專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦井報(bào)警系統(tǒng)，具體講是一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系 統(tǒng)，屬礦井報(bào)警技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
煤礦有兩種主要開(kāi)采方式.一種是地下開(kāi)采，一種是露天開(kāi)采。對(duì)于埋藏較深的 煤炭，一般采用地下開(kāi)采的方法，與露天開(kāi)采相比其開(kāi)采特殊的作業(yè)特點(diǎn)主要是作業(yè)環(huán)境 差，空間較??；地質(zhì)條件多變，經(jīng)常受到火、水、瓦斯、煤塵、頂板等災(zāi)害的威脅；生產(chǎn)工藝復(fù) 雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大等。我國(guó)是世界最大的產(chǎn)煤國(guó)，煤礦開(kāi)采大多屬于地下開(kāi)采，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年我國(guó)產(chǎn)煤 總量為十六億六千萬(wàn)噸，占全球的33. 2%，但是礦難死亡人數(shù)高達(dá)6027人，占全世界礦難 死亡總?cè)藬?shù)的80%，加重了我國(guó)在國(guó)際上的負(fù)面形象事故的發(fā)生是不可避免的，所以事故 的預(yù)測(cè)和發(fā)生事故后的應(yīng)急救援工作對(duì)于盡可能減少事故的發(fā)生和事故造成的人員傷亡 和財(cái)產(chǎn)損失極為重要。此前國(guó)內(nèi)遇到災(zāi)害發(fā)生只是憑經(jīng)驗(yàn)實(shí)施井下救援。近幾年，國(guó)內(nèi)也有很多的學(xué)者 和專(zhuān)家致力于應(yīng)急救援的研究。例如(1)煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)，煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急輔助決策 系統(tǒng)是以大量應(yīng)急信息為主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以應(yīng)急信息管理和災(zāi)害評(píng)估為主要功能。煤礦瓦 斯爆炸事故應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)選擇B/S模式，主要的命令執(zhí)行、數(shù)據(jù)計(jì)算都在服務(wù)器端完 成，應(yīng)用程序安裝在服務(wù)器端，客戶端不用安裝應(yīng)用程序，所有的日常操作可通過(guò)瀏覽器來(lái) 完成。系統(tǒng)由兩個(gè)主要功能模塊構(gòu)成，即應(yīng)急信息管理模塊和災(zāi)害評(píng)估模塊。該系統(tǒng)，對(duì)提 高煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援水平具有重要作用。采用計(jì)算機(jī)評(píng)估瓦斯爆炸事故，可以有 效避免指揮人員的錯(cuò)誤決策，使瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援決策科學(xué)化。通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)管理應(yīng) 急信息和評(píng)估事故災(zāi)害，可以大量減少應(yīng)急人員的勞動(dòng)量，有助于提高應(yīng)急救援的工作效 率。事故應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)能夠縮短事故應(yīng)急救援決策的響應(yīng)時(shí)間，提高事故應(yīng)急救援的 有效性和可靠性，能夠最大程度降低事故損失，從而使該系統(tǒng)具有廣闊的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。(2)我國(guó)已采用互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(WrebGIS)技術(shù)開(kāi)發(fā)出基于瀏覽器的數(shù)字地 圖搶險(xiǎn)救援預(yù)案編制技術(shù)。該項(xiàng)研究解決了網(wǎng)絡(luò)數(shù)字地圖制作難題，能夠直接在屏幕數(shù)字 電子地圖上編制生成搶險(xiǎn)救援圖層，救援圖層可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)搶險(xiǎn)救災(zāi)調(diào) 度圖形化管理，為建立網(wǎng)絡(luò)化搶險(xiǎn)救災(zāi)調(diào)度指揮系統(tǒng)提供了核心技術(shù)支持。目前國(guó)外的煤礦救援系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面1)含有通信模塊的救援頭罩包括呼吸裝置、防毒裝置和通信裝置。2)各種傳感器感知地震信號(hào)、火光報(bào)警、井下的溫度、濕度以及各種氣體的濃度 等，通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)傳給指揮中心。3)救援鉆探技術(shù)雙鉆頭作業(yè)，先打一個(gè)探測(cè)通道使得探測(cè)儀器和緊急救生物品 到達(dá)事故地層，再打一條救援通道，把受困礦工救出來(lái)。
4)井下避難所井下的堅(jiān)固防護(hù)區(qū)，離工人工作地點(diǎn)相距90 125碼，內(nèi)有緊急 救生物品和通信裝置。一旦發(fā)生事故，工人可躲避其中，等待救援。5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦安全工程中的發(fā)展與應(yīng)用。具體來(lái)說(shuō)，美國(guó)礦山井下救援 設(shè)備和技術(shù)有①快速部署系統(tǒng)例如，用于探測(cè)地下巖層運(yùn)動(dòng)的地震感測(cè)系統(tǒng)和用于探測(cè)井下 被困礦工發(fā)出的信號(hào)的電磁感測(cè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)有的采用了先進(jìn)科技，有的還處于研發(fā)階 段。②呼吸器美國(guó)礦山救護(hù)隊(duì)目前使用Draeger和Biomarine呼吸器。③自給式自救器按礦山安全健康局規(guī)定給礦工提供1小時(shí)的氧氣，供井下緊急 逃生之用。目前，自給式自救器依靠?jī)煞N技術(shù)，一種利用化學(xué)反應(yīng)制氧，另一種則使用壓縮氧氣。④通訊設(shè)備現(xiàn)有系統(tǒng)包括礦用手持無(wú)線報(bào)話機(jī)、采用細(xì)電纜傳導(dǎo)信號(hào)一的手持 無(wú)線報(bào)話機(jī)、傳呼機(jī)、聲能電話、泄漏饋線系統(tǒng)，以及利用井下已有電纜作為無(wú)線信號(hào)載體 的感應(yīng)耦合無(wú)線通訊系統(tǒng)等等。由作者何敏、吳煒、徐偉所寫(xiě)的“分子機(jī)器在礦井救援通信 應(yīng)用探討”一文[見(jiàn) < 科技信息 > 〇科教視野〇2007年第19期第31頁(yè)]公開(kāi)的技術(shù)即 屬于此列。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵傳感的礦 井報(bào)警系統(tǒng)，以準(zhǔn)確的得知被困礦井下工人的具體位置，并及時(shí)爭(zhēng)取救援時(shí)間。本發(fā)明的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系統(tǒng)，包括980nm泵浦源、WDM、鉺纖、隔離器、 1*2耦合器、光開(kāi)關(guān)、光纖光柵和波長(zhǎng)解調(diào)儀，其特征在于980nm泵浦源通過(guò)普通光纖連接 WDM的980nm輸入端，WDM的980nm和1550nm的混合輸出端連接鉺纖的輸入端，這樣980nm 的光就通過(guò)WDM和鉺纖輸出了 1550nm的光；鉺纖的輸出端連接隔離器的輸入端，隔離器的 輸出端經(jīng)普通光纖連接到1*2耦合器的輸入端，1*2耦合器的一個(gè)輸出端經(jīng)普通光纖連接 到光開(kāi)關(guān)；光開(kāi)關(guān)包括4-8個(gè)輸出端，其中每個(gè)輸出端連接18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵；1*2耦 合器的與輸入端同側(cè)的另一端經(jīng)普通光纖和波長(zhǎng)解調(diào)儀相連接，使得從鉺纖輸出的1550nm 的光經(jīng)隔離器、1*2耦合器和光開(kāi)關(guān)進(jìn)入每一路的18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵，又經(jīng)每一路串聯(lián) 的光纖光柵返回到光開(kāi)關(guān)和1*2耦合器，然后進(jìn)入波長(zhǎng)解調(diào)儀，由波長(zhǎng)解調(diào)儀對(duì)返回的光 信號(hào)進(jìn)行識(shí)別判斷。所述的光纖光柵是用具有彈性的銅片封裝的長(zhǎng)條形的銅片中間帶有溝槽，光纖 光柵平直的位于溝槽中并用M2Bond 610膠將其固定，封裝光纖光柵的銅片被置于塑料盒 內(nèi)，塑料盒上帶有按鈕，按鈕下面和銅片相貼合，按下按鈕時(shí)銅片連同光纖光柵就會(huì)發(fā)生應(yīng)變。上述每個(gè)光纖光柵都標(biāo)有號(hào)碼，并且每個(gè)光纖光柵都有自己確定的位置，各個(gè)光 纖光柵返回的光就通過(guò)光開(kāi)關(guān)和1*2耦合器進(jìn)入波長(zhǎng)解調(diào)儀并被記憶，光纖光柵發(fā)生應(yīng)變 可以改變反射的光的波長(zhǎng)，當(dāng)?shù)V井下工人按下銅片封裝的光纖光柵時(shí)，光纖光柵發(fā)生應(yīng)變， 發(fā)射的光的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變，發(fā)射的光通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)儀的處理，會(huì)引起報(bào)警，通過(guò)報(bào)警光纖光柵的序號(hào)，得出礦井下工人的報(bào)警位置。本發(fā)明氣體檢測(cè)系統(tǒng)在使用時(shí)，將各個(gè)用銅片封裝的光纖光柵放在確定位置，每 個(gè)光纖光柵預(yù)先標(biāo)上號(hào)碼，并要把位置和序號(hào)都記錄下來(lái)，以至于光纖光柵報(bào)警的時(shí)候能 及時(shí)知道它的確切位置，進(jìn)而確定礦工的位置，為救援爭(zhēng)取時(shí)間。礦工按下銅片時(shí)，由于光 纖光柵發(fā)生形變，其反射回來(lái)的光的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生改變，通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)器的處理，會(huì)發(fā)生報(bào) 警，根據(jù)光纖光柵的位置進(jìn)而確定礦工的位置，以進(jìn)行救援。上述波長(zhǎng)解調(diào)儀是通用的BaySpec解調(diào)儀。本發(fā)明的具體作用原理如下980泵浦源(1)發(fā)出980nm的光從WDM(2)的允許 980nm波段通過(guò)的一端進(jìn)入，從WDM(2)的允許980nm波段和1550nm波段通過(guò)的混合端輸 出，再經(jīng)過(guò)一段鉺纖(3)，從鉺纖(3)輸出的波長(zhǎng)變?yōu)?550nm，從鉺纖(3)輸出后進(jìn)入隔離 器(4)，隔離器(4)與1*2耦合器(5)的輸入端相連，1*2耦合器(5)的一個(gè)輸出端連接光 開(kāi)關(guān)(6)的輸入端，這樣光就通過(guò)隔離器(4)，1*2耦合器(5)和光開(kāi)關(guān)(6)后被分成多路， 每一路與18個(gè)串聯(lián)且安有銅片的光線光柵相連，1*2耦合器(5)的與輸入端同向的另一 端連接波長(zhǎng)解調(diào)儀(7)。Bragg光纖光柵(FBG)是最近幾年發(fā)展最為迅速的一種新型的光 纖無(wú)源器件，光纖光柵的反射或透射峰的波長(zhǎng)與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有 關(guān)，而外界溫度或應(yīng)變的變化會(huì)影響光纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯折射率，從而引起 光纖光柵的反射或透射峰波長(zhǎng)的變化。溫度和應(yīng)變是光纖光柵能夠直接傳感測(cè)量的兩個(gè)最 基本的物理量，它們構(gòu)成了其它各種物理量傳感的基礎(chǔ)，光纖光柵(FBG)是一種反射式光 纖濾波器件，通常采用紫外線干涉條紋照射一段10mm長(zhǎng)的裸光纖，在纖芯產(chǎn)生折射率周期 調(diào)制，在布拉格波長(zhǎng)上，在光波導(dǎo)內(nèi)傳播的前向?qū)?huì)耦合到后向放射模式，形成布拉格反 射。反射一個(gè)中心波長(zhǎng)與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光，對(duì)于特定的空間折射率調(diào)
制周期A和纖芯有效折射率nrff，布拉格波長(zhǎng)為、=2、A (1)A B為光柵的布拉格波長(zhǎng)，neff為光柵的有效折射率(折射率調(diào)制幅度大小的平均 效應(yīng))，A為光柵條紋周期(折射率調(diào)制的空間周期)。由式(1)可以看出nrff與A的改變均會(huì)引起反射光波長(zhǎng)的改變。而光纖光柵的 溫度和應(yīng)變會(huì)引起~ 與A的改變，礦井工人按下銅片，與銅片連接的光纖光柵會(huì)發(fā)生應(yīng) 變，會(huì)造成光纖光柵反射的波長(zhǎng)發(fā)生改變，反射的光經(jīng)過(guò)光開(kāi)關(guān)(6)和1*2耦合器(5)進(jìn)入 波長(zhǎng)解調(diào)儀(7)，通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)儀(7)的處理會(huì)引起報(bào)警，通過(guò)報(bào)警的光纖光柵的序號(hào)確定 光纖光柵的位置，進(jìn)而確定礦井工人的位置。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過(guò)光纖光柵進(jìn)行傳感，能抗輻射，抗腐蝕，不受 環(huán)境的影響，在高溫惡劣的環(huán)境也可以運(yùn)行，能方便的使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串 接多個(gè)光纖Bragg光柵，測(cè)量的點(diǎn)會(huì)比較多，傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，安裝起來(lái)比較方 便，精確度也比較高，比較靈敏，響應(yīng)時(shí)間比較短，能及時(shí)得到報(bào)警信號(hào)，爭(zhēng)取救援時(shí)間。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、980泵浦源，2、WDM，3、鉺纖，4、隔離器，5、1*2耦合器，6、光開(kāi)關(guān)，7、波長(zhǎng)解
調(diào)儀，8、普通光纖，9、普通光纖，10、普通光纖，11、普通光纖，12、光纖光柵。圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中光纖光柵的銅片封裝示意圖。
其中13、銅片，14、溝槽，15、塑料盒，16、按鈕，17光纖，18、銅片固定底座。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，但不限于此。實(shí)施例1 本發(fā)明實(shí)施例如系統(tǒng)圖1所示包括980nm泵浦源1、WDM2、鉺纖3、隔離器4、1*2 耦合器5、光開(kāi)關(guān)6、光纖光柵12和波長(zhǎng)解調(diào)儀7，其特征在于980nm泵浦源1通過(guò)普通光 纖8連接WDM2的980nm輸入端，WDM2的980nm和1550nm的混合輸出端連接鉺纖3的輸入 端，這樣980nm的光就通過(guò)WDM2和鉺纖3輸出了 1550nm的光；鉺纖3的輸出端連接隔離器 4的輸入端，隔離器4的輸出端經(jīng)普通光纖9連接到1*2耦合器5的輸入端，1*2耦合器5 的一個(gè)輸出端經(jīng)普通光纖10連接到光開(kāi)關(guān)6 ；光開(kāi)關(guān)6包括4個(gè)輸出端，其中每個(gè)輸出端 連接18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵12 ；1*2耦合器6的與輸入端同側(cè)的另一端經(jīng)普通光纖11和波 長(zhǎng)解調(diào)儀7相連接，使得從鉺纖3輸出的1550nm的光經(jīng)隔離器4、1*2耦合器5和光開(kāi)關(guān)6 進(jìn)入每一路的18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵12，又經(jīng)每一路串聯(lián)的光纖光柵12返回到光開(kāi)關(guān)6和 1*2耦合器5，然后進(jìn)入波長(zhǎng)解調(diào)儀7，由波長(zhǎng)解調(diào)儀7對(duì)返回的光信號(hào)進(jìn)行識(shí)別判斷。所述的光纖光柵12是用具有彈性的銅片13封裝的長(zhǎng)條形的銅片13中間帶有溝 槽14，光纖光柵12平直的位于溝槽14中并用M2Bond 610膠將其固定，封裝光纖光柵12的 銅片13被置于塑料盒15內(nèi)，并被固定在塑料盒15內(nèi)的銅片固定底座18上，塑料盒15上 帶有按鈕16，按鈕16下面和銅片13相貼合，按下按鈕16時(shí)銅片13連同光纖光柵12就會(huì) 發(fā)生應(yīng)變。實(shí)施例2 和實(shí)施例1相同，只是光開(kāi)關(guān)6包括8個(gè)輸出端。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系統(tǒng)，包括980nm泵浦源、WDM、鉺纖、隔離器、1*2 耦合器、光開(kāi)關(guān)、光纖光柵和波長(zhǎng)解調(diào)儀，其特征在于980nm泵浦源通過(guò)普通光纖連接WDM 的980nm輸入端，WDM的980nm和1550nm的混合輸出端連接鉺纖的輸入端，這樣980nm的 光就通過(guò)WDM和鉺纖輸出了 1550nm的光；鉺纖的輸出端連接隔離器的輸入端，隔離器的輸 出端經(jīng)普通光纖連接到1*2耦合器的輸入端，1*2耦合器的一個(gè)輸出端經(jīng)普通光纖連接到 光開(kāi)關(guān)；光開(kāi)關(guān)包括4-8個(gè)輸出端，其中每個(gè)輸出端連接18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵；1*2耦合器 的與輸入端同側(cè)的另一端經(jīng)普通光纖和波長(zhǎng)解調(diào)儀相連接，使得從鉺纖輸出的1550nm的 光經(jīng)隔離器、1*2耦合器和光開(kāi)關(guān)進(jìn)入每一路的18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵，又經(jīng)每一路串聯(lián)的 光纖光柵返回到光開(kāi)關(guān)和1*2耦合器，然后進(jìn)入波長(zhǎng)解調(diào)儀，由波長(zhǎng)解調(diào)儀對(duì)返回的光信 號(hào)進(jìn)行識(shí)別判斷。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于所述的光 纖光柵是用具有彈性的銅片封裝的長(zhǎng)條形的銅片中間帶有溝槽，光纖光柵平直的位于溝 槽中并用M2Bond 610膠將其固定，封裝光纖光柵的銅片被置于塑料盒內(nèi)，塑料盒上帶有按 鈕，按鈕下面和銅片相貼合，按下按鈕時(shí)銅片連同光纖光柵就會(huì)發(fā)生應(yīng)變。
全文摘要
一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系統(tǒng)，屬礦井報(bào)警技術(shù)領(lǐng)域。包括980nm泵浦源、光開(kāi)關(guān)、光纖光柵等，980nm泵浦源連接WDM，WDM連接鉺纖；鉺纖連接隔離器，隔離器連接到1*2耦合器，1*2耦合器輸出端連接光開(kāi)關(guān)，另一端和波長(zhǎng)解調(diào)儀相連；光開(kāi)關(guān)有4-8個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端連接18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵。每個(gè)光纖光柵由銅片封裝，都標(biāo)有號(hào)碼，并有自己的確定位置，當(dāng)按下封裝光纖光柵的銅片時(shí)，光纖光柵發(fā)生應(yīng)變，光波長(zhǎng)改變引起報(bào)警，本發(fā)明具有抗輻射、抗腐蝕、抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量點(diǎn)多，傳感探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小，安裝起來(lái)比較方便，精確度也比較高，比較靈敏，響應(yīng)時(shí)間比較短，能及時(shí)得到報(bào)警信號(hào)，爭(zhēng)取救援時(shí)間。
文檔編號(hào)G02B6/293GK102003211SQ201010505328
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者常恒泰 申請(qǐng)人:常恒泰