專利名稱：礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種呼救系統(tǒng)，尤其是一種礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)， 背景技術(shù)煤礦發(fā)生災(zāi)害的原因很多，其中很多災(zāi)害發(fā)生的前兆都與微震動有關(guān)，如圍巖內(nèi) 瓦斯涌出的應(yīng)力震動，水災(zāi)害涌出前的擠壓力，沖擊地壓造成煤礦塌方的震動。另外， 災(zāi)害發(fā)生時的爆炸、塌方等各種力學(xué)作用都引起振動。震動或振動監(jiān)測是煤礦安全監(jiān)測 系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。由于煤礦的主要災(zāi)害如瓦斯爆炸、水患、礦震等都與煤巖體的 破裂有關(guān)，而破裂則必然會產(chǎn)生振動(煤巖體在受到各種力的作用的情況下，就有可能形 成在某些區(qū)域的應(yīng)力集中，當(dāng)這種應(yīng)力達到可以破裂的臨界值的時候，就會導(dǎo)致煤巖體產(chǎn)生 破裂。在大破裂之前會產(chǎn)生一系列的小破裂，破裂會產(chǎn)生震動，震動則產(chǎn)生彈性波，因此， 如何及時的監(jiān)測到這些小破裂，小震動，彈性波，并且研究其發(fā)展規(guī)律，成為當(dāng)前研究煤礦 安全問題的重要途徑)，因此，監(jiān)測并研究煤礦的種種振動事件是預(yù)防煤礦事故的重要途 徑。通過煤礦振動監(jiān)測，還可以實現(xiàn)(l)快速確定事故發(fā)生的位置，及時搶險救災(zāi)，防 止事故進一步惡化，并且通過分析原因，區(qū)別是天然地震災(zāi)害(即由于自然界力的作用所 產(chǎn)生的震動)還是煤礦開采過程中所造成的沖擊地壓(即由于人為開采活動而引起的震動， 又稱為礦山地震)；(2)參照分析結(jié)果及時調(diào)整生產(chǎn)部署，研究預(yù)測振動信息，防治災(zāi)害方 法。當(dāng)?shù)V山井下發(fā)生瓦斯爆炸、出水、塌方、火災(zāi)等重大災(zāi)害事故時，井下現(xiàn)場往往停電、 停風(fēng)，監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急傳呼系統(tǒng)受到破壞和不能使用，井下人員與井上地面指揮中心不能通 訊，難以實現(xiàn)災(zāi)后井下人員救助。目前已有的煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)主要是電子監(jiān)測系統(tǒng)，雖然這種監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展比較成 熟，但其有顯著的缺點，即電子系統(tǒng)的使用有效期較短，抗潮濕、抗腐蝕能力較差，維護費 用比較高，并且井下大量的用電系統(tǒng)也會威脅.到煤礦的安全生產(chǎn)，此外，井下災(zāi)害往往斷電， 以致現(xiàn)有電監(jiān)測呼救系統(tǒng)不能使用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種抗電磁干擾、抗腐蝕、防火防爆、體積小 并可實現(xiàn)分布式多點監(jiān)測等優(yōu)點的礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的 一種礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)，包括光纖、光解調(diào)器、揚聲器，光纖的一端與設(shè)置在控制室內(nèi)的光解調(diào)器連接，光解調(diào) 器與揚聲器連接；光纖的另一端設(shè)置在井下巷道內(nèi)，光纖在井下呈網(wǎng)絡(luò)分布，光纖上連接有 若干呈網(wǎng)絡(luò)分布的光纖振動呼救感應(yīng)器，光纖振動呼救感應(yīng)器分布在礦井下重點安全防范區(qū) 域，形成準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)，若通常所采用的光源的能級可變化范圍為50dB,光纜的 傳輸損耗經(jīng)測試為0.25dB/km，再考慮到耦合器，光連接器件等的損耗，實際能測量的距 離能達到10km以上，能夠滿足遠距離傳輸?shù)男枰Ｋ龅墓饫w上并聯(lián)或串聯(lián)有若千組成準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)的光纖振動呼救感應(yīng)器。 所述的光纖振動呼救感應(yīng)器為光纖麥克風(fēng),光纖麥克風(fēng)包括強度型光纖麥克風(fēng)和光纖光柵型麥克風(fēng)。所述的強度型光纖麥克風(fēng)由光源、光纖傳感探頭和光接收器依次連接組成。 所述的光源為發(fā)光二極管LED，光纖傳感探頭為帶金屬涂層的振動膜，光接收器為 PIN光電二極管。所述的振動膜的金屬涂層為金涂層或銀涂層。所述的光纖光柵型麥克風(fēng)包括殼體和膜片，膜片設(shè)于殼體內(nèi)，光纖光柵粘貼于膜片 上，膜片和光纖光柵的兩端通過固定件分別連接光纖。本發(fā)明主要應(yīng)用于當(dāng)井下發(fā)生重大災(zāi)害事故前的實時監(jiān)測和災(zāi)害后的救助時，在災(zāi)害發(fā)生前，很多都產(chǎn)生震動(振動)信號，這些信號能被高靈敏度的光纖振動感應(yīng)呼救器接收到， 經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，可實現(xiàn)災(zāi)害前的預(yù)測、預(yù)擎，在發(fā)生事故時，井下需要救助人員與井上地面 指揮中心的通訊。當(dāng)發(fā)生重大瓦斯爆炸，重大出水事故、重大塌方事故時，現(xiàn)場往往停電、 停風(fēng)，現(xiàn)有的應(yīng)急呼救系統(tǒng)遭到不同程度的破壞，以至于無法實現(xiàn)應(yīng)急呼救，井下人員可對 光纖振動呼救感應(yīng)器喊話或敲擊該呼救器，或敲擊身邊附近的金屬部件(如排水管道、機械 設(shè)備、)產(chǎn)生聲源或其他振動源，被敏感的光纖振動呼救感應(yīng)器接受到，通過組合網(wǎng)絡(luò)，傳輸 到井上，經(jīng)過揚聲器放大后被井上人員聽到，該原理實際上是將如聲音、震動波等振動源調(diào) 制到光信號，傳輸?shù)降孛婧蠊怆娹D(zhuǎn)換，再解調(diào)成聲音放大信號。井下空間布置的多個光纖呼 救感應(yīng)器,通過光纖光路時分復(fù)用和空分復(fù)用，可實現(xiàn)井下大面積的測點呼救，同時監(jiān)測呼 救點，實現(xiàn)井下呼救定位，該系統(tǒng)利用光纖振動光學(xué)傳感，靈敏度高，抗干擾能強，不用電 源，不怕水等特點。本發(fā)明由光纖振動系統(tǒng)構(gòu)成的應(yīng)急呼救系統(tǒng)有抗破壞能強、井下不用電 源、不怕水、容易人員定位、網(wǎng)絡(luò)分布監(jiān)測點多等很多優(yōu)點，容易解決發(fā)生事故時出現(xiàn)的難 題。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)以預(yù)防為主，在事故發(fā)生前進行預(yù)測，事故發(fā)生時可報警； (2) —旦事故發(fā)生，受害人員，能夠借助各種振動源(如呼救聲源、敲擊振動等)保證通訊聯(lián)絡(luò)暢通，同時實現(xiàn)井下人員定位；(3)整個系統(tǒng)全部由光路實現(xiàn)，井下沒有電路部分， 使系統(tǒng)成為無電源系統(tǒng)，本質(zhì)安全系統(tǒng)。


圖l是本發(fā)明井下布置示意圖； 圖2是本發(fā)明的光網(wǎng)絡(luò)圖； 圖3是光纖光柵麥克風(fēng)原理圖；圖4和圖5是巷道敲擊振動傳輸?shù)骄系碾娦盘柌ㄐ螆D *其中l(wèi).光纖，2.巷道，3.光纖振動呼救感應(yīng)器，4.光纖光柵，5.膜片，6.固定件。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。圖1、圖2所示，光纖1的一端與設(shè)置在控制室內(nèi)的光解調(diào)器連接，光解調(diào)器與揚聲器 連接；光纖1的另一端設(shè)置在井下巷道2內(nèi)，光纖l在井下呈網(wǎng)絡(luò)分布，光纖l上并聯(lián)或串 聯(lián)有若干組成準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)的呈網(wǎng)絡(luò)分布的光纖振動呼救感應(yīng)器3。光纖振動呼救 感應(yīng)器3分布在礦井下重點安全防范區(qū)域，形成準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)，若通常所采用的光 源的能級可變化范圍為50dB，光纜的傳輸損耗經(jīng)測試為0.25dB/km,再考慮到耦合器， 光連接器件等的損耗，實際能測量的距離能達到10km以上，能夠滿足ig距離傳輸?shù)男?要。針對研制的光纖振動呼救感應(yīng)器，進行現(xiàn)場測試，實驗中人為的在巷道壁上施加微 弱敲擊振動信號，在控制室中可清晰地觀察到感應(yīng)到的振動波形，如圖4、圖5所示可 以看出清楚地看到振動傳遞到井上的信號。本發(fā)明中的光纖振動呼救感應(yīng)器3為光纖麥克風(fēng)或其它光纖振動感應(yīng)器，光纖麥克風(fēng)包 括強度型光纖麥克風(fēng)和光纖光柵型麥克風(fēng)。其他光纖振動傳感器可以是在固定彈性片上 設(shè)置光纖光柵，或者直接把能感知振動的封裝的光纖光柵直接固定于礦井的墻壁上。井上井下光纖振動呼救通話系統(tǒng)能夠使井上及時地了解井下的工作情況，很多時候 語言敘述遠比圖形和數(shù)據(jù)顯示更加及時詳細(xì)。該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件光纖麥克風(fēng)是一種新穎 的聲音傳感器，把光纖應(yīng)用于麥克風(fēng)，充分利用了光纖傳感器的優(yōu)良特性，與普通的麥 克風(fēng)相比其優(yōu)勢在于體積小、結(jié)構(gòu)簡單、信息量大、易于網(wǎng)絡(luò)化、測點多、靈敏度高、 抗電磁干擾、光纖本身低損耗、耐腐蝕、安全可靠等。目前的光纖麥克風(fēng)主要有兩種。 一種是強度型光纖麥克風(fēng)，即采用的是反射式光強度調(diào)制方式，基本結(jié)構(gòu)是由光源(發(fā)光 二極管LED)、光纖傳感探頭(有金屬涂層的振動膜)和光接收器(PIN光電二極管)依次連接 組成。其工作原理是發(fā)光二極管發(fā)出的光通過Y型耦合器雙臂中的一臂入射到振動膜上， 測量光纖是利用Y型耦合器的單臂，當(dāng)聲音信號使振動膜振動時，測量光纖端面和振動 膜之間的距離會產(chǎn)生變化，光的強度因此產(chǎn)生了同聲音一致的變化，入射光被振動膜振動調(diào)制反射后部分被重新耦合到測量光纖中，這個光功率也發(fā)生了變化，反射光經(jīng)過Y 型耦合器雙臂中的另一臂輸入到光電二極管中，將光強的變化量轉(zhuǎn)換為電信號的變化， 將電信號進行放大濾波處理后通過揚聲器還原成聲訊號。這種系統(tǒng)中傳感探頭的設(shè)計是 關(guān)鍵，采用的振動膜要求厚度很薄，質(zhì)量輕，低頻響應(yīng)能力較好，同時為了使振動膜具 有很高的反射率，在選用振動膜外鍍金屬材料的時候，最好采用材料金或者銀。由于多 模光纖與光源的耦合率較高，因此在光路設(shè)計時選用標(biāo)準(zhǔn)的62.5/125/i/n多模石英光纖作 為光路的傳輸介質(zhì)。選用Y型熔融拉錐式的lx2多模光纖耦合器。影響檢測靈敏度的因 素主要有傳感探頭振動膜的振動特性，測量光纖端面與反射膜之間的距離設(shè)計，垂直 保證及散射損耗，另外還要考慮到光源的穩(wěn)定性對光強度產(chǎn)生的影響等。另外一種是光纖光柵型麥克風(fēng)，如圖3所示，光纖光柵型麥克風(fēng)包括殼體和膜片5, 膜片5設(shè)于殼體內(nèi)，光纖光柵4粘貼于膜片5上，膜片5和光纖光柵4的兩端通過固定 件6分別連接光纖1。它的工作原理是聲音通過振動作用于光纖光柵，導(dǎo)致光纖光柵的柵格間距發(fā)生變化，即 光柵的中心波長會發(fā)生變化，波長的變化幅度隨著聲場的強度而變化，因此聲音調(diào)制的是光 的波長。光纖光柵型麥克風(fēng)主要部件就是敏感感應(yīng)膜片，將光纖光槲粘貼于膜片上，各種霣 源的變化引起膜片的振動，相應(yīng)地引起光纖光柵的振動，使用中可以采用Bragg裸光柵，將 其粘貼在塑料硬殼上制成簡易的光纖光柵麥克風(fēng)。光柵型光纖麥克風(fēng)可以組成網(wǎng)絡(luò)，更適合 于應(yīng)急呼救系統(tǒng)。它是在光纖中"寫入"按照設(shè)計要求的折射率變化區(qū)，形成窄帶的反射濾波 器。當(dāng)光柵周期為A時，得到的反射光波長為XB (布拉格波長)XB=2nefiA,其中neff為 該波長的有效折射率。反射波長的變化為AXB =2neffAA+2AAneff。聲音很容易通過振動作 用于光纖柵，導(dǎo)致光柵常數(shù)變化。通過該光柵的透射光中心波長會發(fā)生變化，波長的變化幅 度隨聲場的強度而變，因此聲音調(diào)制的是光波長，再通過光電轉(zhuǎn)換將聲音還原，不同的光柵 調(diào)制可以得到不同的聲場變化信號，因此，可以在一根光纖上實現(xiàn)多個麥克串接，從而組成 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。多個光纖振動呼救感應(yīng)傳感器按照一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(包括線性陣列、星形、梯形、 環(huán)形)離散地組合在一起的光纖多路復(fù)用系統(tǒng)，通過尋址、解調(diào)來檢測出被測量的大小和分布。對準(zhǔn)光纖光柵振動呼救器講話，上傳到井上，經(jīng)光電解調(diào)后得出的電壓信號再通過 揚聲器即可解調(diào)出聲音。在實驗中心所建立的煤礦巷道中安裝此光纖光柵麥克風(fēng)進行實 驗，系統(tǒng)的其它裝置都放置在控制室中，一人在巷道中對準(zhǔn)光纖麥克風(fēng)喊話，在控制室 中即可聽到其聲音。很多災(zāi)害發(fā)生前后，常出現(xiàn)煤巖體受到各種力的作用，就有可能形成在某些區(qū)域的應(yīng)力 集中，當(dāng)這種應(yīng)力達到可以破裂的臨界值的時候，就會導(dǎo)致煤巖體產(chǎn)生破裂。在大破裂之前 會產(chǎn)生一系列的小破裂，破裂會產(chǎn)生震動，震動則產(chǎn)生彈性波，因此，如何及時的監(jiān)測到這 些小破裂，小震動，彈性波，并且研究其發(fā)展規(guī)律，成為當(dāng)前研究煤礦安全問題的重要途徑。煤礦振動監(jiān)測的主要目的是(l)快速確定事故發(fā)生的位置，及時搶險救災(zāi)，防止事故進一步惡化，并且通過分析原因，區(qū)別是天然地震災(zāi)害(即由于自然界力的作用所產(chǎn)生 的震動)還是煤礦開采過程中所造成的沖擊地壓(即由于人為開采活動而引起的震動，又稱 為礦山地震)；(2)參照分析結(jié)果及時調(diào)整生產(chǎn)部署，研究預(yù)測振動信息，防治災(zāi)害方法。 因此，振動監(jiān)測是煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。由于煤礦的主要災(zāi)害如瓦 斯爆炸、水患、礦震等，都與煤巖體的破裂有關(guān)，而破裂則必然會產(chǎn)生振動，因此，監(jiān) 測并研究煤礦的種種振動事件是預(yù)防煤礦事故的重要途徑。針對煤礦振動監(jiān)測以及本發(fā)明的需要，建立了一個煤礦巷道模型，在巷道內(nèi)安裝多 個研制的光纖振動呼救感應(yīng)器，同時，將光纖光柵直接粘貼在礦用錨桿上形成振動監(jiān)測 傳感器，然后通過連接光纖與井上控制室光連接器、光解調(diào)器連接，進行振動傳感實驗 后，取得了良好的效果。經(jīng)過一周的不間斷實驗監(jiān)測，能夠滿足實際應(yīng)用的要求。
權(quán)利要求
1.一種礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)，包括光纖、光解調(diào)器、揚聲器，其特征在于光纖的一端與設(shè)置在控制室內(nèi)的光解調(diào)器連接，光解調(diào)器與揚聲器連接；光纖的另一端設(shè)置在井下巷道內(nèi)，光纖在井下呈網(wǎng)絡(luò)分布，光纖上連接有若干呈網(wǎng)絡(luò)分布的光纖振動呼救感應(yīng)器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)，其特征在于所述的光 纖上并聯(lián)或串聯(lián)有若干組成準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)的光纖振動呼救感應(yīng)器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖振動呼救感應(yīng)器為光纖麥克風(fēng)，光纖麥克風(fēng)包括強度型光纖麥克風(fēng)和光纖光柵型麥克風(fēng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)，其特征在于所述的強 度型光纖麥克風(fēng)由光源、光纖傳感探頭和光接收器依次連接組成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)，其特征在于所述的光 源為發(fā)光二極管LED,光纖傳感探頭為帶金屬涂層的振動膜，光接收器為PIN光電二極 管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)，其特征在于所述的振 動膜的金屬涂層為金涂層或銀涂層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)，其特征在于所述的光纖光柵型麥克風(fēng)包括殼體和膜片，膜片設(shè)于殼體內(nèi)，光纖光柵粘貼于膜片上，膜片和光 纖光柵的兩端通過固定件分別連接光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種礦山井下災(zāi)害無電光纖振動呼救系統(tǒng)，包括光纖、光解調(diào)器、揚聲器，光纖的一端與設(shè)置在控制室內(nèi)的光解調(diào)器連接，光解調(diào)器與揚聲器連接；光纖的另一端設(shè)置在巷道內(nèi)，且光纖上連接有若干光纖振動呼救感應(yīng)器。本發(fā)明主要應(yīng)用于當(dāng)井下發(fā)生重大災(zāi)害事故后，現(xiàn)場人員與井上地面指揮中心的通訊。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(1)以預(yù)防為主，在事故發(fā)生前進行預(yù)測，事故發(fā)生時可報警；(2)一旦事故發(fā)生，受害人員，能夠借助各種振動源(如呼救聲源、敲擊振動等)保證與井上人員通訊聯(lián)絡(luò)暢通，同時實現(xiàn)井下人員定位；(3)整個系統(tǒng)全部由光路實現(xiàn)，井下沒有電路部分，使系統(tǒng)成為無電源系統(tǒng)，本質(zhì)安全系統(tǒng)。
文檔編號G08B21/00GK101265812SQ20081001587
公開日2008年9月17日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月9日
發(fā)明者奇 蔣, 磊 賈, 隋青美 申請人:山東大學(xué)