監(jiān)測模塊主要由環(huán) 形器、分光計、光功率探測模塊、氣體探測模塊組成；其中環(huán)形器主要將一定帶寬的光入射 到光纖光柵中；分光計主要將光纖光柵反射回的光分成兩束，一束直接接入光功率探測模 塊相連，另一束直接接入解調(diào)模塊；光功率探測模塊主要由光功率探測器（PD)組成，主要 完成對經(jīng)過氣體探測模塊和直接接入的光的探測，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換； 另外，在圖2中，環(huán)形器后邊接入的為光纖光柵陣列即為工作面復用單元，每個復用通 道由兩根帶有布拉格光纖光柵的光纖組成，即為在圖2中標注的1、2至N的光纖光柵陣列， 虛線框a中標注的為反射波長相同的FBG(光纖布拉格光柵）對，在光纖光柵陣列1、2至N 中，兩根光纖，其中一條為溫補光纖，在光柵同時受溫度和壓力兩個因素影響的情況下，其 可以為檢測提供一個單一變量的參考，使得檢測分析更為精確。
[0027] 特別的在圖2中所采用的氣體探測模塊主要由進行工藝處理過的具有一定光程 的氣室組成，氣室光程的選擇可以根據(jù)所要檢測氣體吸收系數(shù)而定，在此可以選擇光程 較長的氣室，使得光可以與氣體充分接觸，利于光譜的吸收，為系統(tǒng)檢測吸收系數(shù)較小的 氣體提供硬件條件，方便系統(tǒng)拓展，提高檢測的精度；在該設(shè)計中主要運用了激光吸收光 譜技術(shù)，主要是利用激光能被氣體分子選頻吸收形成吸收光譜來檢測氣體濃度；激光吸 收光譜技術(shù)主要以布格-朗伯-比爾定律（Bouguer-Lambert-Beerlaw)為基礎(chǔ)，在已 知入射光強和透射光強以及不同氣體對特定波長光的吸收系數(shù)時，就可以根據(jù)布格-朗 伯-比爾定律求出對應檢測氣體的濃度；參考圖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，在所述復用單元中選擇的FBG(光纖布拉格光柵）陣列為 個:，反射回的波長分別為1^、%至I，如圖3中（a)圖所示；在經(jīng)所述氣 體探測模塊中的氣室后，由激光吸收光譜技術(shù)可知，當周圍監(jiān)測環(huán)境中的危險氣體進入到 氣體探測模塊中的氣室時，會有特定波長的光被吸收減弱；且FBG(光纖布拉格光柵)陣列中 選有對該危險氣體吸收峰相同和相近的光纖光柵，反射光中存在有該危險氣體對應吸收峰 波長的光，例如圖3中對應的即為某危險氣體吸收峰對應波長的光，在經(jīng)過氣體探測模 塊吸收后，如圖3中（b)圖所示，在進入氣室后波長為_的光強明顯減弱；基于上述原理， 由所述光功率探測模塊檢測入射光強、透射光強，然后接入解調(diào)模塊中的算術(shù)單元，對檢測 進行信息處理，通過礦用傳輸光纜，接入上位機分析監(jiān)測模塊，對檢測信號進行數(shù)據(jù)處理和 顯不〇
[0028] 參考圖4,為本發(fā)明巷道監(jiān)測模塊組成框圖，如圖4,巷道監(jiān)測模塊主要由環(huán)形器、 分光計、光功率探測模塊組成；其中各模塊的功能和作用同所述工作面監(jiān)測模塊相同，部分 模塊有所不同，虛線框b中標注的同樣為反射波長相同的FBG(光纖布拉格光柵）對，對比 圖3可知，刪除了氣體探測模塊；由于在不同工作面和環(huán)境下監(jiān)測對象不同，因此對此作了 這樣的設(shè)計。
[0029] 所述解調(diào)模塊，主要由光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀組成，用于對復用單元由布拉格光柵 的反射光信號和通過氣體檢測模塊的光信號進行解調(diào)；以及對光功率探測模塊檢測的電信 號進行解調(diào)；所述光纖光柵靜態(tài)解調(diào)儀主要對由FBG(光纖布拉格光柵)陣列返回的光信號 進行解調(diào)，同時為氣體探測模塊對危險氣體檢測提供分析參考；所述對電信號進行解調(diào)的 算術(shù)單元，主要由模擬電路和數(shù)字電路實現(xiàn)電的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，該模擬電路 和數(shù)字電路通過光纖引到礦井上面，保證了本安特性；并通過算法對數(shù)據(jù)進行濾波、降噪處 理，使得分析結(jié)果更為精確。
[0030] 所述上位機分析監(jiān)測模塊主要由數(shù)據(jù)處理與分析單元、數(shù)據(jù)存儲單元、人機交互 單元組成，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)進行存儲，帶 有參數(shù)設(shè)置單元，可以對監(jiān)測信息進行參數(shù)設(shè)定以及對井下狀況進行顯示、數(shù)據(jù)共享、預警 等；通過上述模塊可以方便直接的監(jiān)測礦下安全狀況，并對歷史數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)記錄等信息 進行管理，為礦井安全分析提供參考，為監(jiān)測系統(tǒng)管理、運行提供方便。
[0031] 所述光傳輸模塊主要由通訊光纖、礦用傳輸光纜組成，其作為光信息的載體，實現(xiàn) 上述各模塊間的通信連接和信息傳輸； 基于上述設(shè)計，本發(fā)明一種基于光纖光柵的礦用多功能傳感監(jiān)測系統(tǒng)，可以通過增加 或選擇不同光纖光柵陣列、復用單元，以及不同工作面監(jiān)測模塊，布設(shè)不同的監(jiān)測站點，方 便拓展使用，以達到對礦井下支架壓力、鉆孔應力、離層監(jiān)測、錨桿應力、錨索應力、水壓等 監(jiān)測對象的監(jiān)測。
[0032] 通過上述方式，本發(fā)明一種基于光纖光柵的礦用多功能傳感監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn) 對溫度、應變、危險氣體的精確檢測；系統(tǒng)復用能力強，可以實現(xiàn)多點分布監(jiān)測，各模塊安裝 靈活方便；能夠?qū)ο到y(tǒng)監(jiān)測信息進行實時處理與數(shù)據(jù)存儲、共享，方便礦上管理；系統(tǒng)具有 本質(zhì)安全特性、抗電磁干擾、適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點；基于上述對監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計，本監(jiān)測系 統(tǒng)可以為礦上安全生產(chǎn)提供可靠的指導，能夠滿足現(xiàn)代煤礦安全生產(chǎn)對新一代監(jiān)測系統(tǒng)的 苛刻要求。
【主權(quán)項】
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、工作面復用單元、巷道監(jiān)測模塊、巷道復用單元、解 調(diào)模塊、上位機分析監(jiān)測模塊、光傳輸模塊。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述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： 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， 光源模塊與光放大模塊的輸入端相連；所述光放大模塊由SOA (半導體光放大器）組成，用 以提高光功率；光放大模塊的輸出端與光開關(guān)陣列輸入端相連；所述光開關(guān)陣列用以實現(xiàn) 不同監(jiān)測通道的切換選擇，光開關(guān)陣列的輸出端分別與工作面監(jiān)測模塊的輸入端和巷道監(jiān) 測模塊的輸入端相連；所述工作面監(jiān)測模塊的輸出端與工作面復用單元相連；所述巷道監(jiān) 測模塊的輸出端與巷道復用單元相連。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述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： 所述解調(diào)模塊的輸入端接監(jiān)測模塊的返回信號，輸出端與上位機分析監(jiān)測模塊的輸入端相 連；所述上位機分析監(jiān)測模塊由數(shù)據(jù)處理與分析單元、數(shù)據(jù)存儲單元、人機交互單元組成。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述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： 所述光傳輸模塊由通訊光纖、礦用傳輸光纜組成，用以實現(xiàn)各模塊間的通信連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述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： 所述工作面監(jiān)測模塊由環(huán)形器、分光計、光功率探測模塊、氣體探測模塊組成；所述巷道監(jiān) 測模塊由環(huán)形器、分光計、光功率探測模塊組成。6. 所述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：采用布拉格光柵 作為光纖光柵來檢測壓力和溫度的變化，并且在同一溫度場中布置兩根帶有布拉格光柵的 光纖，一根光纖用于測量被測物壓力變化，它同時受溫度和應變的影響；另一根用于測量溫 度變化，它只受溫度影響；系統(tǒng)使用復用單元，增強系統(tǒng)的復用功能；并將光纖光柵反射光 由分光計接入氣體探測模塊來對礦井下危險氣體進行檢測；同時實現(xiàn)了對礦井下的溫度、 壓力、危險氣體的實時監(jiān)測，通過上位機分析監(jiān)測模塊對井下狀況進行實時監(jiān)測。
【專利摘要】本發(fā)明公布一種基于光纖光柵的礦用多功能傳感監(jiān)測系統(tǒng)，屬于井下安全監(jiān)測系統(tǒng)；該系統(tǒng)由光源模塊發(fā)光，光源選擇ASE寬帶光源，光源模塊與光放大模塊輸入端相連，使得光功率加強；光放大模塊輸出端與光開關(guān)陣列輸入端相連，光開關(guān)陣列的輸出端與工作面監(jiān)測模塊、巷道監(jiān)測模塊的輸入端相連，由此實現(xiàn)不同監(jiān)測通道的切換；工作面監(jiān)測模塊實現(xiàn)對工作面所要檢測的壓力、溫度、危險氣體進行監(jiān)測；巷道監(jiān)測模塊實現(xiàn)對巷道所要檢測的壓力、溫度進行監(jiān)測；實現(xiàn)光信號的讀取；解調(diào)模塊實現(xiàn)對監(jiān)測信息的分析與處理，完成系統(tǒng)監(jiān)測任務；光傳輸模塊實現(xiàn)系統(tǒng)光信號的傳遞；該監(jiān)測系統(tǒng)采用溫補光纖，極大提高監(jiān)測精度；采用復用單元，極大提高系統(tǒng)利用率；采用氣體檢測技術(shù)，增強系統(tǒng)的功能。
【IPC分類】G01N21/31
【公開號】CN105021539
【申請?zhí)枴緾N201410175840
【發(fā)明人】劉海, 潘紅帥, 冷樂蒙, 程德強, 崔海娜, 牛曉聰, 田偉, 魏巍, 賈宇玢, 馬翰林
【申請人】中國礦業(yè)大學
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2014年4月29日