一種基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括：中央控制單元、單根光纖和瓦斯氣體室傳感器；所述光纖上串聯(lián)設(shè)置有若干瓦斯氣體室傳感器；所述中央控制單元通過(guò)一個(gè)光源輸出端口和一個(gè)光源接收端口與串聯(lián)在光纖上的瓦斯氣體室傳感器連接；所述瓦斯氣體室傳感器由兩個(gè)GRIN透鏡組成氣體室內(nèi)腔，所述中央控制單元采用光反射儀技術(shù)測(cè)量透過(guò)氣體室前后兩個(gè)透鏡的反射光強(qiáng)來(lái)確定瓦斯吸收損耗。本實(shí)用新型將幾十、幾百個(gè)單獨(dú)的光纖傳感器進(jìn)行“串聯(lián)”處理，僅依托一根光纖便能實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的分布式監(jiān)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)及硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，鋪設(shè)與維護(hù)管理成本大幅降低。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]安裝使用以防瓦斯事故為主的煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，是從根本上消除礦難事故的最有效手段。目前絕大多數(shù)煤礦的瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備通常選用干式、濕式氣敏元件、熱電阻瓦斯傳感器、紅外瓦斯傳感器等作為瓦斯檢測(cè)敏感元件，普遍存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量范圍有限、存在零點(diǎn)漂移及調(diào)零困難等缺點(diǎn)。光纖氣體傳感器具有其他傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，靈敏度高，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)范圍大，防電磁干擾，防燃防爆，適合于長(zhǎng)距離在線測(cè)量。因此，光纖氣體傳感器用于瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)倍受關(guān)注。
[0003]國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)光纖瓦斯傳感技術(shù)的研究起步較早，1983年日本東北大學(xué)的H.1naba和K.Chan等人利用LED寬帶光源配合窄帶濾波片作為檢測(cè)光源，對(duì)甲烷在1331.2nm附近吸收光譜線成功地進(jìn)行了檢測(cè)，此后他們又發(fā)現(xiàn)1665.4nm的吸收光譜可測(cè)靈敏度更高。1987年英國(guó)南安普頓大學(xué)的J.P.Dakin和C.A.Wade等人報(bào)道了利用寬帶LED和梳狀濾波器作為光源測(cè)量甲烷及乙炔等梳狀吸收峰的氣體，其優(yōu)點(diǎn)為成本低，技術(shù)簡(jiǎn)單，環(huán)境適用性好，但僅能用于單點(diǎn)檢測(cè)。九十年代初，分布反饋式(DFB)激光器漸漸導(dǎo)入到光纖傳感技術(shù)中，大幅提升了瓦斯傳感精度。近二十年來(lái)國(guó)外對(duì)光纖瓦斯傳感技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但主要還都停留在單點(diǎn)或數(shù)點(diǎn)的檢測(cè)技術(shù)上。我國(guó)在這方面的研究起步較晚，始于八十年代末，對(duì)于檢測(cè)技術(shù)也同樣著眼于單點(diǎn)或數(shù)點(diǎn)的檢測(cè)技術(shù)上。然而，對(duì)于礦井安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一個(gè)完整的“分布式監(jiān)測(cè)網(wǎng)”需要對(duì)瓦斯氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，對(duì)沿途的任意位置均能采集到所在地的瓦斯?jié)舛刃畔ⅰ?br> [0004]針對(duì)礦井大范圍多點(diǎn)多參數(shù)監(jiān)測(cè),傳統(tǒng)方法多為單點(diǎn)或數(shù)點(diǎn)的檢測(cè)技術(shù),對(duì)于幾十或幾百個(gè)點(diǎn)的同時(shí)在線測(cè)量，多采用圖1所示的多芯光纜技術(shù)，通過(guò)一臺(tái)中央控制裝置對(duì)幾十、幾百個(gè)單獨(dú)的光纖傳感器進(jìn)行“并聯(lián)”處理。該方法采用多芯光纜，不僅鋪設(shè)等施工花費(fèi)昂貴，中央控制裝置的輸出及接收端口數(shù)量非同尋常，關(guān)系復(fù)雜，維護(hù)困難，耗資巨大。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]發(fā)明目的:本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其能夠?qū)资?、幾百個(gè)單獨(dú)的光纖傳感器進(jìn)行“串聯(lián)”處理，僅依托一根光纖便能實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的分布式監(jiān)測(cè)。
[0006]技術(shù)方案:本實(shí)用新型所述的基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括:中央控制單元、單根光纖和瓦斯氣體室傳感器；
[0007]所述光纖上串聯(lián)設(shè)置有若干瓦斯氣體室傳感器；所述中央控制單元通過(guò)一個(gè)光源輸出端口和一個(gè)光源接收端口與串聯(lián)在光纖上的瓦斯氣體室傳感器連接；
[0008]所述瓦斯氣體室傳感器由兩個(gè)GRIN透鏡組成氣體室內(nèi)腔，所述中央控制單元采用光反射儀技術(shù)測(cè)量透過(guò)氣體室前后兩個(gè)透鏡的反射光強(qiáng)來(lái)確定瓦斯吸收損耗。
[0009]本實(shí)用新型中采用光反射儀技術(shù)測(cè)量透過(guò)氣體室前后兩個(gè)透鏡的反射光強(qiáng)，其最常用的調(diào)制解調(diào)方法有三種，分別是時(shí)域、頻域以及相干域，它們的代表分別為光時(shí)域反射儀(OTDR)、光頻域反射儀(OFDR)以及光相干域反射儀(O⑶R)。OTDR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量距離很長(zhǎng)，可達(dá)幾十千米，但是缺點(diǎn)是空間分辨率較低，通常大于一米。本實(shí)用新型中，采用的氣體室為厘米量級(jí)，OTDR根本不可能分辨得出氣體室的前后反射光，因此本實(shí)用新型不采用該技術(shù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。而OFDR及O⑶R技術(shù)的空間分辨率均能達(dá)到厘米及以下量級(jí)，因此本實(shí)用新型所述光反射儀技術(shù)優(yōu)選為光頻域反射儀技術(shù)和光相干域反射儀技術(shù)。
[0010]OFDR技術(shù)有時(shí)也叫做調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)技術(shù)，OFDR技術(shù)通過(guò)線性地調(diào)制光源的光頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)光纖的分布式測(cè)量，其原理示意圖如圖4所示，光纖上的反射光跟本地光進(jìn)行拍頻，反射點(diǎn)距離越遠(yuǎn)則拍頻越高，反之則拍頻越低。這樣距離信息就通過(guò)拍頻的大小顯現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)對(duì)測(cè)量信號(hào)的頻率分析可以獲得光纖上的分布信息。當(dāng)本實(shí)用新型采用OFDR技術(shù)進(jìn)行測(cè)量透過(guò)氣體室前后兩個(gè)透鏡的反射光強(qiáng)時(shí)，所述中央控制單元由頻率掃描光源、調(diào)制解調(diào)器和檢測(cè)器及頻率分析儀組成，所述頻率掃描光源通過(guò)光源輸出端口向串聯(lián)在光纖上的瓦斯氣體室傳感器發(fā)射測(cè)試光，反射光與本地光通過(guò)光源接收端口后進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器，由檢測(cè)器及頻率分析儀對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行頻率分析。
[0011]O⑶R法通過(guò)控制光源的相干峰在光纖中的移動(dòng)來(lái)進(jìn)行分布測(cè)量。如圖5所示，相干峰意味著僅此處的反射光與本地光可以干涉，其他地點(diǎn)的反射光均無(wú)干涉性，因此相干峰地點(diǎn)的反射光強(qiáng)可以單獨(dú)獲取。由于相干峰移動(dòng)到想要測(cè)量的地點(diǎn)即可獲得該地點(diǎn)的反射光強(qiáng)，因此極其適合測(cè)量氣體室前后的透鏡反射光強(qiáng)。當(dāng)本實(shí)用新型采用OCDR技術(shù)進(jìn)行測(cè)量透過(guò)氣體室前后兩個(gè)透鏡的反射光強(qiáng)時(shí)，所述中央控制單元由光源、調(diào)制解調(diào)器和檢測(cè)器組成，光源通過(guò)光源輸出端口向串聯(lián)在光纖上的瓦斯氣體室傳感器發(fā)射測(cè)試光，控制光源的相干峰在光纖中移動(dòng)到欲測(cè)地點(diǎn)，獲得欲測(cè)地點(diǎn)的反射光，反射光通過(guò)光源接收端口后進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器，由檢測(cè)器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。
[0012]在傳感器數(shù)量眾多的情況下，光纖自身的損耗或者傳感器上的損耗將漸漸不容忽略。在此情況下，可考慮在光纖途中加入光放大器用以保持足夠的光強(qiáng)，以確保超長(zhǎng)距離測(cè)量。若光放大器中存在光隔離器阻礙反射光的傳播，可在光放大器附近設(shè)迂回路用以保持反射光路的傳播暢通，圖6為該迂回路的示意圖。
[0013]利用本實(shí)用新型所述瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)的方法，包括如下步驟:
[0014](I)中央控制單元采用光反射儀技術(shù)測(cè)量若干瓦斯氣體室傳感器的兩個(gè)透鏡的反射光強(qiáng)，記作P1, P2, P3, P4-…，P2N-1> P?，其中N表不第N個(gè)瓦斯氣體室傳感器；
[0015](2)利用公式Sn=P2nAV1獲得氣體室的瓦斯吸收損耗，Sn表示第N個(gè)氣體室的瓦斯吸收損耗；則瓦斯吸收的損耗An為:
[0016]An=Sn-S額，S額表示透鏡額定損耗；
[0017](3)根據(jù)式(一)，利用瓦斯吸收的損耗An獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛菴n:
[0018]Cn= In (An) /aL (一)
[0019]其中a為氣體吸收系數(shù)，L為吸收路徑的長(zhǎng)度。
[0020]有益效果:本實(shí)用新型將幾十、幾百個(gè)單獨(dú)的光纖傳感器進(jìn)行“串聯(lián)”處理，僅依托一根光纖便能實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的分布式監(jiān)測(cè)，網(wǎng)絡(luò)及硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，鋪設(shè)與維護(hù)管理成本大幅降低，不僅有利于與煤礦其它系統(tǒng)成體系集成應(yīng)用，其技術(shù)與方法向其它監(jiān)測(cè)系統(tǒng)滲透力強(qiáng)，有利于促進(jìn)其升級(jí)改造。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為傳統(tǒng)的多點(diǎn)同時(shí)在線測(cè)量的瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖。
[0022]圖2為本實(shí)用新型基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖；
[0023]圖3為利用本實(shí)用新型瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量的示意圖；
[0024]圖4為OFDR技術(shù)原理示意圖；
[0025]圖5為O⑶R技術(shù)原理示意圖；
[0026]圖6為采用光放大器時(shí)的迂回路示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0027]下面對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
[0028]實(shí)施例1:本實(shí)用新型基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括:中央控制單元、單根光纖和瓦斯氣體室傳感器；所述光纖上串聯(lián)設(shè)置有若干瓦斯氣體室傳感器；所述中央控制單兀通過(guò)一個(gè)光源輸出端口和一個(gè)光源接收端口與串聯(lián)在光纖上的瓦斯氣體室傳感器連接；所述瓦斯氣體室傳感器由兩個(gè)GRIN透鏡組成氣體室內(nèi)腔，所述中央控制單元采用光反射儀技術(shù)測(cè)量透過(guò)氣體室前后兩個(gè)透鏡的反射光強(qiáng)來(lái)確定瓦斯吸收損耗。
[0029]所述光反射儀技術(shù)為OFDR技術(shù),其原理示意圖如圖4所示,所述中央控制單元由頻率掃描光源、調(diào)制解調(diào)器和檢測(cè)器及頻率分析儀組成，所述頻率掃描光源通過(guò)光源輸出端口向串聯(lián)在光纖上的瓦斯氣體室傳感器發(fā)射測(cè)試光，反射光與本地光通過(guò)光源接收端口后進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器，由檢測(cè)器及頻率分析儀對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行頻率分析。所述光纖中還設(shè)置有光放大器；在光放大器附近的光路中設(shè)置迂回路以保持反射光路傳播暢通，圖6為該迂回路的不意圖。
[0030]利用本實(shí)用新型所述瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)的方法，包括如下步驟:
[0031](I)中央控制單元采用光反射儀技術(shù)測(cè)量若干瓦斯氣體室傳感器的兩個(gè)透鏡的反射光強(qiáng)，記作P1, P2, P3, P4-…，P2N-1> P?，其中N表不第N個(gè)瓦斯氣體室傳感器；
[0032](2)利用公式Sn=P2nAV1獲得氣體室的瓦斯吸收損耗，Sn表示第N個(gè)氣體室的瓦斯吸收損耗；則瓦斯吸收的損耗An為:
[0033]An=Sn-S額，S額表示透鏡額定損耗；
[0034](3)根據(jù)式(一)，利用瓦斯吸收的損耗An獲得監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛菴n:
[0035]Cn= In (An) /aL (一)
[0036]其中a為氣體吸收系數(shù)，L為吸收路徑的長(zhǎng)度。
[0037]實(shí)施例2:本實(shí)用新型所述基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于本實(shí)施例采用的光反射儀技術(shù)為OCDR技術(shù)，其原理示意圖如圖5所示:所述中央控制單元由光源、調(diào)制解調(diào)器和檢測(cè)器組成，光源通過(guò)光源輸出端口向串聯(lián)在光纖上的瓦斯氣體室傳感器發(fā)射測(cè)試光，控制光源的相干峰在光纖中移動(dòng)到欲測(cè)地點(diǎn)，獲得欲測(cè)地點(diǎn)的反射光，反射光通過(guò)光源接收端口后進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器，由檢測(cè)器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。
[0038]如上所述，盡管參照特定的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)表示和表述了本實(shí)用新型，但其不得解釋為對(duì)本實(shí)用新型自身的限制。在不脫離所附權(quán)利要求定義的本實(shí)用新型的精神和范圍前提下，可對(duì)其在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包括:中央控制單元、單根光纖和瓦斯氣體室傳感器； 所述光纖上串聯(lián)設(shè)置有若干瓦斯氣體室傳感器；所述中央控制單元通過(guò)一個(gè)光源輸出端口和一個(gè)光源接收端口與串聯(lián)在光纖上的瓦斯氣體室傳感器連接； 所述瓦斯氣體室傳感器由兩個(gè)GRIN透鏡組成氣體室內(nèi)腔，所述中央控制單元采用光反射儀技術(shù)測(cè)量透過(guò)氣體室前后兩個(gè)透鏡的反射光強(qiáng)來(lái)確定瓦斯吸收損耗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述中央控制單元由頻率掃描光源、調(diào)制解調(diào)器和檢測(cè)器及頻率分析儀組成，所述頻率掃描光源通過(guò)光源輸出端口向串聯(lián)在光纖上的瓦斯氣體室傳感器發(fā)射測(cè)試光，反射光與本地光通過(guò)光源接收端口后進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器，由檢測(cè)器及頻率分析儀對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行頻率分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述中央控制單元由光源、調(diào)制解調(diào)器和檢測(cè)器組成，光源通過(guò)光源輸出端口向串聯(lián)在光纖上的瓦斯氣體室傳感器發(fā)射測(cè)試光，控制光源的相干峰在光纖中移動(dòng)到欲測(cè)地點(diǎn)，獲得欲測(cè)地點(diǎn)的反射光，反射光通過(guò)光源接收端口后進(jìn)入調(diào)制解調(diào)器，由檢測(cè)器進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感的分布式瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖中還設(shè)置有光放大器；在光放大器附近的光路中設(shè)置迂回路以保持反射光路傳播暢通。
【文檔編號(hào)】G01N21/61GK203858198SQ201420141962
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】樊昕昱, 何祖源, 劉慶文, 杜江兵 申請(qǐng)人:江蘇中能光電技術(shù)有限公司