CN101696639A - 光纤煤矿突水前兆信息监测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤煤矿突水前兆信息监测仪，包括传感器阵列、光纤分路器、光纤光栅解调装置和计算机。传感器阵列由光纤温度传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器和光纤渗压传感器组成。光纤温度传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器和光纤渗压传感器都是光纤光栅传感器，它们采集到的温度、应变、位移和渗压等物理量通过光缆，经光纤分路器传送到光纤光栅解调装置，光纤光栅解调装置将采集到的光波长信号转化成电信号，最终传送到计算机。计算机通过软件系统对现场信息进行实时分析和监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤煤矿突水前兆信息监测仪，属于光纤光栅传感、岩土工程监测和仪器仪表领域。
背景技术
我国煤炭工业还存在着产业集约化程度低、生产力水平落后、安全状况严峻等诸多问题，瓦斯煤尘爆炸、煤矿突水等重特大事故频繁发生，灾害事故多，经济损失巨大。其中矿井突水事故在死亡人数上和发生次数上，仅次于煤矿瓦斯事故，但造成的经济损失一直居各类煤矿灾害之首。随着矿井开采条件趋于复杂，矿井突水事故居高不下，仅2000年到2006年的7年间就发生重、特大矿井突水事故435起，死亡2199人。在过去的20年内，有250多对矿井被水淹没，经济损失高达350多亿元人民币，同时，对矿区水资源与环境也造成巨大的破坏。因此，开展矿井突水预测预报基础理论和监测技术的研究，有效控制水害是煤矿安全生产的重大课题。
虽然国内外对矿井突水预测预报的理论和方法进行了大量的研究，但是，在煤矿防水中大多采取“有疑必探，先探后掘”的方法，甚至逢掘必探，既浪费物力，又浪费人力；每次探测都需携带仪器下井操作，不能实现连续实时监测，不能保证探测人员的人身安全；目前我国煤矿检测装置是建立在电信号检测基础上，存在着寿命短、防水防爆性能差、安装维护复杂、成本高的问题，并且有些区域，现有技术不能测量，不能满足安全生产的需要。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供了一套测量精度高，体积小，具有良好的防水性能，抗电磁干扰，并且可以长期实时监测的光纤煤矿突水前兆信息监测仪。
为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
光纤煤矿突水前兆信息监测仪，包括一个传感器阵列，传感器阵列通过光纤与光纤分路器连接；所述光纤分路器通过光纤光栅解调装置与计算机连接。
传感器阵列中包括有光纤温度传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器以及光纤渗压传感器，各传感器并联连接；光纤温度传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器以及光纤渗压传感器均为光纤光栅传感器。
光纤温度传感器采用双管结构，包括一个外套管以及一个内套管；所述内套管中有光纤布拉格光栅。外界温度变化通过两层套管传到光纤光栅，引起光栅中心波长的变化。双套管结构可以有效避免应变等参数的影响。
光纤应变传感器包括相似材料块，在相似材料块上黏贴三根光纤布拉格光栅。相似材料块是一个由模型相似材料制成的3cm×3cm×3cm正方体，在相似材料块上分别沿0°，45°和90°黏贴三根光纤布拉格光栅，能够同时测量横向、纵向和切向三个方向的应变值。
光纤位移传感器包括一个基座、套管；在套管内设置有弹性体和光纤布拉格光栅，其中弹性体与光纤布拉格光栅串联；弹性体的另一端固定在固定端上；光纤布拉格光栅的另一端为传输光纤。待测点处的基座移动使得弹性体伸长，光纤光栅受力而发生中心波长漂移，光栅中心波长的漂移量与基座的位移呈线性关系。
所述光纤渗压传感器包括一个外壳，在外壳的两端设置有进压口，外壳的顶端设置有引线孔；在外壳内部设置有一压力杆，压力杆的两端分别连接有波纹膜片，在压力杆上设置有光纤布拉格光栅；光栅通过引线孔引出一根传输光纤。波纹膜片在压力作用下发生挠度变形，使得光纤光栅的长度发生变化，进而引起光纤光栅中心波长漂移，光栅中心波长的漂移量与膜片感受的压力呈线性关系。
本发明包括传感器阵列、光纤分路器、光纤光栅解调装置和计算机。其传感器阵列由光纤温度传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器和光纤渗压传感器组成。光纤温度传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器和光纤渗压传感器作为传感元件采集温度、应变、位移和渗压等物理量，光纤分路器将光纤光栅解调装置中光源发出的光分成多束，传送到传感器支路，并将传感器的发射光合成一束传送到解调装置，光纤光栅解调装置是基于F-P腔解调原理设计的，光纤光栅解调装置将采集到的光栅反射光转化成电信号，实现波长解调。
光源发出的光信号经光纤分路器和光缆传送到光纤光栅传感器，煤矿突水前，巷道和采空区围岩的温度、应变、位移和渗压等物理量会发生突变，从而引起传感器反射光中心波长的变化，携带温度、应变、位移和渗压等信号的反射光经光缆和分路器传输到光纤光栅解调装置，光栅解调装置通过接口将传感器的波长信号传送到计算机。计算机对采集的信号进行实时分析，并可以对变化曲线进行实时显示。
本发明的有益效果是：本发明实现了电信号和光信号的分离，因此具有良好的防水性能，并且不存在电火花隐患，提高了测量精度。同时，本发明便于组网，可以实现准分布式实时监测，并且基于温度、应变、位移和渗压等多种参量进行综合分析，提高了测量的可靠性。
说明书附图
图1为本发明光纤煤矿突水前兆信息监测仪的结构图；
图2为光纤光栅温度传感器；
图3为光纤光栅应变传感器；
图4为光纤光栅位移传感器；
图5为光纤光栅渗压传感器；
图6为本发明的温度传感器变化曲线；
图7为本发明的应变传感器变化曲线；
图8为本发明的位移传感器变化曲线；
图9为本发明的渗压传感器变化曲线。
其中，1、传感器阵列；2、光纤温度传感器；3、光纤应变传感器；4、光纤位移传感器；5、光纤渗压传感器；6、光纤分路器；7、光纤光栅解调装置；8、计算机；9、内套管；10、外套管；11、光纤布拉格光栅；12、底座；13、基座；14、套管；15、弹性体；16、固定端；17、传输光纤；18、外壳；19、进压口；20、引线孔；21、压力杆；22、波纹膜片。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示的结构示意图，本发明所述的光纤煤矿突水前兆信息监测仪包括传感器阵列1、光纤分路器6、光纤光栅解调装置7和计算机8。传感器阵列1由光纤温度传感器2、光纤应变传感器3、光纤位移传感器4和光纤渗压传感器5组成，对温度、应变、位移和渗压等物理量敏感，在系统中承担传感作用。光纤分路器6在系统中承担将光信号分束和合成的作用。光纤光栅解调装置7中的光源发射红外光，光纤光栅解调装置7负责采集传感器的光波长信号并转化成电信号，最终传送到计算机8。计算机8对现场信息进行实时分析和监测。
光纤温度传感器2采用双管结构，包括一个外套管10以及一个内套管9；所述内套管9中有光纤布拉格光栅11。外界温度变化通过两层套管传到光纤光栅，引起光栅中心波长的变化。双套管结构可以有效避免应变等参数的影响。
光纤应变传感器3包括相似材料块12，在相似材料块12上黏贴三根光纤布拉格光栅11。相似材料块12是一个由模型相似材料制成的3cm×3cm×3cm正方体，在相似材料块上分别沿0°，45°和90°黏贴三根光纤布拉格光栅11，能够同时测量横向、纵向和切向三个方向的应变值。
光纤位移传感器包4括一个基座13、套管14；在套管14内设置有弹性体15和光纤布拉格光栅11，其中弹性体15与光纤布拉格光栅11串联；弹性体15的另一端固定在固定端16上；光纤布拉格光栅11的另一端为传输光纤17。待测点处的基座移动使得弹性体伸长，光纤光栅受力而发生中心波长漂移，光栅中心波长的漂移量与基座的位移呈线性关系。
所述光纤渗压传感器5包括一个外壳18，在外壳18的两端设置有进压口19，外壳18的顶端设置有引线孔20；在外壳18内部设置有一压力杆21，压力杆21的两端分别连接有波纹膜片22，在压力杆21上设置有光纤布拉格光栅11；光栅通过引线孔20引出一根传输光纤17。波纹膜片22在压力作用下发生挠度变形，使得光纤光栅的长度发生变化，进而引起光纤光栅中心波长漂移，光栅中心波长的漂移量与膜片感受的压力呈线性关系。
传感器周围的温度、应变、位移和渗压等物理量发生变化时，传感器反射光中心波长也随之发生变化，携带温度、应变、位移和渗压等信号的反射光经光缆和光纤分路器6传输到光纤光栅解调装置7，光纤光栅解调装置7通过接口将传感器的波长信号传送到计算机8。计算机8对采集的信号进行实时分析，并可以对变化曲线进行实时显示。
本发明的具体制作过程为：首先，选择合适的光纤温度、应变、位移和渗压传感器，并将其埋设在围岩中，每个监测点同时布设四个传感器。然后，组成传感网络将传感器分别和光纤分路器连接，并将分路器和光纤解调仪连接，解调仪和计算机相连。最后，进行网络调试，保证整个传感网络可以正常工作。
为了实现本发明的目的，在试验模型中进行了试验，得到了较好的结果，并且传感器成活率达95％。
为了实现本发明的目的，在试验模型中进行了试验，传感器成活率达95％，并且得到了较好的结果。由图6，图7，图8和图9可以看出，随着煤矿采区的掘进，采区顶部的温度变化、应变、垂直位移和渗压值逐渐增大；在采区突水前，这四个参数都发生了明显的变化，捕捉到了煤矿突水前的预兆，成功预测了突水事故的发生。
Claims (6)
1.光纤煤矿突水前兆信息监测仪，其特征在于：包括一个传感器阵列，传感器阵列通过光纤与光纤分路器连接；所述光纤分路器与光纤光栅解调装置连接；所述光纤光栅解调装置通过网线与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的光纤煤矿突水前兆信息监测仪，其特征在于：所述传感器阵列中包括有光纤温度传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器以及光纤渗压传感器，各传感器并联连接；光纤温度传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器以及光纤渗压传感器均为光纤光栅传感器。
3.根据权利要求2所述的光纤煤矿突水前兆信息监测仪，其特征在于：所述光纤温度传感器采用双管结构，包括一个外套管以及一个内套管；所述内套管中有光纤布拉格光栅。
4.根据权利要求2所述的光纤煤矿突水前兆信息监测仪，其特征在于：所述光纤应变传感器包括相似材料块，在相似材料块上黏贴三根光纤布拉格光栅。
5.根据权利要求2所述的光纤煤矿突水前兆信息监测仪，其特征在于：所述光纤位移传感器包括一个基座、套管；在套管内设置有弹性体和光纤布拉格光栅，其中弹性体与光纤布拉格光栅串联；弹性体的另一端固定在固定端上；光纤布拉格光栅的另一端为传输光纤。
6.根据权利要求2所述的光纤煤矿突水前兆信息监测仪，其特征在于：所述光纤渗压传感器包括一个外壳，在外壳的两端设置有进压口，外壳的顶端设置有引线孔；在外壳内部设置有一压力杆，压力杆的两端分别连接有波纹膜片，在压力杆上设置有光纤布拉格光栅；光栅通过引线孔引出一根传输光纤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100421 |