CN102322977B - 矿用光纤温度传感器探头 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种矿用光纤温度传感器探头，它包括一端开口且内置有光纤光栅的感温区外壳，与光纤光栅连接的光纤，套装在光纤外并与感温区外壳固定连接的锚头，锚头的另一端与蛇管的头部固定连接，所述蛇管是可自由弯曲但是不能扭动的蛇管。能够应用于煤矿矿井内特别是深层岩石的测温。该探头采用光纤光栅作为感温元件，采用蛇管作为保护管，设计有用于末端感温区固定的带突刺锚头以及用于传感器尾部与煤层固定的膨胀装置。该发明结构简单、可靠，便于矿井下的携带与安装，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于煤矿井下煤层及岩石温度检测的光纤传感器探头，该传感器便于携带和安装，能够完成井下岩层、特别是深层岩层的温度检测。
背景技术
近几年来，随着我国经济的快速迅猛发展，越来越多的环境以及安全生产问题也不断出现。近几年来我国煤矿矿山频频出现伤及人身安全的大型安全事故，突水、瓦斯爆炸、煤矿火灾、顶板塌陷等安全事故时有发生。要维护正常的生产生活，就必须对这些问题进行有效的解决。温度检测是能够及时发现矿井内部特别是煤层和岩层内部问题的一大关键技术之一，通过煤矿煤层岩层的温度变化可以发现隐藏在内部的一些安全隐患，例如，通过温度检测，可以发现是否有深层煤层岩石内部漏水透水的隐患，能够起到及时预警；一些专家通过温度检测获知判断是否有瓦斯突出前兆；也有人通过内部煤层温度来判断井下煤层自然发火情况等等。
光纤传感器是近几年发展起来的新兴技术，特别是基于光纤布拉格光栅的温度传感器应用已经达到成熟，被市场广泛认可。光纤传感器在煤矿的应用在近几年刚刚起步，目前也有一些相关报道，光纤传感器无需供电，不带电，本质安全，这也是它在矿井内所具有的独特优势，因此具有广阔的发展潜力。然而由于光纤温度传感器在煤矿中的应用起步较晚，实际应用经验积累较少，实际应用中还存在很多不足之处。当需要检测深层煤层的温度时，首先需要在岩层上钻孔，常见的3-5米，然后将传感器从孔洞中插入，传感器使用锚杆或者钢管保护以免在空洞中断裂。因此，传统用法必须保证钻孔较直，当检测深度要求很深时，传感器尺寸（长度）大大增加，在空间狭小的矿井内携带和安装都十分麻烦。本专利从实际应用出发，设计了一种便于携带、安装的传感器设计，并大大降低了钻孔要求，实用性非常强。
发明内容
本发明设计一种专门用于井下煤层岩层温度检测的光纤传感器探头，该探头设计结构能够满足温度检测，同时还携带方便，安装简单，稳定可靠等优点。
本方案所采用的技术措施是：一种矿用光纤温度传感器探头，它包括一端开口且内置有光纤光栅的感温区外壳，与光纤光栅连接的光纤，套装在光纤外并与感温区外壳固定连接的锚头，锚头的另一端与蛇管的头部固定连接，所述蛇管是可自由弯曲但是不能扭动的蛇管。
本方案的具体特点还有，所述锚头外壁设置突刺。在蛇管上固定设置固定膨胀装置。
所述固定膨胀装置包括带内螺纹的中空胀管，带有外螺纹且末端开槽的中空大头螺杆，所述螺杆和胀管均套装在蛇管外壁上，所述胀管的内孔末端与螺杆上开槽部分的结合部呈截圆台状，所述胀管前端管壁上开槽。既能够固定蛇管，又能够将传感器固定在煤层钻孔内。当螺杆拧紧时，胀管左端膨胀，可以紧固在钻孔上，由此使得传感器被固定在岩壁上。螺杆末端设计为开裂结构，当被拧入胀管后，开裂部分被压紧，从而将穿过螺杆内孔的蛇管紧箍住，起到固定蛇管的作用。
在蛇管尾部设置光缆保护壳，在光缆保护壳上设置出纤缓冲头。由于该保护壳的存在，使得传感器出纤光缆被保护，同时光缆可以在保护壳内盘绕，优化出纤长度。所述缓冲头用于保护光缆不受剪切力折断。锚头上设计有突刺，在固定传感器时，锚头突刺可以将锚固剂外包刺破，并随着蛇管旋转扭动，搅拌锚固剂，使得锚固剂将传感器测温部分与深层岩石很好地胶固在一起。
本方案的有益效果是：所述蛇管可以360度自由弯曲，但是在扭动传感器时，能够带动锚头一起整体扭动，用于保护光纤不受钻孔破坏；同时，由于蛇管的采用，使得整个传感器能够弯曲成盘，便于携带；此外，在安装过程中，蛇管在钻孔内能够根据空洞形状弯曲，便于安装，减小了实际的安装操作难度，也降低了钻孔要求。
附图说明
图1是传感器结构示意图；图2是固定膨胀装置结构示意图；图3是安装示意图；图4是感温区结构示意图；图中：1-感温区；2-锚头；3-蛇管；4-固定膨胀装置；5-光缆保护壳；6-出纤缓冲头；7-螺杆；8-胀管；9-内孔；10-岩层；11-传感器出纤盒；12-传感器；13-锚固部分；14-膨胀紧固区；15-传感器光缆；16-主光缆；17-感温区外壳；18-光纤光栅固定底座；19-光纤；20-光纤光栅。
具体实施方式
如图1所示为传感器设计结构图。一种矿用光纤温度传感器探头，它包括一端开口且内置有光纤光栅20的感温区外壳17，与光纤光栅20连接的光纤19，套装在光纤19外并与感温区外壳17固定连接的锚头2，锚头2的另一端与蛇管3的头部固定连接，所述蛇管3是可自由弯曲但是不能扭动的蛇管。传感器元件为光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅是光通讯及光纤传感中常用的光学元器件之一，它能够感知温度的变化，将温度变化转换为波长变化，解调时只需要分析出波长的相对变化量即可获取温度的变化量，从而实现温度检测。
如图1所示，图中传感器最前端为感温区外壳17，首先将光纤光栅20固定在感温区外壳17中，光纤光栅20将获取感温区温度信息，并通过光纤19传递到远端解调仪，从而能够检测到感温区温度。
感温区外壳详细结构示意图如图4所示，包括感温区外壳17、光纤光栅固定底座18组成，光纤光栅20安装固定在光纤光栅固定底座18上用于测量温度，蛇管3、锚头2和光纤感温区1连接在一起，形成密闭保护的腔体保护光纤19不受外部损伤。
所述锚头2外壁设置突刺。在蛇管3上固定设置固定膨胀装置4。
所述固定膨胀装置4包括带内螺纹的中空胀管8，带有外螺纹且末端开槽的中空大头螺杆7，所述螺杆7和胀管8均套装在蛇管3外壁上，所述胀管8的内孔9末端与螺杆7上开槽部分的结合部呈截圆台状，所述胀管8前端管壁上开槽。既能够固定蛇管3，又能够将传感器固定在煤层钻孔内。当螺杆7拧紧时，中空胀管8左端膨胀，可以紧固在钻孔上，由此使得传感器被固定在岩壁上。螺杆7末端设计为开裂结构，当被拧入中空胀管8后，开裂部分被压紧，从而将穿过螺杆7内孔9的蛇管3紧箍住，起到固定蛇管3的作用。在蛇管3尾部设置光缆保护壳5，在光缆保护壳5上设置出纤缓冲头6。
传感器带有锚头2，锚头2是用于将锚固剂搅拌，使得传感器被锚固剂固定在岩层里，感温区可以很好地将岩层温度传导至传感器，增加了温度耦合传导作用。
蛇管3可以360度自由弯曲，但是在扭动传感器时，能够带动锚头2一起整体扭动。传感器光缆15通过蛇管3输出到末端，采用蛇管3能够起到保护光缆的作用，同时还可以使得该传感器能够弯曲，当安装或者携带传感器时，可以将其卷曲为一盘，减小了体积，安装时，即便钻孔弯曲也能顺利深入到岩层。
光纤保护壳5与出纤缓冲头6起到输出光缆的保护作用，光缆与传感器连接后可以在光纤保护壳5内固定，出纤缓冲头6用于防止传感器光缆15被折断。
如图3所示，首先确定好检测每层深度，在每层上钻孔，按照设定好的长度确定蛇管3长度。
其次，将光纤光栅20安装固定在本专利设计的感温区1内部，连接号锚头2、蛇管3和光缆保护壳5等组件，按照图1所示结构组装完成一套传感器。
第三，如图3所示的煤层及岩层10内塞入锚固剂，锚固剂一般为袋装，将传感器随后塞入到钻孔内直至顶到待测岩石位置。
第四，转动传感器，锚头2将破坏锚固剂保护袋，锚固剂此时开始凝结，将传感器与岩石固定在一起，如图3中锚固部分13。
第五，传感器末端套入固定膨胀装置4后，将该装置塞入到钻孔，装置的螺杆7露出孔外便于紧固，拧紧螺杆7，使得中空的胀管8紧固在钻孔上，因此传感器被固定在岩层上，如图3中膨胀紧固区14所示。
由于本案采用了蛇管3作为中间连件，因此，当钻孔14发生倾斜，弯曲等问题时，不影响传感器的安装使用。
由于本案采用了蛇管3作为中间连接件，传感器长度可以根据钻孔深度来确定，长度可以从几十厘米到几公里不等，灵活性很大。
该传感器可以卷起来携带和安装，因此安装现场地点的空间不受任何限制。
替代方案一：本专利蛇管部分也可以采用其他能够弯曲但不能转动，并且能够保护光缆的套管。
替代方案二：本专利所设计的紧固装置，凡是可以实现膨胀紧固的装置均可以采用。
替代方案三：本专利中设计的锚头部分，可以使用能够起到破坏锚固剂的任何装置替代。
Claims (4)
1. 一种矿用光纤温度传感器探头，它包括一端开口且内置有光纤光栅的感温区外壳，与光纤光栅连接的光纤，套装在光纤外并与感温区外壳固定连接的锚头，锚头的另一端与蛇管的头部固定连接，所述蛇管是可自由弯曲但是不能扭动的蛇管；所述锚头外壁设置突刺。
2.根据权利要求1所述的矿用光纤温度传感器探头，其特征是在蛇管上设置固定膨胀装置。
3.根据权利要求2所述的矿用光纤温度传感器探头，其特征是所述固定膨胀装置包括带内螺纹的中空胀管，带有外螺纹且末端开槽的中空大头螺杆，所述螺杆和胀管均套装在蛇管外壁上，所述胀管的内孔末端与螺杆上开槽部分的结合部呈截圆台状，所述胀管前端管壁上开槽。
4.根据权利要求1或2或3所述的矿用光纤温度传感器探头，其特征是在蛇管尾部设置光缆保护壳，在光缆保护壳上设置出纤缓冲头。
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