一種基于多纖芯光纖的煤礦安全預警系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多纖芯光纖的煤礦安全預警系統(tǒng)，對井下溫度、應變、振動同時進行測量。采用一根多纖芯光纖中不同的纖芯感知對溫度、應變和振動等物理量，通過多纖芯分束器實現(xiàn)各物理量的分布式實時測量。本發(fā)明采用一根光纖即可用多傳感器融合的方式綜合評價煤礦井下健康狀況，大大節(jié)省了光纜敷設成本，同時僅占用通信光纜的較少帶寬，適用于惡劣環(huán)境的監(jiān)測要求。
【專利說明】一種基于多纖芯光纖的煤礦安全預警系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用多纖芯光纖對煤礦安全進行全光纖監(jiān)測的系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測井下進行報警。
【背景技術】
[0002]煤礦安全生對國民經(jīng)濟起著至關重要的作用。近些年和煤礦有關的安全事故層出不窮，嚴重影響到國家和人民的利益，帶來很多負面社會影響。因此，對煤礦區(qū)、特別是井下進行全方位的安全監(jiān)測十分必要。采煤區(qū)環(huán)境復雜，對電磁防爆要求極高，普通的電類傳感器無法適應監(jiān)測需求。采用光學傳感的手段對井下瓦斯?jié)舛?，溫度變化狀況等信息進行安全監(jiān)測可以做到不受電磁干擾影響，本質(zhì)安全，易于組網(wǎng)，適用于煤炭行業(yè)的安全監(jiān)測需求。
[0003]傳統(tǒng)的光學監(jiān)測手段一般采用點式傳感的方式對井下重要物理量進行實時測量?，F(xiàn)有實用新型專利⑶201320347593提出一種基于光纖傳感技術的煤礦瓦斯氣體安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了煤礦瓦斯的實時在線監(jiān)測，具有較高的精度、使用穩(wěn)定性及較高的安全系數(shù)，減少了粉塵和潮濕對探頭的影響，并能自動校準。神華集團有限責任公司提出了一種煤礦采空區(qū)溫度監(jiān)測系統(tǒng)(申請?zhí)?201320477685.X〉。通過導向安裝裝置使液壓支架的回采移動與采空區(qū)傳感光纖的鋪設同步進行，利用光纖溫度傳感技術實時監(jiān)測采空區(qū)溫度，實現(xiàn)了對采空區(qū)的溫度的遠程實時監(jiān)測。但分布式光纖傳感技術不具備同時測量溫度，應變及振動等井下關注的重要物理量的能力。一般需要多根光纖分別對不同的物理量進行測量，無形中占用了光纜中的更多光纖資源，同時增加施工成本。多纖芯光纖是近些年學術研宄的熱點之一，被應用于下一代大容量光通信，對于提高光通信傳輸帶寬具有重大意義。在光纖傳感上的應用目前還不是很多，英國愛丁堡赫瑞瓦特大學I 1801)1161-8011等人在多纖芯光纖中刻蝕光纖光柵，并成功制造出用于惡劣環(huán)境的多軸加速度傳感器。在我國多纖芯光纖傳感的工程應用并不多見。
[0004]以上技術和專利均未能實現(xiàn)一根光纖同時對多參數(shù)進行分布式綜合測量的需求，基于此，本發(fā)明提出一種多纖芯光纖傳感技術對井下溫度、應變、振動同時進行測量。采用一根多纖芯光纖中不同的纖芯感知對溫度、應變和振動等物理量，通過多纖芯分束器實現(xiàn)各物理量的分布式實時測量。采用一根光纖即可用多傳感器融合的方式綜合評價煤礦井下健康狀況，大大節(jié)省了光纜敷設成本，同時僅占用通信光纜的較少帶寬，適用于惡劣環(huán)境的監(jiān)測要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明技術解決問題:克服現(xiàn)有技術多參量監(jiān)測時占用較多通信光纖資源的不足，提供一種基于多纖芯光纖的煤礦安全預警系統(tǒng)，將煤礦監(jiān)測所需的多物理參數(shù)用同一傳感光纖進行實時測量，大大提高測量準確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定度；同時多纖芯光纖煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)一根光纖監(jiān)測，大大節(jié)省了檢測成本。
[0006]本發(fā)明技術解決方案:一種基于多纖芯光纖煤礦安全預警系統(tǒng)，包括:用于傳感的多纖芯光纖、用于連接傳感光纖和傳輸光纖的多纖芯光纖分束器，光源模塊和解調(diào)模塊；采用不同或相同的光源模塊，通過多纖芯光纖分束器將光耦合進入多纖芯光纖，多纖芯光纖分束器連接至傳感光纖；傳感光纖經(jīng)過涂覆層及外護套保護，以光纜的形式敷設到煤礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域；煤礦監(jiān)測區(qū)光纜沿線的物理參數(shù)發(fā)生變化時，光纜處煤層的變形導致的光纜應變，井下工作面的微振動均被光纖感知，并且通過發(fā)射光脈沖的和接收光脈沖的情況定位物理量變化的位置；最后，多芯光纖分束器將多纖芯光纖的不同纖芯采集的物理量傳送到設計好的不同解調(diào)系統(tǒng)將多參量信息實時解調(diào)并送網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)。
[0007]所述的多纖芯光纖分束器采用氫氟酸將直徑125 4 0的多根標準單模光纖通過刻蝕的方法，達到多纖芯光纖相同的直徑即125 V?。?！后進行耦合，傳輸光波。
[0008]所述用于傳感的多纖芯光纖的中間段在成纜時經(jīng)同一光纖預制棒拉制而成，材料均勻，熱穩(wěn)定性好，和采用多根光纖傳感相比具有更高的測量精度和更好的穩(wěn)定性。
[0009]所述用于傳感的多纖芯光纖的中間段分為3芯4芯或更多纖芯的標準單模光纖，每個纖芯監(jiān)測一個物理量，根據(jù)所需監(jiān)測的物理量的多少，光纖芯可增減，不占用現(xiàn)有煤礦通信資源。光纖的長度一般在4至6公里，根據(jù)煤礦井下具體監(jiān)測需求長度可變。
[0010]煤礦區(qū)監(jiān)測點處的溫度變化、礦振、礦體結構應變事件均能夠通過傳感段多纖芯光纖進行實時分布式測量。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:
[0012](1)本發(fā)明不同于以往的分布式光纖傳感技術需要用一根光纖測量一個物理量，取而代之，本發(fā)明采用一根光纖中的不同纖芯即可實現(xiàn)多參數(shù)的分布式或點式測量，根據(jù)傳感需求，組合靈活多變。一根光纖中的每一個纖芯即可測量一個物理量，并且對光纖長度上該物理量的變化位置定位。當監(jiān)測物理量需求多的時候，僅需要在光纖制備時增加纖芯的個數(shù)即可實現(xiàn)多參數(shù)的分布式實時測量。
[0013](2)采用本發(fā)明提出的一根光纖結構進行煤礦多參數(shù)測量，傳感介質(zhì)均在一根光纖內(nèi)，受環(huán)境影響小，最大程度避免了系統(tǒng)誤差。
[0014](3)同一光纖內(nèi)的不同纖芯可以完成不同監(jiān)測量的分布式測量，根據(jù)監(jiān)測需求，只需改變光源和解調(diào)系統(tǒng)，即可改變需要監(jiān)測的物理量，靈活方便。
[0015](4)整體傳感器采用一根光纖做傳輸傳感介質(zhì)，采用較少的通信帶寬即可完成監(jiān)測需求，降低了光纜敷設的成本和復雜性，節(jié)約了通信帶寬。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1多纖芯光纖傳感系統(tǒng)不意圖；
[0017]圖2顯微鏡下顯示的多纖芯光纖端面；
[0018]圖3井下光纜敷設示意圖；
[0019]圖4多纖芯光纖測溫結果示意圖。
【具體實施方式】
[0020]如圖1所不，本發(fā)明包括:多纖芯光纖、多纖芯光纖分束器，光源模塊和解調(diào)模塊；采用不同或相同的光源模塊，通過多纖芯光纖分束器將光耦合進入多纖芯光纖，多纖芯光纖分束器將需要監(jiān)測的不同物理量送解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)。
[0021]系統(tǒng)的整體結構圖如圖2所示。中間段光纖部分可以為3芯4芯或更多纖芯的標準單模光纖，根據(jù)所需監(jiān)測的物理量的多少，光纖芯可增減。光纖的長度一般在4至6公里，根據(jù)煤礦井下具體監(jiān)測需求長度可變。光源系統(tǒng)的光經(jīng)過多纖芯分束器連接至傳感光纖。傳感光纖經(jīng)過涂覆層及外護套保護，以光纜的形式敷設到煤礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域。煤礦監(jiān)測區(qū)光纜沿線的物理參數(shù)發(fā)生變化時，如溫度的變化，光纜處煤層的變形導致的光纜應變，井下工作面的微振動等等均可被光纖感知，并且通過發(fā)射光脈沖的和接收光脈沖的情況可以定位物理量變化的位置。這里采用多芯光纖相比傳統(tǒng)分布式光纖傳感的優(yōu)勢在于，所有需要測量的物理量可以用一根光纖實現(xiàn)分布式監(jiān)測同時各物理量之間不存在交叉敏感的問題。傳感結構緊湊，集成度高，有利于提高檢測的精度，降低系統(tǒng)誤差。另外，由于井下施工復雜，只采用一根光纖有利于降低施工難度，提高效率。最后，多芯光纖分束器將多纖芯光纖的不同纖芯采集的物理量傳送到設計好的不同解調(diào)系統(tǒng)將多參量信息實時解調(diào)并送網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)。
[0022]如圖3所示為本發(fā)明的一個具體實施方案:用于傳感光纖的中間段為4芯標準單模光纖，根據(jù)所需監(jiān)測的物理量的多少，光纖芯可增減。在這里，采空區(qū)內(nèi)敷設的光纜長度為5公里，根據(jù)煤礦井下具體監(jiān)測需求長度可變。
[0023]50！18的脈沖光源發(fā)出的光以一定重復頻率經(jīng)過多纖芯分束器連接至傳感光纖。傳感光纖經(jīng)過涂覆層及外護套保護，以光纜的形式敷設到煤礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域。煤礦監(jiān)測區(qū)光纜沿線的物理參數(shù)發(fā)生變化時，如溫度的變化，光纜處煤層的變形導致的光纜應變，井下工作面的微振動等等均可被光纖感知，并且通過發(fā)射光脈沖的和接收光脈沖的情況可以定位物理量變化的位置。一個典型的溫度測量結果圖如圖4所示，對1100米至1250米光纜進行加熱并恒溫后，利用分布式溫度測量原理測得該處溫度值為851:。如果光纜區(qū)的溫度和應變同時發(fā)生變化時，同樣的原理適用于溫度和應變等物理量的同時測量。同一光纜處光纖的不同纖芯中的光相位將分別受溫度和應變的調(diào)制，該信號通過同一光纖中的不同纖芯傳輸，多纖芯分束器可以將其送入不同的解調(diào)系統(tǒng)解調(diào)。從而還原被測參數(shù)信息并定位。在這里，可以采用類似蛇形結構對井下采空區(qū)進行光纜敷設，這種敷設方式有助于較全面的反應采空區(qū)的狀況，方便于監(jiān)測采空區(qū)由于煤層溫度的突然升高導致的自然發(fā)火。整個采空區(qū)需要監(jiān)測長度為1公里，光纜長度可以增加為4到6公里。圖4為一個典型的多纖芯光纖中的一芯進行的分布式溫度監(jiān)測實驗結果圖。1000到1250段長度250米的光纖被放置在恒溫箱中，該部分溫度測量值為801。
[0024]這里采用多芯光纖相比傳統(tǒng)分布式光纖傳感的優(yōu)勢在于，所有需要測量的物理量可以用一根光纖實現(xiàn)分布式監(jiān)測同時各物理量之間不存在交叉敏感的問題。傳感結構緊湊，集成度高，有利于提高檢測的精度，降低系統(tǒng)誤差。另外，由于井下施工復雜，只采用一根光纖有利于降低施工難度，提高效率。最后，多芯光纖分束器將多纖芯光纖的不同纖芯采集的物理量傳送到設計好的不同解調(diào)系統(tǒng)將多參量信息實時解調(diào)并送網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)。
[0025]總之，本發(fā)明采用一根光纖即可用多傳感器融合的方式綜合評價煤礦井下健康狀況，大大節(jié)省了光纜敷設成本，同時僅占用通信光纜的較少帶寬，適用于惡劣環(huán)境的監(jiān)測要求。
【權利要求】
1.一種基于多纖芯光纖的煤礦安全預警系統(tǒng)，其特征在于包括:用于傳感的多纖芯光纖、用于連接傳感光纖和傳輸光纖的多纖芯光纖分束器，光源模塊和解調(diào)模塊；采用不同或相同的光源模塊，通過多纖芯光纖分束器將光耦合進入多纖芯光纖，多纖芯光纖分束器連接至傳感光纖；傳感光纖經(jīng)過涂覆層及外護套保護，以光纜的形式敷設到煤礦區(qū)監(jiān)測區(qū)域；煤礦監(jiān)測區(qū)光纜沿線的物理參數(shù)發(fā)生變化時，光纜處煤層的變形導致的光纜應變，井下工作面的微振動均被光纖感知，并且通過發(fā)射光脈沖的和接收光脈沖的情況定位物理量變化的位置；最后，多芯光纖分束器將多纖芯光纖的不同纖芯采集的物理量傳送到設計好的不同解調(diào)系統(tǒng)將多參量信息實時解調(diào)并送網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于多纖芯光纖的煤礦安全預警系統(tǒng)，其特征在于:所述的多纖芯光纖分束器采用氫氟酸將直徑125 μ m的多根標準單模光纖通過刻蝕的方法，達到多纖芯光纖相同的直徑即125 μπι后進行親合，傳輸光波。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于多纖芯光纖的煤礦安全預警系統(tǒng)，其特征在于:所述用于傳感的多纖芯光纖的中間段在成纜時經(jīng)同一光纖預制棒拉制而成，材料均勻，熱穩(wěn)定性好，和采用多根光纖傳感相比具有更高的測量精度和更好的穩(wěn)定性。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于多纖芯光纖的煤礦安全預警系統(tǒng)，其特征在于:所述用于傳感的多纖芯光纖的中間段分為3芯4芯或更多纖芯的標準單模光纖，每個纖芯監(jiān)測一個物理量，根據(jù)所需監(jiān)測的物理量的多少，光纖芯可增減，不占用現(xiàn)有煤礦通信資源；多纖芯光纖的長度范圍為4至6公里，根據(jù)煤礦井下具體監(jiān)測需求長度可變。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于多纖芯光纖的煤礦安全預警系統(tǒng)，其特征在于:煤礦區(qū)監(jiān)測點處的溫度變化、礦振、礦體結構應變事件均能夠通過傳感段多纖芯光纖進行實時分布式測量。
【文檔編號】E21F17/18GK104454007SQ201410564044
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權日:2014年10月15日
【發(fā)明者】李俊, 董鳳忠, 孫苗, 湯玉泉, 楊爽 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院