光纖傳感技術在煤礦機電設備安全狀態監測系統中的應用

＊高啟麗

（華陽集團壽陽開元礦業有限責任公司 山西 045000）

引言

基于光纖光柵傳感技術，在煤礦機械設備安全情況檢測系統中的潛在運用開展了討論，多個根據光纖光柵測量點的感應串連成一個感測網絡，并對機械設備構造開展準分布式檢驗，有效檢測機械設備應力應變轉變狀況，為及時點評煤礦機電工程安全情況與運作情況提供依據，保證煤礦設備的安全運作。

1.光纖感應器

光纖不僅擁有傳送光波內的信息的作用，另外，光纖內部的光波的特征參數（比如震幅、相位差、頻率等）能夠搜集到外部的干擾信息（比如溫度、壓力、磁場等），這種干擾信息很有可能會造成一些變化。隨后利用光纖內部光波的各種特征參數的轉變，來檢驗外部的環境變化。

(1)單點式光纖光柵感應器

單點式光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，根據紫外線曝光的方式將入射相關場樣圖載入纖芯，在纖芯內造成沿纖芯徑向的折光率規律性轉變的相位差光柵，當光纖光柵所處環境的溫度、應力、應變或別的變量產生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將產生變化，進而使反射光的波長產生變化，波長與特測應變或溫度為一一對應關系。根據測量結構物形變前后反射光的波長的轉變。就可以得到相匹配應變或溫度的轉變。光纖光柵類感應器包括兩個光纖光柵，并對稱置放或在其中一個懸空置放以完成溫度補償。

(2)分布式光纖感應器

分布式系統光纖感應器基干布里淵散射工作原理。解調設備在光纖兩邊引入泵浦光和持續檢測光。當兩束光頻率差相當于光纖某點的布里淵頻移時，弱的持續光信號將被強的單脈沖液壓柱塞泵光放大。使解調信號擴大，解調敏感度提高。當光纖某點產生應變或溫度轉變時，布里淵頻移會產生相對應轉變，頻移轉變與應變或溫度轉變為一一對應關系。

2.光纖傳感器技術原理剖析

（1）光纖傳感器技術原理歸類。一般狀況下，煤礦安全檢測中常用的光纖傳感技術原理關鍵有下列幾類：

根據光纖光柵的物理量檢測原理。這類檢測原理與方式一般被運用在光纖光柵的溫度、壓力及其震動等有關的感應器之中；

根據拉曼散射的分布式系統溫度檢測原理。該原理關鍵用以溫度檢測，比如光纖空區的溫度檢測，或是皮帶機的溫度檢測系統；

根據可調諧激光光譜吸收的氣體檢測原理。該原理一般都是作為各種氣體的檢測，比如檢測光纖/激光的一氧化碳、二氧化碳等各種氣體檢測，常見于關鍵工作區的氣體參數的實時監測。

（2）根據光纖光柵的精確測量檢測原理。光纖光柵，事實上便是對光纖自身做微處理。為了更好的便于理解，我們可以舉例：假定在一段有限長度的光纖內部刻上一定數的鏡子，而刻刀便是紫外線。光纖上的鏡子具備反射光纖的作用，但并不是全部的鏡子都具備光纖反射作用，它是有選擇性的反射的。這主要是因為每一個光纖光柵所反射的光是由特殊的光波限定的，并非是全部波長的光它都能反射。而這一能夠被反射的光波長，被稱作Bra波長，也正由于這般，光纖光柵也被稱作Bragg光纖（FBG）。

根據拉伸、壓縮光纖光柵或是更改溫度能夠更改光纖光柵的周期和有效折射率neff，進而更改其反射光波長入B。光纖光柵中心波長的變化量和應變、溫度的變化量成線性相關。依據這類特點，可將光纖光柵制做成應變感應器、溫度感應器、壓力傳感器、加速度感應器、位移傳感器等。

光纖光柵感測器系統由光纖光柵信號處理器和光纖光柵感應器構成，如圖1所顯示。光纖光柵信號轉換器即時采集各光纖光柵感應器的波長值，當某一感應器光波長產生變化時，信號處理器根據光柵傳感器波長的變化量計算出相對應物理量（溫度、應力等）的更改，進而實現標量感測器檢驗的目的。

圖1

3.光纖光柵傳感技術優點

根據布拉格光纖光柵（FBG）的傳感器相對性于傳統式的電子傳感技術具備許多優點，主要表現在：

由于微課程需要在手機中運行，因此設計微信微課程時應該充分考慮智能手機的性能，學習者善于接受的學習方式等特點，基本的設計原則有以下幾點：

（1）適用于苛刻環境。FBG傳感器完全無源，沒有應用任何電子元件，因而能夠工作在低溫及幾百度的極端溫度下，并可在電子感應器及儀表沒法運作的地區長期運作。此外，因為無源，因此FBG傳感器是本質安全防爆的，可工作于各種危險易燃易爆環境下。

（2）抗電磁信號。FBG傳感器無源特點的另一個益處是不受靜電、電磁及無線通信頻率源的影響，能夠安裝在電廠、礦井等具有比較嚴重電子干擾源的場地。

（3）傳送距離遠。因為光纖光柵本質是光纖的一部分，而光纖是效率非常高的信號傳送載體，因此，在無需任何中繼的狀況下，光纖光柵傳感器的檢測間距可以達到10km。這類遠距離傳送能夠非常好處理地感應器現場數據信號的傳送問題。

（4）長期穩定性。FBG感應器針對實時監控具備長期穩定性。FBG感應器具備零漂移的特點，能夠應用好多年而不用再次校準，維護成本較低。

（5）系統容積大。一條光纖能夠串行通信接站許多FBG感應器，而一臺多路解調機器設備又可另外解調幾十乃至上百條光纖，單套設備可另外檢測數千個測量點。與傳統式的電傳感器技術對比，系統成本低，高性價比。

4.光纖在煤礦機械設備安全化檢測系統中的應用

（1）系統配備及數據信號收集。利用放大自發輻射燈源（即ASE燈源）發送出一束光信號，該信號第一階段便會通過光纖環形器，在這個階段，光信號會先進到光纖震動傳感器之中，光纖震動傳感器里邊的光纖光柵接收到光信號后，會對反射光信號做選擇性的反射，而且總是反射特定光波長的光信號。在光纖震動傳感器之中，因感應器自身的震動功效，便會使感應器內部的光纖接受到相對應的力的作用。這一力大小不一樣，會影響光纖光柵的形狀，即會造成不一樣水平的反映和變形，如此一來，便會造成反射光信號的波長轉變。最終，經過光纖光柵震動傳感器反射后的光信號會再度根據光纖環形器進到光纖解調機器設備之中，解調機器設備會對其開展剖析與解決，最后檢測的震動數據信息會在計算機中表示出來。

（2）煤礦光纖汽體檢測技術。光纖汽體傳感器技術用于檢驗有害物質早已進行了具體運用，它是一種綜合了光譜分析技術性和光纖檢測技術的方式：以氣體物理學和化學特點有關的光學現象或特點為理論基礎，利用光纖本身做為感測器元器件或是附于光纖某類材料或構造做為傳感物質。將被測環境所想測的氣體數據信號利用光纖傳送到相對應的信號分析模塊，進而得到接口測試的氣體濃度值。礦井光纖汽體檢測技術關鍵被運用于開采工作面、梁空區、總送風巷等關鍵地點的瓦斯氣體濃度值檢驗。

（3）實際意義。光纖傳感技術是一種較為新的技術，具有各式各樣的優勢，在煤礦機電設備安全性情況檢測系統中具備廣闊的發展前景。光纖光柵的數據信號收集能力十分強，能夠在煤礦的機電設備安全情況監測系統中捕獲微小的轉變，為安全性檢測提供強有力的基礎。根據光纖傳感技術的幫助，大家可以在煤礦機電設備的安全情況檢驗之中提高工作效能，減少安全生產事故的發生率。可是光纖傳感技術性在對傳送間距層面要求較高，另外規定系統的穩定性要高，對光錐的維護規定也十分高，因此在將來的工作上還必須不斷推進研究。

5.結語

光纖傳感技術的獨特優點，決定了其在各種安全檢測及工程測量行業擁有寬闊的應用前景。可是該技術性現階段并未發展完善，還必須持續的實踐、改善，以做到更精湛的技術水準，為煤礦公司的安全發展保駕護航。