一種基于光纖光柵的礦用多功能傳感監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種礦井下安全監(jiān)測系統(tǒng)，具體是一種基于光纖光柵，能夠同時(shí)對礦 井下溫度、壓力、危險(xiǎn)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的礦用多功能傳感監(jiān)測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著采礦技術(shù)的不斷提高，以及各種傳感技術(shù)在礦井下安全監(jiān)測領(lǐng)域的 運(yùn)用，礦井下安全指數(shù)得到明顯的提高，行業(yè)安全生產(chǎn)狀況有了很好的改善。但是傳統(tǒng)傳感 器依靠電信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)礦井下的安全監(jiān)測，抗電磁干擾能力較弱，可靠性差，特別在礦下惡 劣環(huán)境下，很難達(dá)到預(yù)期的監(jiān)測效果。并且傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)體積龐大，很難適應(yīng)礦井下高溫高 壓等水環(huán)境。
[0003] 同時(shí)，由于新技術(shù)的發(fā)展，有一些新型光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)開始運(yùn)用于井下，使得監(jiān) 測性能得到了改善，但大多是單臺(tái)設(shè)備大量布點(diǎn)，導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)成本較高，并且復(fù)用率低， 缺乏數(shù)據(jù)管理與分析能力和相關(guān)管理軟件，只能提供簡單顯示，不具備數(shù)據(jù)處理、分析、預(yù) 警、記錄、共享等特點(diǎn)，不能很好的為煤礦安全生產(chǎn)提供可靠的指導(dǎo)。
[0004] 因此，如果能建成一個(gè)性能優(yōu)良的多功能復(fù)用監(jiān)測系統(tǒng)，不僅能減少煤礦事故的 發(fā)生，為煤礦的長期安全生產(chǎn)提供可靠的保證，而且可以節(jié)約系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)成本，增強(qiáng)監(jiān) 測系統(tǒng)的適用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 因此本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于光纖光柵的礦用多功能傳感監(jiān)測 系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明可以解決現(xiàn)有礦用監(jiān)測系統(tǒng)抗電磁干擾能力弱、可靠性差、精度較低、復(fù)用 率低、成本高、信息處理能力差等方面的問題，滿足現(xiàn)代煤礦安全生產(chǎn)對新一代監(jiān)測系統(tǒng)的 苛刻要求。
[0007] 為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵的礦用多功能傳感監(jiān)測系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)由光源模 塊、光放大模塊、光開關(guān)陣列、工作面監(jiān)測模塊、工作面復(fù)用單元、巷道監(jiān)測模塊、巷道復(fù)用 單元、解調(diào)模塊、上位機(jī)分析監(jiān)測模塊、光傳輸模塊幾部分組成。
[0008] 所述光源模塊選擇ASE(放大自發(fā)輻射）寬譜光源，為光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)提供 較大的帶寬光源（1525nm-1565nm)，為監(jiān)測系統(tǒng)復(fù)用單元的加入提供較大的波長選擇范圍； 光放大模塊選擇S0A(半導(dǎo)體光放大器)，用以提高寬譜光源單位波長的功率，避免了寬譜光 源每個(gè)單位波長功率較小的缺點(diǎn)，利于監(jiān)測系統(tǒng)對光信號(hào)的傳輸和檢測；所述光開關(guān)陣列 作為系統(tǒng)監(jiān)測通道的選擇切換，為系統(tǒng)的選擇性運(yùn)行提供方便。
[0009] 所述工作面監(jiān)測模塊主要有幾個(gè)小模塊組成，包含環(huán)形器、分光計(jì)、光功率探測模 塊、氣體探測模塊；所述巷道監(jiān)測模塊同樣有幾個(gè)小模塊組成，包含環(huán)形器、分光計(jì)、光功率 探測模塊；其中氣體探測模塊主要是進(jìn)行工藝處理過的具有一定光程的氣室；光功率探測 模塊主要是光功率探測器（PD)。
[0010] 所述工作面復(fù)用單元和巷道復(fù)用單元主要是帶有不同反射波長的布拉格光柵的 光纖陣列，每個(gè)復(fù)用通道由兩根帶有布拉格光纖光柵的光纖組成。
[0011] 所述解調(diào)模塊，主要由光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀和對電信號(hào)解調(diào)的算術(shù)組成，光纖光 柵靜態(tài)解調(diào)儀主要對復(fù)用單元由布拉格光柵的反射光信號(hào)進(jìn)行解調(diào)；電信號(hào)解調(diào)的算術(shù)單 元主要對光功率探測模塊檢測的電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。
[0012] 所述上位機(jī)分析監(jiān)測模塊主要包含數(shù)據(jù)處理與分析單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、人機(jī)交 互單元，完成監(jiān)測系統(tǒng)對解調(diào)模塊解調(diào)信息的分析與處理，并對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，進(jìn)而對 井下狀況實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)共享和預(yù)警。
[0013] 所述光傳輸模塊主要由通訊光纖、礦用傳輸光纜組成，其作為光信息載體，實(shí)現(xiàn)上 述各模塊間的通信連接和信息傳輸。
[0014] 特別的在該方案中，為使得系統(tǒng)具有高的復(fù)用率，采用了復(fù)用單元，在復(fù)用單元中 主要運(yùn)用波分復(fù)用（SWM)和時(shí)分復(fù)用（TWM)技術(shù)；寬譜光源（ASE)的選擇為復(fù)用提供較大的 波長選擇范圍，同時(shí)光放大模塊（S0A)的運(yùn)用避免了寬譜光源平均到單個(gè)波長上光功率較 小的缺點(diǎn)；并且在復(fù)用單元中每個(gè)復(fù)用通道選擇兩條帶有布拉格光柵的光纖，其中一條作 為溫補(bǔ)光纖，避免了光纖光柵檢測中同時(shí)受應(yīng)變和溫度兩個(gè)因素交叉影響；特別利用光纖 光柵反射光波長固定的特點(diǎn)，引入氣體吸收光譜測量技術(shù)，使得系統(tǒng)能夠?qū)σ恍┪ｋU(xiǎn)氣體 進(jìn)行檢測，如甲烷氣體、硫化氫氣體等。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于： 本發(fā)明除了具有傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能外，還特別采用了光纖光柵用于對應(yīng)變、 溫度的檢測，同時(shí)添加了氣體檢測功能，完善了系統(tǒng)的監(jiān)測能力；采用了溫補(bǔ)光纖，極大提 高監(jiān)測精度；采用了復(fù)用單元，運(yùn)用波分復(fù)用（SWM)和時(shí)分復(fù)用（TWM)技術(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的復(fù) 用功能，提高了以FBG(光纖布拉格光柵）為基礎(chǔ)的光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)的多點(diǎn)監(jiān)測能力，降 低了單個(gè)光纖光柵監(jiān)測成本，同時(shí)為礦下不同監(jiān)測對象提供了可選擇性布設(shè)光纖光柵，安 裝靈活方便；采用上位機(jī)分析監(jiān)測模塊使得系統(tǒng)能夠更好的完成監(jiān)測與信息管理；具有本 安特性、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)；基于上述對監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本監(jiān)測系統(tǒng)可以為礦上安全生產(chǎn) 提供可靠的的指導(dǎo)。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)框圖 圖2為本發(fā)明工作面監(jiān)測模塊組成框圖。
[0017] 圖3為本發(fā)明氣體探測模塊用到的光譜吸收技術(shù)引起光波長變化的波形圖。
[0018] 圖4為本發(fā)明巷道監(jiān)測模塊組成框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題，技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合 附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以 解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0020] 本發(fā)明設(shè)計(jì)一種基于光纖光柵的礦用多功能傳感監(jiān)測系統(tǒng)。
[0021] 參考圖1，為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)框圖，如圖1，一種基于光纖光柵的礦用多功能傳感 監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：包括光源模塊、光放大模塊、光開關(guān)陣列、工作面監(jiān)測模塊、工作面 復(fù)用單元、巷道監(jiān)測模塊、巷道復(fù)用單元、解調(diào)模塊、上位機(jī)分析監(jiān)測模塊、光傳輸模塊。
[0022] 所述一種基于光纖光柵的礦用多功能監(jiān)測系統(tǒng)中，光源模塊的輸入端與光放大模 塊的輸入端相連接；光放大模塊的輸入端與光源模塊輸出端相連接，輸出端與光開關(guān)陣列 的輸入端相連接；光開關(guān)陣列的輸入端與光放大模塊的輸出端相連接，輸出端與工作面監(jiān) 測模塊的輸入端和巷道監(jiān)測模塊的輸入端相連接；工作面監(jiān)測模塊的輸入端與光開關(guān)陣列 的輸出端相連接，輸出端與工作面復(fù)用單元相連接；巷道監(jiān)測模塊的輸入端與光開關(guān)陣列 的輸出端相連接，輸出端與巷道復(fù)用單元相連接；解調(diào)模塊的輸入端與工作面監(jiān)測模塊的 反射信號(hào)、巷道監(jiān)測模塊的反射信號(hào)相連接，輸出端與上位機(jī)分析檢測模塊相連接；其中所 述光傳輸模塊由通訊光纖和礦用傳輸光纜組成，用以實(shí)現(xiàn)各模塊間的通信連接。
[0023] 所述光源模塊由ASE(放大自發(fā)輻射）寬譜光源組成，為傳感監(jiān)測系統(tǒng)提供一定帶 寬的光，本發(fā)明中選用寬帶光源可以提供帶寬為（1525nm-1565nm)的光波，覆蓋波長范圍較 寬，這樣可以為所述工作面復(fù)用單元、巷道復(fù)用單元中布拉格光纖光柵選擇提供大的波長 選擇范圍，可以復(fù)用更多不同波長的布拉格光纖光柵，同時(shí)也避免了小波長范圍用于光纖 光柵監(jiān)測技術(shù)中相近波長之間的覆蓋，降低了系統(tǒng)的解調(diào)難度，增強(qiáng)系統(tǒng)的復(fù)用功能。
[0024] 所述光放大模塊由S0A(半導(dǎo)體光放大器）組成，用以提高光功率；雖然ASE(放大 自發(fā)輻射）寬譜光源的輸出功率可以達(dá)到數(shù)十毫瓦以上，但是較寬的波長輸出范圍使得寬 帶光源在每個(gè)單位波長的功率較小，這要求系統(tǒng)光路有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)以減小插入損耗，且對 光電放大性能要求較高，因此引入光放大模塊，由S0A(半導(dǎo)體光放大器)來提高ASE(放大 自發(fā)輻射）寬譜光源單位波長的功率，避免了寬譜光源在單位波長間隔內(nèi)功率較小的缺點(diǎn)， 利于監(jiān)測系統(tǒng)對光信號(hào)的傳輸和檢測。
[0025] 所述光開關(guān)陣列主要由光開關(guān)組成，主要用于對系統(tǒng)監(jiān)測通道進(jìn)行選擇和切換， 特別是當(dāng)系統(tǒng)拓展時(shí)，例如：工作面、巷道等，通過增加復(fù)用單元與光開關(guān)陣列的連接，可以 設(shè)置不同的監(jiān)測站點(diǎn)，從而對不同的監(jiān)測對象、監(jiān)測環(huán)境提供開關(guān)通道，為系統(tǒng)的選擇性運(yùn) 行提供了方便。
[0026] 參考圖2,為本發(fā)明工作面監(jiān)測模塊組成框圖，如圖2,工作面