CN104454007A - 一种基于多纤芯光纤的煤矿安全预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多纤芯光纤的煤矿安全预警系统，对井下温度、应变、振动同时进行测量。采用一根多纤芯光纤中不同的纤芯感知对温度、应变和振动等物理量，通过多纤芯分束器实现各物理量的分布式实时测量。本发明采用一根光纤即可用多传感器融合的方式综合评价煤矿井下健康状况，大大节省了光缆敷设成本，同时仅占用通信光缆的较少带宽，适用于恶劣环境的监测要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用多纤芯光纤对煤矿安全进行全光纤监测的系统，用于实时监测井下进行报警。
背景技术
煤矿安全生对国民经济起着至关重要的作用。近些年和煤矿有关的安全事故层出不穷，严重影响到国家和人民的利益，带来很多负面社会影响。因此，对煤矿区、特别是井下进行全方位的安全监测十分必要。采煤区环境复杂，对电磁防爆要求极高，普通的电类传感器无法适应监测需求。采用光学传感的手段对井下瓦斯浓度，温度变化状况等信息进行安全监测可以做到不受电磁干扰影响，本质安全，易于组网，适用于煤炭行业的安全监测需求。
传统的光学监测手段一般采用点式传感的方式对井下重要物理量进行实时测量。现有实用新型专利CN201320347593提出一种基于光纤传感技术的煤矿瓦斯气体安全监测系统，实现了煤矿瓦斯的实时在线监测，具有较高的精度、使用稳定性及较高的安全系数，减少了粉尘和潮湿对探头的影响，并能自动校准。神华集团有限责任公司提出了一种煤矿采空区温度监测系统(申请号：201320477685.X)。通过导向安装装置使液压支架的回采移动与采空区传感光纤的铺设同步进行，利用光纤温度传感技术实时监测采空区温度，实现了对采空区的温度的远程实时监测。但分布式光纤传感技术不具备同时测量温度，应变及振动等井下关注的重要物理量的能力。一般需要多根光纤分别对不同的物理量进行测量，无形中占用了光缆中的更多光纤资源，同时增加施工成本。多纤芯光纤是近些年学术研究的热点之一，被应用于下一代大容量光通信，对于提高光通信传输带宽具有重大意义。在光纤传感上的应用目前还不是很多，英国爱丁堡赫瑞瓦特大学W.N.Macpherson等人在多纤芯光纤中刻蚀光纤光栅，并成功制造出用于恶劣环境的多轴加速度传感器。在我国多纤芯光纤传感的工程应用并不多见。
以上技术和专利均未能实现一根光纤同时对多参数进行分布式综合测量的需求，基于此，本发明提出一种多纤芯光纤传感技术对井下温度、应变、振动同时进行测量。采用一根多纤芯光纤中不同的纤芯感知对温度、应变和振动等物理量，通过多纤芯分束器实现各物理量的分布式实时测量。采用一根光纤即可用多传感器融合的方式综合评价煤矿井下健康状况，大大节省了光缆敷设成本，同时仅占用通信光缆的较少带宽，适用于恶劣环境的监测要求。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术多参量监测时占用较多通信光纤资源的不足，提供一种基于多纤芯光纤的煤矿安全预警系统，将煤矿监测所需的多物理参数用同一传感光纤进行实时测量，大大提高测量准确性和系统的稳定度；同时多纤芯光纤煤矿安全监测系统可实现一根光纤监测，大大节省了检测成本。
本发明技术解决方案：一种基于多纤芯光纤煤矿安全预警系统，包括：用于传感的多纤芯光纤、用于连接传感光纤和传输光纤的多纤芯光纤分束器，光源模块和解调模块；采用不同或相同的光源模块，通过多纤芯光纤分束器将光耦合进入多纤芯光纤，多纤芯光纤分束器连接至传感光纤；传感光纤经过涂覆层及外护套保护，以光缆的形式敷设到煤矿区监测区域；煤矿监测区光缆沿线的物理参数发生变化时，光缆处煤层的变形导致的光缆应变，井下工作面的微振动均被光纤感知，并且通过发射光脉冲的和接收光脉冲的情况定位物理量变化的位置；最后，多芯光纤分束器将多纤芯光纤的不同纤芯采集的物理量传送到设计好的不同解调系统将多参量信息实时解调并送网络传输系统。
所述的多纤芯光纤分束器采用氢氟酸将直径125μm的多根标准单模光纤通过刻蚀的方法，达到多纤芯光纤相同的直径即125μm后进行耦合，传输光波。
所述用于传感的多纤芯光纤的中间段在成缆时经同一光纤预制棒拉制而成，材料均匀，热稳定性好，和采用多根光纤传感相比具有更高的测量精度和更好的稳定性。
所述用于传感的多纤芯光纤的中间段分为3芯4芯或更多纤芯的标准单模光纤，每个纤芯监测一个物理量，根据所需监测的物理量的多少，光纤芯可增减，不占用现有煤矿通信资源。光纤的长度一般在4至6公里，根据煤矿井下具体监测需求长度可变。
煤矿区监测点处的温度变化、矿振、矿体结构应变事件均能够通过传感段多纤芯光纤进行实时分布式测量。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明不同于以往的分布式光纤传感技术需要用一根光纤测量一个物理量，取而代之，本发明采用一根光纤中的不同纤芯即可实现多参数的分布式或点式测量，根据传感需求，组合灵活多变。一根光纤中的每一个纤芯即可测量一个物理量，并且对光纤长度上该物理量的变化位置定位。当监测物理量需求多的时候，仅需要在光纤制备时增加纤芯的个数即可实现多参数的分布式实时测量。
(2)采用本发明提出的一根光纤结构进行煤矿多参数测量，传感介质均在一根光纤内，受环境影响小，最大程度避免了系统误差。
(3)同一光纤内的不同纤芯可以完成不同监测量的分布式测量，根据监测需求，只需改变光源和解调系统，即可改变需要监测的物理量，灵活方便。
(4)整体传感器采用一根光纤做传输传感介质，采用较少的通信带宽即可完成监测需求，降低了光缆敷设的成本和复杂性，节约了通信带宽。
附图说明
图1多纤芯光纤传感系统示意图；
图2显微镜下显示的多纤芯光纤端面；
图3井下光缆敷设示意图；
图4多纤芯光纤测温结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：多纤芯光纤、多纤芯光纤分束器，光源模块和解调模块；采用不同或相同的光源模块，通过多纤芯光纤分束器将光耦合进入多纤芯光纤，多纤芯光纤分束器将需要监测的不同物理量送解调系统解调。
系统的整体结构图如图2所示。中间段光纤部分可以为3芯4芯或更多纤芯的标准单模光纤，根据所需监测的物理量的多少，光纤芯可增减。光纤的长度一般在4至6公里，根据煤矿井下具体监测需求长度可变。光源系统的光经过多纤芯分束器连接至传感光纤。传感光纤经过涂覆层及外护套保护，以光缆的形式敷设到煤矿区监测区域。煤矿监测区光缆沿线的物理参数发生变化时，如温度的变化，光缆处煤层的变形导致的光缆应变，井下工作面的微振动等等均可被光纤感知，并且通过发射光脉冲的和接收光脉冲的情况可以定位物理量变化的位置。这里采用多芯光纤相比传统分布式光纤传感的优势在于，所有需要测量的物理量可以用一根光纤实现分布式监测同时各物理量之间不存在交叉敏感的问题。传感结构紧凑，集成度高，有利于提高检测的精度，降低系统误差。另外，由于井下施工复杂，只采用一根光纤有利于降低施工难度，提高效率。最后，多芯光纤分束器将多纤芯光纤的不同纤芯采集的物理量传送到设计好的不同解调系统将多参量信息实时解调并送网络传输系统。
如图3所示为本发明的一个具体实施方案：用于传感光纤的中间段为4芯标准单模光纤，根据所需监测的物理量的多少，光纤芯可增减。在这里，采空区内敷设的光缆长度为5公里，根据煤矿井下具体监测需求长度可变。
50ns的脉冲光源发出的光以一定重复频率经过多纤芯分束器连接至传感光纤。传感光纤经过涂覆层及外护套保护，以光缆的形式敷设到煤矿区监测区域。煤矿监测区光缆沿线的物理参数发生变化时，如温度的变化，光缆处煤层的变形导致的光缆应变，井下工作面的微振动等等均可被光纤感知，并且通过发射光脉冲的和接收光脉冲的情况可以定位物理量变化的位置。一个典型的温度测量结果图如图4所示，对1100米至1250米光缆进行加热并恒温后，利用分布式温度测量原理测得该处温度值为85℃。如果光缆区的温度和应变同时发生变化时，同样的原理适用于温度和应变等物理量的同时测量。同一光缆处光纤的不同纤芯中的光相位将分别受温度和应变的调制，该信号通过同一光纤中的不同纤芯传输，多纤芯分束器可以将其送入不同的解调系统解调。从而还原被测参数信息并定位。在这里，可以采用类似蛇形结构对井下采空区进行光缆敷设，这种敷设方式有助于较全面的反应采空区的状况，方便于监测采空区由于煤层温度的突然升高导致的自然发火。整个采空区需要监测长度为1公里，光缆长度可以增加为4到6公里。图4为一个典型的多纤芯光纤中的一芯进行的分布式温度监测实验结果图。1000到1250段长度250米的光纤被放置在恒温箱中，该部分温度测量值为80℃。
这里采用多芯光纤相比传统分布式光纤传感的优势在于，所有需要测量的物理量可以用一根光纤实现分布式监测同时各物理量之间不存在交叉敏感的问题。传感结构紧凑，集成度高，有利于提高检测的精度，降低系统误差。另外，由于井下施工复杂，只采用一根光纤有利于降低施工难度，提高效率。最后，多芯光纤分束器将多纤芯光纤的不同纤芯采集的物理量传送到设计好的不同解调系统将多参量信息实时解调并送网络传输系统。
总之，本发明采用一根光纤即可用多传感器融合的方式综合评价煤矿井下健康状况，大大节省了光缆敷设成本，同时仅占用通信光缆的较少带宽，适用于恶劣环境的监测要求。
Claims (5)
1.一种基于多纤芯光纤的煤矿安全预警系统，其特征在于包括：用于传感的多纤芯光纤、用于连接传感光纤和传输光纤的多纤芯光纤分束器，光源模块和解调模块；采用不同或相同的光源模块，通过多纤芯光纤分束器将光耦合进入多纤芯光纤，多纤芯光纤分束器连接至传感光纤；传感光纤经过涂覆层及外护套保护，以光缆的形式敷设到煤矿区监测区域；煤矿监测区光缆沿线的物理参数发生变化时，光缆处煤层的变形导致的光缆应变，井下工作面的微振动均被光纤感知，并且通过发射光脉冲的和接收光脉冲的情况定位物理量变化的位置；最后，多芯光纤分束器将多纤芯光纤的不同纤芯采集的物理量传送到设计好的不同解调系统将多参量信息实时解调并送网络传输系统。
2.根据权利要求1所述的基于多纤芯光纤的煤矿安全预警系统，其特征在于：所述的多纤芯光纤分束器采用氢氟酸将直径125μm的多根标准单模光纤通过刻蚀的方法，达到多纤芯光纤相同的直径即125μm后进行耦合，传输光波。
3.根据权利要求1所述的基于多纤芯光纤的煤矿安全预警系统，其特征在于：所述用于传感的多纤芯光纤的中间段在成缆时经同一光纤预制棒拉制而成，材料均匀，热稳定性好，和采用多根光纤传感相比具有更高的测量精度和更好的稳定性。
4.根据权利要求1所述的基于多纤芯光纤的煤矿安全预警系统，其特征在于：所述用于传感的多纤芯光纤的中间段分为3芯4芯或更多纤芯的标准单模光纤，每个纤芯监测一个物理量，根据所需监测的物理量的多少，光纤芯可增减，不占用现有煤矿通信资源；多纤芯光纤的长度范围为4至6公里，根据煤矿井下具体监测需求长度可变。
5.根据权利要求1所述的基于多纤芯光纤的煤矿安全预警系统，其特征在于：煤矿区监测点处的温度变化、矿振、矿体结构应变事件均能够通过传感段多纤芯光纤进行实时分布式测量。
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