CN103149178A - 一种煤岩辨识光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种煤岩辨识的光纤传感器，其特征在于：它包括四个非金属保护套；保护套里面分别设置有光纤固定装置，其中两个保护套中固定有一根光纤作为参考光路，另外两个保护套固定有入射光纤和出射光纤两根光纤作为检测光路；每个保护套之间相互连接，其中固定两条光纤保护套上方留有活动窗口用来取拿煤和岩石样品，固定有两根光纤的非金属保护套底端内部设有样品固定装置，煤和岩石样品与光线入射方向成45度夹角；四条光纤入射端由光耦合器连接，出射端连接光电探测器；光耦合器前端连接滤光片和光源。根据光照射到煤和岩石样品产生的漫反射效应，光电探测器测量漫反射反射光和入射光强度，计算得到比值即反射率，根据贝尔卡-芒克(Kubelka-Munk)函数，可以实现煤岩辨识。本发明传感器结构简单，操作方便，灵敏度高，方便适用。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器，特别是一种煤矿井下辨识煤岩的光纤传感器，利用光强度变化对煤岩进行辨识。
背景技术
随着煤矿井下煤层的开采范围越来越大，难度越来越大，许多开采多年的煤矿面临煤量减少甚至破产的状况，开发新的煤矿能源迫在眉睫，因而对于煤矿井下的煤层和岩层的辨识就显得尤为重要，而且可以大大提高开采效率，减少对岩石的切割对工具的损坏，最重要的是减少了作业人员的劳动强度。基本的煤岩辨识方法主要有以及基于多传感器数据融合技术的煤岩界面识别技术，这种方法传感器数量较多，监测方法复杂，成本较大，基于红外探测方法辨识煤岩界面，这种方法基于温度变化，由于煤层和岩层的普氏系数不同，所以在开采过程中产生的温度不同，但是当系数接近时候很难分辨出煤岩界面，另外该方法国内目前涉猎的比较少，还没有成熟的产品问世，基于γ射线辐射特性的传感器辨识方法，该方法需要矿井具备放射性元素，测量煤层需要一定的厚度，γ射线穿透能力有限，难于保证与顶煤很好的接触，对于我国煤矿的应用范围小，据统计只有20％左右的煤矿可以应用。雷达探测法，无需预先知道煤岩的物理特性，但是随着煤层厚度的增加，信号衰减严重。另外震动检测法、有功功率检测法、声音检测法等都对普氏系数接近或者密度相近的煤岩辨识都存在很大的误判断。，目前基于图像处理原理的煤岩辨识方法虽然准确度高，但是由于需要具备煤岩的多种物理特性以及融合技术比较复杂，所以也存在弊端。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单，操作方便，辨识精确度高的用于煤岩辨识的光纤传感器。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：它包括四个非金属保护套；所述非金属保护套里面分别设置有光纤固定装置；所述非金属保护套其中两个保护套内部固定有一根光纤作为参考光路，另外两个保护套内部固定有入射光纤和出射光纤两根光纤作为检测光路；每个保护套之间相互连接；所述固定两根光纤非金属保护套上方留有活动窗口用来放置煤和岩石样品，所述固定两根光纤的非金属保护套底端内部设有样品固定装置；煤和岩石样品与光线入射方向成45度夹角；所述四条光纤入射端连接光耦合器，出射端连接光电探测器；所述光耦合器前端连接滤光片和光源。
所述固定一根光纤的两条光路作为参考光路。
所述固定入射光纤和出射光纤的两条光路作为检测光路。
所述光源为半导体激光器。
所述光耦合器为分光强度为1∶4的分光器。
所述非金属保护套为长方体，首尾两端为正方形。
所述光耦合器前面设置滤光片。
所述煤和岩石样品形状为薄层状且表面粗糙程度一致。
所述光纤均为多模光纤。
所述光电探测器中样品反射光强度和所述的参考光强度的比值采用双光路参考法。
所述固定入射光纤和出射光纤相互垂直。
所述参考光路中光纤长度和检测光路中入射光纤长度相同。
上述一种煤岩辨识光纤传感器的辨识方法，其包括以下步骤：煤岩样品分别放入固定有两根光纤的保护套底部样品固定装置中，半导体激光器发出的光经过滤光片后变为波长为λ的光经过分光比为！∶4的光纤耦合器分为光强度相同的四条光波，其中固定有一根光纤的两条光波作为参考光波不做任何处理，直接与光电探测器连接，另外两条光波照射到样品上发生漫反射效应，一部分光反射出来，一部分光被样品吸收，光强度发生了变化，经过光电探测器测得反射光和入射光的强度。采用双光路参照法，放置一根光纤的两条光路作为参考光路，考虑传输过程中的光损耗出射光强度分别为I1和I2，煤和岩石的反射光强度分别为I3和I4与参考光的强度做比较，取两次比值的平均值，得到煤的反射率
岩石的反射率为
更加精确的反射率，利用贝尔卡-芒克(Kubelka-Munk)函数：
对于特定的波长，不同物质的吸光系数K和散射系数S比值一定，利用光电探测器检测光强度的变化，计算得到反射率，根据K-M函数可以得到煤和岩石不同的
值，从而达到煤岩辨识的目的。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1.采取双光路参考法，反射率的取值更加精确，检测准确度更高。
2.采取单一波长，消除了其他波长的光对样品的影响，使光强度衰减绝对值增大，辨识度更明显。
3.非金属保护套避免了光电效应对检测结果的影响。
4.煤岩样品为薄层状且表面粗糙程度一致，符合K-M函数的应用要求，减少了漫反射对光强的影响。
附图说明
图1为本发明光纤传感器的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。
如图1所示，本发明包括四个非金属保护套a、b、c、d，非金属保护套里面分别设置有光纤固定装置1，非金属保护套其中a、b两个保护套内部分别固定有一根光纤2作为参考光路，另外两个保护套c、d内部通过固定装置3和4固定有入射光纤5和出射光纤6作为检测光路，5和6相互垂直，每个保护套之间通过7相互连接，固定两根光纤非金属保护套c、d底端上方留有活动窗口8用来取拿煤和岩石样品，非金属保护套c、d底端内部设有样品固定装置9，煤和岩石样品与光线入射方向成45度夹角，四条光纤入射端连接光耦合器10，出射端连接光电探测器11，光耦合器前端连接滤光片12和光源13。
本发明的煤岩辨识方法为：煤岩样品分别放入非金属保护套c和d底部端的样品固定装置9，半导体激光器13发出的光经过滤光片12后变为波长为λ的光经过分光比为1∶4的光纤耦合器10分为光强度相同的四条光波，其中保护套a和b内的两条光波作为参考光波不做任何处理直接与光电探测器11连接，c和d保护套里面的两条光波照射到样品上发生漫反射效应，一部分光反射出来，一部分光被样品吸收，光强度发生了变化，反射后的光波与光电探测器11连接，经过光电探测器11测得反射光和入射光的强度。采用双光路参照法，放置一根光纤的两条光路作为参考光路，考虑传输过程中的光损耗出射光强度分别为I1和I2，煤和岩石的反射光强度分别为I3和I4与参考光的强度做比较，取两次比值的平均值，得到煤的反射率
岩石的反射率为
更加精确的反射率，利用贝尔卡-芒克(Kubelka-Munk)函数：
对于特定的波长，不同物质的吸光系数K和散射系数S比值一定，利用光探测器检测光强度的变化，计算得到反射率，根据K-M函数可以得到煤和岩石不同的
值，从而达到煤岩辨识的目的。
上述各实施实例仅限于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (13)
1.一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：它包括四个非金属保护套；所述非金属保护套里面分别设置有光纤固定装置；所述非金属保护套其中两个保护套内部固定有一根光纤，另外两个保护套内部固定有入射光纤和出射光纤两根光纤；每个保护套之间相互连接；所述固定两根光纤非金属保护套上方留有活动窗口用来取拿煤和岩石样品；所述固定两根光纤的非金属保护套底端内部设有样品固定装置，煤和岩石样品与光线入射方向成45度夹角；所述四条光纤入射端连接光耦合器，出射端连接光电探测器；所述光耦合器前端连接滤光片和光源。
2.如权利1所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述固定一根光纤的两条光路作为参考光路。
3.如权利1所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述固定入射光纤和出射光纤两根光纤的两条光路作为检测光路。
4.如权利1所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述光源为半导体激光器。
5.如权利1所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述光耦合器为分光强度为1∶4的分光器。
6.如权利1所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述非金属保护套为长方体，首尾两端为正方形。
7.如权利1或3所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述光耦合器前面设置滤光片。
8.如权利1所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述煤和岩石样品形状为薄层状且表面粗糙程度一致。
9.如权利1所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述光纤均为多模光纤。
10.如权利1或2所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述光电探测器中样品反射光强度和所述的参考光强度的比值采用双光路参考法。
11.如权利1所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述固定入射光纤和出射光纤相互垂直。
12.如权利1或2或3所述的一种煤岩辨识光纤传感器，其特征在于：所述参考光路中光纤长度和检测光路中入射光纤长度相同。
13.一种采用权利要求1-12任一项所述一种煤岩辨识光纤传感器的辨识方法，其包括以下步骤：煤岩样品分别放入固定有两根光纤的保护套底部样品固定装置中，半导体激光器发出的光经过滤光片后变为波长为λ的光经过分光比为1∶4的光纤耦合器分为光强度相同的四条光波，其中固定有一根光纤的两条光波作为参考光波不做任何处理，直接与光电探测器连接，另外两条光波照射到样品上发生漫反射效应，一部分光反射出来，一部分光被样品吸收，光强度发生了变化，经过光电探测器测得反射光和入射光的强度。采用双光路参照法，放置一根光纤的两条光路作为参考光路，考虑传输过程中的光损耗出射光强度分别为I1和I2，煤和岩石的反射光强度分别为I3和I4与参考光的强度做比较，取两次比值的平均值，得到煤的反射率岩石的反射率为
更加精确的反射率，利用贝尔卡-芒克(Kubelka-Munk)函数：
对于特定的波长，不同物质的吸光系数K和散射系数S比值一定，利用光电探测器检测光强度的变化，计算得到反射率，根据K-M函数可以得到煤和岩石不同的
值，从而达到煤岩辨识的目的。
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