光纤压力传感器在煤矿中的应用研究_戴峻
光纤传感技术在井下环境监测中的应用研究
光纤传感技术在井下环境监测中的应用研究一、引言井下环境监测是矿山安全生产的重要环节。
为了保证矿工的生命安全和减少事故发生的可能性，需要对井下环境进行可靠、长期、实时的监测和预警。
而目前广泛应用的传感器存在易损坏、工作不稳定等问题，因此需要更稳定可靠的技术来进行井下环境监测。
光纤传感技术由于其高灵敏度、低损耗、广域带、大动态范围等特点，在井下环境监测中具有很大的应用潜力。
二、光纤传感技术的原理光纤传感技术是利用光纤中传播光的特点进行测量和监测的一种技术。
光纤传感技术的测量原理与常规传感器有所不同，其基本原理是将待测物理量转换为影响由光纤传递的光信号强度或相位等，通过测量这些信号的变化来获得待测物理量的信息。
光纤传感技术主要分为两类：基于光纤弯曲的力传感和基于光纤光学特性的传感。
其中，基于光纤光学特性的传感技术又可分为基于光纤布拉格光栅的传感和基于光纤干涉的传感。
三、光纤传感技术在井下环境监测中的应用1.温度传感在矿山工作时，会遇到高温环境，短时间内无法适应极易引起中暑等疾病。
因此，井下环境的温度监测非常关键，但常规传感器容易受到辐射和电磁干扰等影响，导致精度下降。
光纤传感技术在井下温度监测中具有很大的优势。
通过基于光纤布拉格光栅的传感和基于热光效应的干涉传感技术，可以实现对井下温度的高精度测量。
2.应力/变形传感在井下作业过程中，可能会遇到地震、岩层移动等地质灾害，导致采煤空间的应力变化。
应力/变形传感技术可以实时监测井下的应力和变形状态，并可以为矿山安全生产提供有效保障。
光纤传感技术可以通过光纤弯曲力传感和基于光纤布拉格光栅的传感等技术实现对井下应力/变形的精确测量。
3.瓦斯浓度传感矿井中的瓦斯浓度是发生爆炸的主要原因之一，因此对矿井瓦斯浓度的精准监测和预警非常重要。
常用的瓦斯浓度传感器易受到湿度、灰尘等环境影响，同时也存在精度不高、易损坏等问题。
而基于光纤吸收光谱技术的瓦斯浓度传感技术可以实现对井下瓦斯浓度的低成本、高精度监测。
光纤传感技术在煤矿安全中的应用
光纤传感技术在煤矿安全中的应用随着科技的不断进步，煤矿行业也在不断发展。
然而，煤矿安全问题一直是业内关注的焦点之一。
为了保障煤矿生产的安全和高效，需要采用现代的技术手段，其中光纤传感技术就是其中之一。
光纤传感技术是一种新兴技术，在诸多领域得到广泛应用。
它通过对光纤几何形态、机械和其它物理特性变化的探测及监测，实现对各种物理量的测量和控制。
在煤矿领域，光纤传感技术的应用范围包括巷道支护、瓦斯探测、温度检测、地压变形检测等等。
在煤矿巷道支护方面，光纤传感技术可以实现对各种参数的实时监测，可以检测出巷道的变化、裂缝、泥水渗漏等问题，并进行及时修复。
通过对支护的稳定性和强度的检测，可以预测支护的寿命，保护矿工的安全。
煤矿中常见的一种危险物质是瓦斯，使用光纤传感技术可以实现对瓦斯的快速检测和报警。
通过在巷道内铺设光纤传感器，可以实时监测瓦斯的浓度，及时检测到瓦斯泄漏，避免因瓦斯爆炸造成的事故。
煤矿中的巷道也会受到温度的影响，为了保证矿井的正常运行，需要对煤巷的温度进行监测。
光纤传感技术可以通过在巷道内安装光纤温度传感器来实现温度的监测，早期发现异常的情况，采取及时的措施进行处理，保证了设备的正常运行。
除了以上提到的几种应用外，光纤传感技术还可以用于煤矿地压的监测。
煤矿地压是指煤矿开采过程中，由于矿体的掏空引起地层塌陷、沉降等现象。
地压变形往往是煤矿灾害的重要因素，对地压变形进行实时监测可以及时发现地压变形情况，并采取措施加以处理。
光纤传感技术可以通过安装不同类型的传感器来实现地压变形检测，帮助矿工采取及时有效的措施，保障矿工的工作安全。
总之，光纤传感技术在煤矿安全中发挥了重要作用。
其应用不仅可以实现对巷道支护、瓦斯探测、温度检测、地压变形检测等多种参数的实时监测，还可以帮助矿工预测矿井灾害隐患，及时发现和处理问题，提高煤矿的安全性和高效性。
在未来的发展中，光纤传感技术将会得到更广泛的应用，并成为煤矿安全监测和控制的重要手段。
光纤光栅传感技术在煤矿安全监测系统中的应用
光纤光栅传感技术在煤矿安全监测系统中的应用摘要：煤矿安全生产关系到人民群众的生命和财产安全。
通过利用光纤光栅传感技术对进行煤矿安全管理系统实时监测监控系统具有重要的意义。
本文详细探讨了光纤光栅传感技术在煤矿安全监测系统中的应用，旨在保证煤矿企业的安全办生产。
关键词：光纤光栅传感技术；煤矿；安全监测系统；应用对煤矿潜在的安全隐患进行监测是煤矿安全生产的重要保障手段。
目前我国煤矿安全监测仍是以传统电子、机械方式为主，部分甚至还是靠人工观测信号。
传统电子传感技术在煤矿应用中存在以下问题：① 分布式现场供电难，信号传输难，信号易受干扰；② 系统复杂，每个传感器都配置现场仪表，现场仪表种类繁多；③ 电子器件抗潮湿、腐蚀能力差，使用有效期短，维护费用较高。
基于光纤光栅原理制造的传感器通过测量光的波长来测量外界物理量，具有对恶劣环境适应性强、抗电磁干扰能力强、精度高、灵敏度高、易于传输、无源本质安全、准分布式测量等优点。
光纤光栅优越的内在特性使得传感器在煤矿井下的恶劣环境下能够稳定工作。
因此，将光纤光栅传感技术引入煤矿安全监测中具有重要的意义。
1光纤光栅传感技术概述光纤光栅传感系统使用光纤作为测量元件和信号传输介质，为提高光纤对温度、应力的敏感程度及准确定位能力，采用国际最先进的光纤局部加工技术，在普通单模光纤上制作一系列的温度敏感区——光纤光栅，这些敏感区可以精确、灵敏地探测到周围温度的细微变化，而光纤的其他部分只是用于信号传输，对机械应力和环境干扰不敏感，从而保证整个光纤光栅传感系统的高灵敏性和可靠性。
光纤光栅传感系统主要由光纤光栅温度传感器、应变传感器、位移传感器、压力传感器（渗压计、土压计）、光纤传感分析仪以及信号传输光缆等几部分组成。
其基本原理是利用光纤光栅传感器内部敏感元件——光纤光栅反射的光学频谱对温度和应力变形的敏感特性，通过光纤光栅传感网络分析仪内部各功能模块完成对光纤光栅传感器的输入光源激励/输出光学频谱分析和物理量换算，以数字方式给出各监测点的物理量测量值，并根据预先设定的数据采集、存储、处理机制和通信程式把信息汇集到桥梁、隧道、水利、石化、电力管理系统。
分布式光纤传感技术在煤矿井下的应用
分布式光纤传感技术在煤矿井下的应用摘要：目前，在分布式光纤传感技术的应用方面出现了一些问题，尤其是在煤矿井下的应用关乎着矿工的生命安全，必须要进行相应的完善调整。
鉴于此，本文将主要围绕分布式光纤传感技术在煤矿井下的应用为中心展开论述，并结合实际的情况给出一些合理化的建议。
关键词：分布式；光纤传感技术；煤矿井下引言：目前，分布式光纤传感技术能够通过光波的衍射和分散原理进行外界环境的有效探测，从而对于煤矿井下的物理环境和化学环境进行有效的感知，并建立相应的人员定位和信息通信通道，从而能够有效地促进煤矿井下安全生产的进行。
鉴于此，对于分布式光纤传感技术在煤矿井下的应用研究就显得至关重要，应该引起有关人员的高度重视。
一、分布式光纤传感技术的概念阐述分布式光纤传感技术，具体是指利用光纤本身做传感器，即光纤本身不仅负责传导信息，同时也要负责感知信息，由于光纤本身不带电，要做到连续分布式的光纤传感，就要利用光纤的散射效应，即外界环境所产生的脉冲信号注入光纤的时候，由于光纤内部存在各种各样的缺陷以及杂质，或者说光纤由于脉冲信号的作用发生了特性的改变，会对于射入的脉冲光进行相应的散射。
分布式光纤传感技术能够有效地收集到产生的相应散射光，从而分析其产生散射光的性质变化，有利于研究人员判断光纤所受的外界作用。
二、分布式光纤传感技术在煤矿井下应用的原理意义分析由于不同性质的散射光，其对应的外界影响是不一样的，例如温度、压力等方面的改变均会产生不同性质的散射光。
鉴于此，技术人员通过时域分析和时域定位的方法，即利用光纤中光传输的时间乘以速度，可以得到从定点到发生散射点的距离，从而知道散射点的位置，即分布式光纤传感技术的原理是由于光纤对不同脉冲所产生的散射光不同，从而据此进行推理分析的过程。
据此特点，利用此技术能够在地面上精确地判断井下人员的流动情况，及时地进行人员的定位，确保人员的安全。
同时也可以对于井下环境进行有效的监测，保证生产环境的安全性。
煤矿机电设备监测中光纤传感器的应用
煤矿机电设备监测中光纤传感器的应用【摘要】瓦斯、屋顶、冲击地压、采空区自然发火、水灾和机电设备作业隐患是我国煤矿安全生产的主要灾害。
随着煤矿机械化和自动化程度的逐步提高，机电设备运行故障引起的火灾等次生灾害的增加趋势也非常明显。
因此，在线监控设备的运行状态是非常必要的。
目前，煤矿重大灾害监测预警技术水平与安全生产要求仍存在较大差距，主要体现在检测技术落后、传感器可靠性差、维护工作量大、监测系统信号采集传输线路电磁场干扰严重。
本文主要概述了光纤传感监测原理，对煤矿机电设备监测系统中光纤传感器进行设计，并分析了煤矿机电设备监测中光纤传感器运行情况。
关键词：煤矿机电；光纤传感；光纤光栅引言煤矿机电设备主要包括提升机、压风机、采掘设备、支护设备、运输、供电、安全监控设备、瓦斯抽放设备。
目前，在国内外煤矿机电设备状态监测和故障诊断技术研究的基础上，提出为机电设备提供了许多新的检测方法和监测设备，特别是振动信号的检测、处理和分析。
理论基础已经基本成熟，诊断结果的准确性也越来越高。
振动是反映机电设备运行状态的最重要的参数，它可以在最短的时间内直接反映机电设备的运行状态。
据统计，70%以上的设备运行故障表现为振动，这是机电设备运行状态特性的基本反映。
机电设备的温度是另一个特征，机电设备的温度可能过高，这可能会导致机电设备的电路、电缆接头、电缆和零部件着火。
在这个阶段，大部分煤矿企业仍在对设备监测状态进行人工检查和定期检查。
从设备维修的角度看，“事后维修”与“定期维修”不能满足当前的需求，容易导致“维修不足”或“过度维修”；“事后维修”的原因一般由技术维修人员根据维修经验判断。
然而，随着煤矿机电设备的日益复杂，机电设备的故障难以准确判断。
目前的生产形式不利于煤矿的安全、高效、高产的生产，因此，有必要实现“状态维修”。
光纤传感器由于其抗电磁干扰、尺寸小、灵敏度高、网络方便、传输距离长、固有安全等独特优势，受到越来越多的关注。
光纤传感技术在矿山安全监测中的应用
光纤传感技术在矿山安全监测中的应用引言光纤传感技术是一种新兴的监测技术，在矿山安全监测中具有广泛的应用前景。
随着矿场规模的不断扩大和深部开采难度的增加，以往传统的监测手段已逐渐不能适应矿山的实际需求。
然而，光纤传感技术的出现带来了新的监测思路和技术手段，不仅可以实现矿山监测的精细化、智能化，同时也能有效地提高矿山的安全监测效率和质量。
因此，本文将重点讲述光纤传感技术在矿山安全监测中的应用。
一、光纤传感技术的基本原理光纤传感技术是一种基于光纤的高精度传感技术，其工作原理是通过光纤中光的传输和反射，实现对矿山温度、应变、光学和声学等物理量的测量。
光纤传感技术的传感基元主要有两种类型：基于强光学效应的传感器和基于弱光学效应的传感器。
其中，基于强光学效应的传感器主要有布里渊散射光纤传感器和拉曼光纤传感器。
而基于弱光学效应的传感器则包括短段光纤传感器、光纤微中空腔传感器以及光纤光栅传感器等。
二、光纤传感技术在矿山安全监测中的应用（一）温度监测矿山深部地温高、变化异常，是矿井安全稳定的一个重要指标。
目前，传统的温度测量手段主要有热电偶、热电阻和红外传感器等，但由于这些传感器的监测精度和响应速度等方面均存在较大问题，因此，这些传感器并不能很好地满足矿山监测的统计和预测需求。
基于光纤布里渊散射原理的传感技术已被广泛应用于矿山的深部地温监测中。
该技术可以将光纤布里渊散射信号转化为温度参数，以此实现对矿山深部温度的实时监测。
与传统的测量方式相比，光纤传感技术具有高稳定性、高带通滤波特性和高精度的优势，能够在实时监测矿山温度变化的同时，得出相应的温度预报，有效的提高了矿山的安全监测能力。
（二）应变监测应变监测主要是针对矿山岩体内部的应变情况进行测量。
应变传感器是众多矿山监测传感器中最常见的一类，其常用的测量技术包括电阻应变传感器、应变片传感器、弹性光纤传感器等。
其中，弹性光纤传感器是一种结构简单、响应速度快、分辨率高的光纤传感器。
光纤光栅传感器在煤矿巷道实时监测系统的研究
力 状 况 等 直 接 影 响 巷 道 安 全 的 因素 监 测 仍 采 用 传统 的 、常 规 的 、机械 或 电感 式 的 方 法 ，大 部分 甚至 还 有 靠 人 工 观测 ，不 能 实 现 实 时 自动 监测 及数 据 传 输 ，不 能 实现 对 巷 道 围岩 压 力 、
的煤 矿 巷 道顶 板 支 护安 全 监 测 系统 的 实现 方 法 和 系统 构 成 。
［ 关键词】 光纤光栅
煤矿安全
安全监测
１ 引 言
煤 矿 巷 道 支 护 与 顶 板 管 理 是 煤 炭 安 全 生 产 中极 为 重 要环 节 ，而 煤 矿 顶 板 事故 又 是 矿 井
反射 式 无 源 敏 感元 件 ，通 过 光栅 反 射 波长 的变 化 来 感 知 环 境 的应 力或 者 温 度 的变 化 。光 纤 光 栅 具 有 抗 电磁 干扰 、无 源 本 质安 全 、远 距离 传
２ Ｂ ＝ ２ ｎ ｅ ｚ人
板 事 故 已经 成 为 影 响煤 矿 安 全 生 产 的 重大 事 故 源 。煤矿安 全 形势 依然 严峻 。
２ ０ 世纪 ９ ０ 年 代 以 来 ，我 国煤 矿 巷 道 以 锚
杆 支 护 为 核 心 的 支 护 方法 取 得 了跨越 式 发 展 ， 极 大 地 改 善 了巷 道 顶板 的安 全 状 况 。但 是 巷道 顶 板 事 故 仍 然 威 胁 煤矿 的安 全 生 产 和矿 工 的生
量 光 的 波 长 来 测 量 外 界 物 理 量 的 ，具 有 不 怕
恶 劣 环 境 、抗 电 磁 干 扰 、 易 于 传 输 、无 源 本
质安 全 、 分 布 式 测 量 等 优 点 。 光 纤 光 栅 示 意
光纤传感技术在能源生产中的应用
光纤传感技术在能源生产中的应用随着能源的日益紧缺和环境污染问题的日益突出，能源生产的安全和环保问题成为了人们关注的焦点。
为了更好地保障能源生产过程中的安全和环保，光纤传感技术成为了一种高效的解决方案。
本文将介绍光纤传感技术在能源生产中的应用，分别从煤矿安全监测、油气生产监测、输电线路监测、太阳能发电监测等方面进行阐述。
一、煤矿安全监测煤矿作为我国主要的能源供应渠道之一，其安全问题一直备受人们关注。
而利用光纤传感技术进行煤矿安全监测，可以极大程度上提高煤矿的安全性。
一方面，光纤传感技术可以实时监测煤矿内部的温度、湿度、氧气浓度等情况，及时发现异常情况，避免煤矿火灾等事故的发生。
另一方面，光纤传感技术还可以监测煤矿内部的压力变化、地质变形等情况，从而提高对矿井内部的掌控能力，最大程度地保障矿工的生命安全。
二、油气生产监测随着我国石油开采的逐渐深入，油气生产中出现的安全问题也日益突出。
利用光纤传感技术可以对油气生产中的各个环节进行监测，从而确保安全和环保。
比如，在油井的生产过程中，可以利用光纤传感技术实时监测井筒的温度、压力等参数，及时发现井筒的变化趋势，避免油井事故的发生。
又比如，在油气储运过程中，可以利用光纤传感技术对输油管道进行实时监测，及时发现管道的漏油、腐蚀等情况，从而保障油气运输的安全。
三、输电线路监测电力是现代社会不可或缺的能源之一，而输电线路是电力传输的重要环节。
然而，输电线路存在的问题也日趋突出，比如线路的老化、地质灾害等都可能引发意外事故。
利用光纤传感技术，可以对输电线路进行全方位的监测，及时发现线路的问题。
利用光纤传感技术可以对输电线路的温度、变形等情况进行实时监测，及时发现线路存在的问题，提高对输电线路的监测能力，保障电力的稳定供应。
四、太阳能发电监测太阳能作为一种无污染的新能源，被广泛应用于现代社会，但是在太阳能发电过程中也存在一些问题，比如功率变化、温度的变化等。
利用光纤传感技术可以对太阳能电池板的功率输出、温度等情况进行实时监测，及时发现太阳能电池板存在的问题，提高太阳能发电的效率。
新型光纤电流传感器在煤矿中的应用研究
图 ２光路 信号检测 电路
Ｎ
Ｎ
Ｉ＝ １∑ ，∑ ） ２ ２（ ＋ ＋
ｎ ｌ ＝ ｎ ＝ｌ
‘’
外接 电阻 Ｒ
式 中，
一 偏振光 的旋 转角度 ； ， 第 ｎ 个 随 温 度 变 化 的 线 性 双 折 射 引 起 的 一
Ｆ ｒｄｙ旋 转 角 的 变 化 量 ； ａａａ
件） 中通过 ，测量其 偏振 面 由于 电流产 生的磁场 作用而 导致线 性偏振 光旋转 角度（ 拉第旋 转角） 法 的不 同， 利用 法拉 第旋转 角和 电流 之 间的关系 间接来确 定被测 电流 的大小 。本文 主要讨 论传感头 与信 号检测 处理
系统 的设计 。 １ 、传 感 头 设 计 传 感 头 是 光 纤 电流 传 感 器 最 为 重 要 和 关 键 的部 件 。 系 统 传 感 头 材 料 为】 原
李 静
一
、
引 言
随着现代 电力系统 的发展 ，传统 的电磁感应铁 芯式 电流 互感器（ ｕｒｎ ｒｎｄ ｃｒＣ ）因其机理 而呈 Ｃ ｒ ｔ ａ ｓｕ ｅ， Ｔ ｅ Ｔ
现 出 自身 不 可 克 服 的 难 题 。尤 其 是 在 煤 矿 井 下 ， 统 Ｃ 在 大 电流 测 量 中， 传 Ｔ 因供 电 线 路 长 ，电 磁 环 境 干 扰 强 ，
静 魏熬 《
箍 巍 《ｅ器玺 ◇瓣 ｉ ｌ
分离 出直 流信 号和交 流信 号 ，再通 过 除法器 把交 直流 信
号 相 除 得 到 与 光 强 变 化 无 关 的 量Ｊ和 ， 经 过 Ａ／ 换 后 ， Ｉ Ｄ转
除 法
器
送 入 ＤＳ 处 理 【 Ｐ 。
Ｎ Ｎ
Ｉ＝ａ１∑ 一 。２（ ｔ一 ∑ ）
光纤传感技术在煤矿安全监测中的应用研究
光纤传感技术在煤矿安全监测中的应用研究随着社会的发展和工业化进程的加快，煤矿作为重要的能源资源供应渠道，发挥着重要而不可替代的作用。
然而，煤矿生产过程中存在着一定的安全隐患，因此对煤矿安全监测进行研究与改进成为公众关注和相关研究人员的重要任务之一。
在过去的几十年里，我国煤矿行业发生了诸多的事故，给生产安全带来了巨大的威胁。
为了提高煤矿生产作业的安全性和安全监测的准确性，光纤传感技术被广泛应用于煤矿安全监测系统中，并取得了显著的成果。
光纤传感技术是一种基于光纤的传感器技术，通过光学原理，利用光纤的光学特性进行测量和监测。
它具有灵敏度高、抗干扰性强、体积小、重量轻等优点，适用于复杂环境下的实时监测和测量。
光纤传感技术在煤矿安全监测中主要应用于以下几个方面：1. 煤矿瓦斯浓度监测瓦斯是煤矿中常见的有害气体，具有可燃性和爆炸性。
利用光纤传感技术可以实时监测煤矿中的瓦斯浓度变化，提前发现瓦斯超标情况，及时采取措施保障矿工的生命安全。
2. 煤矿温度监测光纤传感技术可以实时监测煤矿中不同位置的温度变化。
在煤矿中，温度高涨可能导致火灾等事故的发生。
通过光纤传感技术，可以对煤矿各个区域的温度进行连续监测，及时发现异常，防止事故的发生。
3. 煤矿地质应力监测煤矿地质应力是造成煤矿岩层破裂和坍塌的主要原因之一。
光纤传感技术可以实时监测煤矿内部的地质应力变化，为煤矿安全生产提供重要信息。
4. 煤矿地表沉陷监测煤矿开采会引起地表沉陷，给周边环境和建筑物带来潜在的安全威胁。
光纤传感技术可以实时监测地表沉陷情况，帮助预测地表沉陷的范围和程度，为煤矿开采提供技术支持。
5. 煤矿综合监测系统光纤传感技术还可以用于煤矿的综合监测系统中，实现对煤矿全过程的实时监测。
通过将光纤传感技术与其他传感器技术相结合，可以提高监测系统的准确度和可靠性，全面降低事故的发生概率。
在煤矿安全监测中，光纤传感技术的应用还有很大的发展空间。
随着科技的不断进步，光纤传感技术的灵敏度和精确度还将不断提高，进一步提高煤矿安全监测的效果和可靠性。
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感知 。 而压力 (应力 )在不同场合表示不同的物理
量 , 煤矿中很多和压力 (应力 )有关的参数都可由光
纤光栅传感器感知测量 。
3.1 矿用光纤称重传感器
光纤称 重 传感 器 在 国 内 的研 究 已 有 几 年时 间 [ 3, 4] 。 2009年 , 东北大学赵勇教授等人 [ 5] 基于光
纤在外界径向载荷作用下产生的双折射效应 , 建立
长信号为 λB, 它与光栅周期 Λ和纤芯的有效折射率
neff有关 , 所以光纤光栅反射光中心波长的变化反映
了外界被测信号的变化情况 , 只需要监测出光纤光 栅的反射波长就可以知道外界信号的变化 [ 2] 。
3 光纤光栅压力传感器在煤矿中的应用
压力 (应力 )是光纤光栅传感器的主要检测量
之一 , 压力 (应力 )的变化可被光纤光栅传感器直接
光纤传感是近几年发展起来的一项新型传感技 术 , 由于其具有本质安全 、耐腐蚀 、漂移小 、灵敏度 高 、使用寿命长并且便于与光纤环网通信系统融合 等一系列独特优势 , 已广泛应用于油井 、电力 、建筑 等高危行业 。 同时 , 光纤传感器也非常适用于煤矿 井下单点或多点多参数检测 , 是煤矿安全监控的理 想选择 。 笔者重点介绍几种煤矿中应用潜力非常巨 大的光纤压力传感器 , 旨在探索和挖掘光纤传感器 在煤矿行业中的潜在应用 。
戴 峻 赵华玮等 :光纤压力传感器在煤矿中的应用研究 2010年 7月第 7期
2 光纤传感器的基本原理 按照光纤在传感系统中的作用 , 光纤传感器可
以分为功能型和非功能型 。非功能型光纤传感器即 光纤只起传光作用 , 对外界信息的 “感觉 ”功能依靠 其他功能元件完成 。 功能型光纤传感器不仅起传光 作用 , 而且还能感知外部信息的变化 , 此类光纤传感 器又叫光纤 Bragg光栅 (FBG, FiberBraggGrating)传 感器 , 是光纤传感器的主要类型 。 图 1为光纤光栅 (FBG)的结构原理图 。
离开 , 进入功率探测器 (PD, PowerDetector), 就可以 实现简单的光纤光栅反射光谱的解调 。
图 2 FBG称重原理图 [ 5]
随着外界载荷的增加 , 两个反射波光功率的差 值变化见图 3。
图 1 光纤光栅的结构原理图
光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为 :
■λB λB
=(αf+ξ)■T+(1
参 考 文 献 :
[ 1] 煤矿安全政策 [ R] .2008中国煤炭工业发展研究报告 , 2008. [ 2] 赵 勇 .光纤光栅及其传感技术 [ M] .北京 :国防工业出版社 ,
2007. [ 3] 刘 柱 .基于光纤 光栅的 动态汽 车称重 系统研 究 [ D] .武汉 :
图 5 活塞位移和 FBG反射波谱宽的关系曲线 [ 6]
该光纤测压装置结构简单新颖 , 使用寿命长 , 而 且稍加改造就可测量其它应力参量 , 如将该装置活 塞的顶端用连杆和外界相连 , 即可方便测量外部微 位移 。 与此同时 , 因为温度影响的是光纤光栅的反 射波长 , 而对反射波谱宽并无影响 , 所以该装置从原 理上避免了光纤光栅传感中常出现 的交叉敏感问 题 , 提高了测量系统的稳定性 。 3.3 FBG锚杆应力传感器
关键词 :光纤传感 ;光纤布拉格光栅 ;煤炭安全 中图分类号 :TP212.9 文献标识码 :A 文章编号 :1674-6082(2010)07-0048-03
ApplicationStudyofOpticalFiberPressureSensorinCoalMine DaiJun1 ZhaoHuawei2 MiaoKebin2
此越发分离 。再通过保偏分束器将两个反射波峰分
图 3 光纤光栅两偏振波长差与载荷关系曲线 [ 5]
这种方法测量载荷的灵敏度可达 5kg, 将此传 感装置应用于煤矿安全生产中的煤车称重 , 其检测 灵敏度足够 。 该实验表明了光纤传感器在煤车称重 系统中应用的可行性 , 并且可以实现静态和动态的 双模式称重 。 该系统具有独特的优点 :光信号传感 、 测量速度快 、灵敏度高 、可实现动态测量 、便于与光 纤通信系统融合 、便于系统升级和扩展 。 3.2 矿用光纤液压传感器
了一套称重实验装置 , 并对其检测原理进行了详细
的分析 。图 2为其载荷称重试验装置图 。
没有施加载荷作用时 , 光谱仪接收到的光纤光
栅布拉格反射光谱具有单一的反射峰 ;当载荷增加
到一定程度时 , 在光谱仪中看到反射光谱逐渐变宽 、
幅值逐渐减小 , 直至出现两个峰值 , 随外界载荷的增
加 , 反射峰向波长方向移动 , 并伴随着两个反射峰彼
SerialNo.495 July.2 010
现 代 矿 业
MORDENMINING
总 第 495期 2010年 7月第 7期
光纤压力传感器在煤矿中的应用研究
戴 峻
(煤炭科学研究总院沈阳研究院
) (煤炭科学研赵究华总院玮矿 山苗安可全彬技术研究分院
)
摘 要 :针对目前煤矿安全监控系统中传感器存在的检测精度低 、稳定性差 、可靠性差和易受 电磁干扰等问题 , 将新颖的光纤传感技术应用于煤矿行业 。重点讨论了光纤压力传感技术在煤矿 中的几种应用方案 , 如煤车称重 、锚杆应力 、水位等压力应力检测等 。研究结果表明 , 光纤传感本质 安全 、耐腐蚀 、灵敏度高 、使用寿命长 , 非常适用于煤矿生产环境参数检测 , 为改进煤矿安全监控系 统提供了新颖的思路和切实可行的解决方案 。
目前所开发出的传感器已解决了煤矿安全生产 中的一些问题 , 但传统的传感技术越来越面临一些
戴 峻 (1968 -), 男 , 辽宁抚顺 人 , 高级 工程师 , 113001 辽 宁省 抚顺市 。
48
问题 , 例如 , 用于甲烷检测的热导及催化元件传感器 受到使用寿命和零点及灵敏度漂移的限制 , 不仅使 得传感器的标定和更换非常麻烦 , 而且变相地增加 了设备成本 。 同时 , 催化元件与热导元件极容易受 到环境因素的影响 , 如温度 、湿度 、风速等 , 其稳定性 和准确度也受到了挑战 。
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总第 495期 现代矿业 2010年 7月第 7期
栅 , 这就会导致 FBG反射波谱宽的增加 。图 5所示 为装置 中由 外界 压 力 (压 强 )引起 的活 塞位 移和 FBG反射波谱宽的关系曲线 , 而外界压力 (压强 )和 装置中活塞的位移具有线性关系 , 则 FBG反射波谱 宽和外界所施加的压力 (压强 )的关系也可用线性 表示 。
如果对光纤光栅轴向施加载荷 , 也可使光纤光 栅的反射波长产生漂移 , 进而测量压力 (应力 )。 如 图 4为光纤光栅测量液压 (或水位 )的传感单元装 置图 。
图 4 双拱型结构 FBG压力传感装置结构和外型图
结合以前的设计理念 [ 6] , 图 4 为用于测量压强 (水位 )新提出和设计的传感结构 。 当上部通道传 入压强时 , 此装置中部活塞向下运动 , 通过触点使得 双拱型悬臂梁发生形变 。此时粘贴在悬臂梁一侧的 FBG会受到径向应力的作用 。 通过有限元 分析悬 臂梁 的受力不均匀 , 从而 FBG变为了啁啾光 纤光
Keywords:Fibersensing;Fiberbragggrating;Coalminesafety
1 引 言 近些年中国煤炭行业迅猛发展 , 已成为世界产
煤第一大国 。我国大多煤矿开采条件复杂 , 其安全 问题逐渐成为制约煤炭行业可持续发展的重要因素 之一 , 行业内每年因瓦斯爆炸 、煤矿塌陷等意外造成 的生命和财产损失日益严峻 , 煤矿安全成为了国内 重大的社会和经济问 题[ 1] 。 鉴于国 内煤炭安全问 题频出 , 煤矿安全监控行业也逐渐被人们所重视 , 先 进而可靠的监控技术可以极大的提高和保障煤矿安 全生产能效 , 并且可以预测或预警事故的发生 。
(1.ShenyangBranchofChinaCoalResearchInstitute;2.MineSafetyTechnologyResearchBranch, ChinaCoal ResearchInstitute)
Abstract:Aimatthecurrentexistingproblemsofmineusedsensorsincoalminesafetymonitoring system, suchaslowaccuracy、 poorstability、 lowreliability、 easytobeelectromagneticinterferedandso on, anovelfiber-opticsensingtechnologyisproposedforcoalmineindustry.Severalkindsofapplicationprojectsoffiberpressuresensingtechnologyincoalmineareemphaticallydiscussed, suchaspressureandstresschecklikecoalminetrucksweighing, boltstress, waterlevelandsoon.Theresultsindicatethatduetointrinsicallysafe、 corrosionresistance、 highsensitivity、 longlife, thefibersensingis widelysuitablefortheenvironmentalparametersdetectionofcoalmineproduction, anditprovidestheinnovativeideaandpracticalsolutionforcoalminesafetymonitoringsystem.