CN102003211B - 一种基于光纤光栅传感的矿井报警系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅传感的矿井报警系统，属矿井报警技术领域。包括980nm泵浦源、光开关、光纤光栅等，980nm泵浦源连接WDM，WDM连接铒纤；铒纤连接隔离器，隔离器连接到1*2耦合器，1*2耦合器输出端连接光开关，另一端和波长解调仪相连；光开关有4-8个输出端，每个输出端连接18个串联的光纤光栅。每个光纤光栅由铜片封装，都标有号码，并有自己的确定位置，当按下封装光纤光栅的铜片时，光纤光栅发生应变，光波长改变引起报警，本发明具有抗辐射、抗腐蚀、抗电磁干扰的优点，测量点多，传感探头结构简单、尺寸小，安装起来比较方便，精确度也比较高，比较灵敏，响应时间比较短，能及时得到报警信号，争取救援时间。

Description

一种基于光纤光栅传感的矿井报警系统

技术领域

本发明涉及一种矿井报警系统，具体讲是一种基于光纤光栅传感的矿井报警系统，属矿井报警技术领域。

背景技术

煤矿有两种主要开采方式．一种是地下开采，一种是露天开采。对于埋藏较深的煤炭，一般采用地下开采的方法，与露天开采相比其开采特殊的作业特点主要是：作业环境差，空间较小；地质条件多变，经常受到火、水、瓦斯、煤尘、顶板等灾害的威胁；生产工艺复杂，劳动强度大等。

我国是世界最大的产煤国，煤矿开采大多属于地下开采，据统计，2004年我国产煤总量为十六亿六千万吨，占全球的33．2％，但是矿难死亡人数高达6027人，占全世界矿难死亡总人数的80％，加重了我国在国际上的负面形象事故的发生是不可避免的，所以事故的预测和发生事故后的应急救援工作对于尽可能减少事故的发生和事故造成的人员伤亡和财产损失极为重要。

此前国内遇到灾害发生只是凭经验实施井下救援。近几年，国内也有很多的学者和专家致力于应急救援的研究。

例如（1）煤矿瓦斯爆炸事故应急辅助决策系统，煤矿瓦斯爆炸事故应急辅助决策系统是以大量应急信息为主要数据基础，以应急信息管理和灾害评估为主要功能。煤矿瓦斯爆炸事故应急辅助决策系统选择B／S模式，主要的命令执行、数据计算都在服务器端完成，应用程序安装在服务器端，客户端不用安装应用程序，所有的日常操作可通过浏览器来完成。系统由两个主要功能模块构成，即应急信息管理模块和灾害评估模块。该系统，对提高煤矿瓦斯爆炸事故应急救援水平具有重要作用。采用计算机评估瓦斯爆炸事故，可以有效避免指挥人员的错误决策，使瓦斯爆炸事故应急救援决策科学化。通过计算机来管理应急信息和评估事故灾害，可以大量减少应急人员的劳动量，有助于提高应急救援的工作效率。事故应急辅助决策系统能够缩短事故应急救援决策的响应时间，提高事故应急救援的有效性和可靠性，能够最大程度降低事故损失，从而使该系统具有广阔的开发应用前景。

（2）我国已采用互联网地理信息系统(WrebGIS)技术开发出基于浏览器的数字地图抢险救援预案编制技术。该项研究解决了网络数字地图制作难题，能够直接在屏幕数字电子地图上编制生成抢险救援图层，救援图层可通过网络收发，从而实现网络抢险救灾调度图形化管理，为建立网络化抢险救灾调度指挥系统提供了核心技术支持。

目前国外的煤矿救援系统主要包括以下几个方面:

1)含有通信模块的救援头罩:包括呼吸装置、防毒装置和通信装置。

2)各种传感器:感知地震信号、火光报警、井下的温度、湿度以及各种气体的浓度等,通过通信网络传给指挥中心。

3）救援钻探技术:双钻头作业,先打一个探测通道使得探测仪器和紧急救生物品到达事故地层,再打一条救援通道,把受困矿工救出来。

4)井下避难所:井下的坚固防护区,离工人工作地点相距90～125码,内有紧急救生物品和通信装置。一旦发生事故,工人可躲避其中,等待救援。

5)虚拟现实技术在煤矿安全工程中的发展与应用。具体来说,美国矿山井下救援设备和技术有:

①快速部署系统:例如,用于探测地下岩层运动的地震感测系统和用于探测井下被困矿工发出的信号的电磁感测系统。这些系统有的采用了先进科技,有的还处于研发阶段。

②呼吸器:美国矿山救护队目前使用Draeger和Biomarine呼吸器。

③自给式自救器:按矿山安全健康局规定给矿工提供1小时的氧气,供井下紧急逃生之用。目前,自给式自救器依靠两种技术,一种利用化学反应制氧,另一种则使用压缩氧气。

④通讯设备:现有系统包括矿用手持无线报话机、采用细电缆传导信号一的手持无线报话机、传呼机、声能电话、泄漏馈线系统,以及利用井下已有电缆作为无线信号载体的感应耦合无线通讯系统等等。由作者何敏、吴炜、徐伟所写的“分子机器在矿井救援通信应用探讨”一文[见<科技信息>○科教视野○ 2007年第19期 第31页]公开的技术即属于此列。

全世界研究人员对矿井救援系统和装备正逐步改进和创新。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足和缺陷，本发明提出了一种基于光纤光栅传感的矿井报警系统，以准确的得知被困矿井下工人的具体位置，并及时争取救援时间。

本发明的技术方案是按以下方式实现的：

一种基于光纤光栅传感的矿井报警系统，包括980nm泵浦源、WDM、铒纤、隔离器、1*2耦合器、光开关、光纤光栅和波长解调仪，其特征在于980nm泵浦源通过普通光纤连接WDM的980nm输入端，WDM的980nm和1550nm的混合输出端连接铒纤的输入端，这样980nm的光就通过WDM和铒纤输出了1550nm的光；铒纤的输出端连接隔离器的输入端，隔离器的输出端经普通光纤连接到1*2耦合器的输入端，1*2耦合器的一个输出端经普通光纤连接到光开关；光开关包括4-8个输出端，其中每个输出端连接18个串联的光纤光栅；1*2耦合器的与输入端同侧的另一端经普通光纤和波长解调仪相连接，使得从铒纤输出的1550nm的光经隔离器、1*2耦合器和光开关进入每一路的18个串联的光纤光栅，又经每一路串联的光纤光栅返回到光开关和1*2耦合器，然后进入波长解调仪，由波长解调仪对返回的光信号进行识别判断。

所述的光纤光栅是用具有弹性的铜片封装的：长条形的铜片中间带有沟槽，光纤光栅平直的位于沟槽中并用M-Bond 610胶将其固定，封装光纤光栅的铜片被置于塑料盒内，塑料盒上带有按钮，按钮下面和铜片相贴合，按下按钮时铜片连同光纤光栅就会发生应变。

上述每个光纤光栅都标有号码，并且每个光纤光栅都有自己确定的位置，各个光纤光栅返回的光就通过光开关和1*2耦合器进入波长解调仪并被记忆，光纤光栅发生应变可以改变反射的光的波长，当矿井下工人按下铜片封装的光纤光栅时，光纤光栅发生应变，发射的光的波长会发生改变，发射的光通过波长解调仪的处理，会引起报警，通过报警光纤光栅的序号，得出矿井下工人的报警位置。

本发明气体检测系统在使用时，将各个用铜片封装的光纤光栅放在确定位置，每个光纤光栅预先标上号码，并要把位置和序号都记录下来，以至于光纤光栅报警的时候能及时知道它的确切位置，进而确定矿工的位置，为救援争取时间。矿工按下铜片时，由于光纤光栅发生形变，其反射回来的光的波长会发生改变，通过波长解调器的处理，会发生报警，根据光纤光栅的位置进而确定矿工的位置，以进行救援。

上述波长解调仪是通用的BaySpec解调仪。

本发明的具体作用原理如下：980泵浦源（1）发出980nm的光从WDM（2）的允许980nm波段通过的一端进入,从WDM（2）的允许980nm波段和1550nm波段通过的混合端输出,再经过一段铒纤（3）,从铒纤（3）输出的波长变为1550nm,从铒纤（3）输出后进入隔离器（4）,隔离器（4）与1*2耦合器（5）的输入端相连,1*2耦合器（5）的一个输出端连接光开关（6）的输入端,这样光就通过隔离器（4）,1*2耦合器（5）和光开关（6）后被分成多路,每一路与18个串联且安有铜片的光线光栅相连,1*2耦合器（5）的与输入端同向的另一端连接波长解调仪（7）。Bragg光纤光栅(FBG)是最近几年发展最为迅速的一种新型的光纤无源器件，光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化。温度和应变是光纤光栅能够直接传感测量的两个最基本的物理量，它们构成了其它各种物理量传感的基础，光纤光栅(FBG)是一种反射式光纤滤波器件,通常采用紫外线干涉条纹照射一段10mm长的裸光纤,在纤芯产生折射率周期调制,在布拉格波长上,在光波导内传播的前向导模会耦合到后向放射模式,形成布拉格反射。反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光,对于特定的空间折射率调制周期Λ和纤芯有效折射率n_eff，布拉格波长为： ${\mathrm{\&lambda;}}_B=$ $2n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\&Lambda;}---\left(1\right)$

λ_B为光栅的布拉格波长，n_eff为光栅的有效折射率(折射率调制幅度大小的平均效应)，Λ为光栅条纹周期(折射率调制的空间周期)。

由式(1)可以看出:n_eff与Λ的改变均会引起反射光波长的改变。而光纤光栅的温度和应变会引起n_eff与Λ的改变，矿井工人按下铜片，与铜片连接的光纤光栅会发生应变，会造成光纤光栅反射的波长发生改变，反射的光经过光开关（6）和1*2耦合器（5）进入波长解调仪（7），通过波长解调仪（7）的处理会引起报警，通过报警的光纤光栅的序号确定光纤光栅的位置，进而确定矿井工人的位置。

本发明具有以下的优点：本发明通过光纤光栅进行传感，能抗辐射，抗腐蚀，不受环境的影响，在高温恶劣的环境也可以运行，能方便的使用波分复用技术在一根光纤中串接多个光纤Bragg光栅，测量的点会比较多，传感探头结构简单、尺寸小，安装起来比较方便，精确度也比较高，比较灵敏，响应时间比较短，能及时得到报警信号，争取救援时间。

附图说明

图1是本发明系统的结构示意图。

其中：1、980泵浦源，2、WDM，3、铒纤，4、隔离器，5、1*2耦合器，6、光开关，7、波长解调仪，8、普通光纤，9、普通光纤，10、普通光纤，11、普通光纤，12、光纤光栅。

图2是本发明系统中光纤光栅的铜片封装示意图。

其中：13、铜片，14、沟槽，15、塑料盒，16、按钮，17光纤，18、铜片固定底座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例如系统图1所示：包括980nm泵浦源1、WDM2、铒纤3、隔离器4、1*2耦合器5、光开关6、光纤光栅12和波长解调仪7，其特征在于980nm泵浦源1通过普通光纤8连接WDM2的980nm输入端，WDM2的980nm和1550nm的混合输出端连接铒纤3的输入端，这样980nm的光就通过WDM2和铒纤3输出了1550nm的光；铒纤3的输出端连接隔离器4的输入端，隔离器4的输出端经普通光纤9连接到1*2耦合器5的输入端，1*2耦合器5的一个输出端经普通光纤10连接到光开关6；光开关6包括4个输出端，其中每个输出端连接18个串联的光纤光栅12；1*2耦合器6的与输入端同侧的另一端经普通光纤11和波长解调仪7相连接，使得从铒纤3输出的1550nm的光经隔离器4、1*2耦合器5和光开关6进入每一路的18个串联的光纤光栅12，又经每一路串联的光纤光栅12返回到光开关6和1*2耦合器5，然后进入波长解调仪7，由波长解调仪7对返回的光信号进行识别判断。

所述的光纤光栅12是用具有弹性的铜片13封装的：长条形的铜片13中间带有沟槽14，光纤光栅12平直的位于沟槽14中并用M-Bond 610胶将其固定，封装光纤光栅12的铜片13被置于塑料盒15内，并被固定在塑料盒15内的铜片固定底座18上，塑料盒15上带有按钮16，按钮16下面和铜片13相贴合，按下按钮16时铜片13连同光纤光栅12就会发生应变。

实施例2：

和实施例1相同，只是光开关6包括8个输出端。

Claims (2)

1.一种基于光纤光栅传感的矿井报警系统，包括980nm泵浦源、WDM、铒纤、隔离器、1*2耦合器、光开关、光纤光栅和波长解调仪，其特征在于980nm泵浦源通过普通光纤连接WDM的980nm输入端，WDM的980nm和1550nm的混合输出端连接铒纤的输入端，这样980nm的光就通过WDM和铒纤输出了1550nm的光；铒纤的输出端连接隔离器的输入端，隔离器的输出端经普通光纤连接到1*2耦合器的输入端，1*2耦合器的一个输出端经普通光纤连接到光开关；光开关包括4-8个输出端，其中每个输出端连接18个串联的光纤光栅；1*2耦合器的与输入端同侧的另一端经普通光纤和波长解调仪相连接，使得从铒纤输出的1550nm的光经隔离器、1*2耦合器和光开关进入每一路的18个串联的光纤光栅，又经每一路串联的光纤光栅返回到光开关和1*2耦合器，然后进入波长解调仪，由波长解调仪对返回的光信号进行识别判断。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的矿井报警系统，其特征在于所述的光纤光栅是用具有弹性的铜片封装的：长条形的铜片中间带有沟槽，光纤光栅平直的位于沟槽中并用M-Bond 610胶将其固定，封装光纤光栅的铜片被置于塑料盒内，塑料盒上带有按钮，按钮下面和铜片相贴合，按下按钮时铜片连同光纤光栅就会发生应变。