纜的敷設，若其產生故障會導致局部受熱，溫度上升;在對煤礦和含炭質頁巖的非煤礦床進行開采時，會從礦層裂縫中噴涌出大量危險的爆炸性氣體，這些氣體在遇到明火或者達到一定溫度下，會產生爆炸，對工人生命造成威脅。并且煤礦在開采時采空區會存在大量遺留的浮煤，會有燃燒的危險，造成事故的發生。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人體熱平衡的穩定，確保工人的勞動生產率，降低工傷事故的發生概率。因此對井下進行溫度變化的在線監測是非常有必要的。

2系統原理

光纖光柵在光導纖維傳感領域有著舉足輕重的地位。高溫、光熱、應力引起的形變，磁場造成的Faraday effect和有效折射率的變化是光纖光柵的傳感機制。當環境溫度、磁場場強、溶液濃度改變時，或者光纖光柵本身的應力變化，光纖光柵原本的參數會發生改變，便可通過對光纖光柵的共振波長或對共振波長處的透射功率測量，最終便能得到所需的傳感信息。

光纖測溫技術能夠做到對環境溫度和設備的多點在線實時監測，實現測溫設備的系統化和一體化，系統通過測量設備上的實時數據和預設值進行比對，來防止因溫度過高而引起的事故發生，實現了對井下設備故障的及時檢測，保障了工人們的生命安全和企業的生產效率，防患于未然。光纖光柵測溫技術的極大優勢就是在源頭處如何對于礦井設備的工作狀態實時監測、數據處理與分析、故障預測與排查等問題進行了解決，為井下工作的順利進行，提供了強有力的保障。

光纖光柵溫度傳感器是此系統溫度測量的重要部分。依靠光纖內部的溫度敏感區，可以準確地監測到該點溫度的發生的改變。當光線通過光纖布拉格光柵時，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行數據處理，而其余波長的光因為不滿足條件，可以幾乎無損透過。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：

λB= 2neffA （1）

其中，λeff為導模的有效折射率，Λ為光纖光柵做簡諧運動的振動周期。

當光纖光柵只受應力的影響時，其折射率及周期會受其影響，發生改變，引起中心反射波長移動：

式中：△neff為折射率的變化，△Λ為光柵周期的變化

當光纖布拉格光柵不受應力作用時，由溫度變化從而引起的中心反射波長AB移動可表示為：

通過式（3）可得，△ΛB和△T呈線性相關，當測量光纖光柵反射波長的移動量△ΛB，便可求出環境溫度T，從而實現對溫度的測量。

為使最終測量結果精確，可以使用熱脹系數較大的基底材料，并將光纖光柵放置到其表面。假設基底材料的熱脹系數為asub，并且滿足asub》as，則粘貼后光纖光柵的反射波長隨溫度的變化關系由下式給出： 公式可簡化為：

但是在現實中，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系統設計

對于井下溫度的監測，我們需要考慮到以下幾個方面：

（1）煤礦動壓影響;

（2）復雜惡劣環境影響;

（3）遠距離;

（4）實現關鍵部位感知;

（5）在線監測;

（6）大容量。

數據采集與傳輸子系統是將傳感系統中采集到的數據向終端傳輸解析。

針對煤礦環境要求，數據采集需要多路數據多個參量測量，采集分析不同參數類型來分析不同井下環境，從而分析井下演變規律特征。這就要求系統需要同時布設多路多個傳感器，光纖光柵傳感網絡必須采取關鍵性技術實現多路多參量大容量的智能感知。

光纖光柵傳感技術優于傳統電測傳感技術的一個顯著特點就是其具有復用能力，采用FBG復用可以實現大容量、多參量監測，同時也為構建準分布式感知網絡成為可能。

FBG傳感特征參量均是以波長編碼的形式進行編碼存儲，這就方便實際工作中多個波長信息不同的FBG相互串接，能夠共用解調儀寬帶光源而避免波長之間的串擾，使FBG傳感在波分復用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）方面非常容易實現且具有高的信噪比，這些優點使該技術在FBG傳感應用層面上成為最根本、最普遍的復用方法，WDM的基本原理如圖2所示。

在整個波分復用系統中，光波分復用器和解復用器是波分復用技術中的關鍵部件，它的性能優劣對整個系統的傳輸質量具有決定性影響。光波分復用器的誤差主要來源于接人損耗和由兩條信號線之間的耦合。波分復用系統的接人要求：及小損耗和小頻偏，不同信道間的串擾要小。如果信道間的隔離度大，那么不同頻率信號間的影響就小。

4結束語

光纖光柵技術相比于傳統傳感器更具優勢，光纖溫度監測系統通過光纖傳輸數據，快速并且傳播距離長，成本也相對較低，更適用于極端環境，比如煤礦井下環境。傳感器是不帶電的光學無源器件，更容易實現長期有效的溫度在線監測。

光纖光柵溫度監測系統可以通過軟件對數據的存儲、查找和對比。當設備溫度高于設定值時，終端發出報警，從而能夠及時對監測設備進行維護，避免因高溫而造成瓦斯爆炸、設備故障等井下事故的發生，對礦井產業具有巨大的經濟效益和社會效益。

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【通聯編輯：梁書】

收稿日期：2019-10 -14

基金項目：國家大學生創新創業訓練計劃立項項目（201610595012）;國家大學生創新創業訓練計劃立項項目（201910595023）

作者簡介：韓超仲，男，桂林電子科技大學本科生在讀學生。