CN103257114B - 基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法，包括有光纤检测模块、数据采集中心、监控中心，光纤检测模块包括有光源、光纤Bragg光栅传感器，数据采集中心包括有依次连接的光电探测器、信号放大器、AD转换器，监控中心包括有依次连接的微处理器、计算机，光纤Bragg光栅传感器连接光电探测器，AD转换器连接微处理器；通过监测点的光信号被光纤Bragg光栅传感器的Bragg光栅滤波分成两束后被光电探测器分别接收，进行放大滤波后的数字信号量采用去极值数字滤波法进行数据处理转换后由微处理器分析处理并计算出瓦斯浓度。本发明很大程度上提升了系统的准确性和稳定性，确保监控系统的连续性、可靠性及有效性，最终实现“监控预防”的目的。

Description

基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法

技术领域

本发明涉及到井下瓦斯监控系统的传感技术领域，具体为一种基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法。

背景技术

信息技术数据的采集主要依靠传感器和探测器进行，因此新型的传感技术在数据采集中尤其是在恶劣的井下环境中采集而来的数据在井下瓦斯监控系统中就显的尤为突出，作为煤矿安全监控系统中一项重要的指标，传感器网络自井下采集来的数据直接关系到监测系统的监控效率，所以传感器的稳定性、可靠性、以及传感器采集来的数据在瓦斯监控整个系统中就起到至关重要的作用。目前国内开发的的传感器虽然基本满足了井下瓦斯抽采系统的需求，但是面对恶劣的井下工作环境，现有的传感器无论是在敏感元件的质量上还是在传感器测量数据的准确性上都有待提高，长期工作稳定性差，调校频繁、复杂以及工作寿命短已经成为现有传感器无法回避的问题，所以本文提出一种光纤Bragg传感器代替传统的瓦斯传感器以应对现有系统对传感器使用寿命、稳定性、调节周期，精确度等提出的更高要求的现状。

为了保证煤矿安全监控系统的有效性和稳定性，研制开发一种基于光纤Bragg光栅传感网络的新型井下瓦斯监控系统很有必要，这样不仅可以保证井下数据的精确性，监测系统的稳定连续性，煤矿安全监控系统的正常运行，而且可以最大程度上避免因事故而带来的损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有矿井安全监控系统中传感系统的不足，提供一种采用差分吸收检测原理的基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法，以解决现有技术检测方法精度低，易受干扰，实时性差等的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法，其特征在于：包括有瓦斯监测系统，所述的瓦斯监测系统包括有光纤检测模块、数据采集中心、监控中心，所述的光纤检测模块包括有光源、光纤Bragg光栅传感器，数据采集中心包括有依次连接的光电探测器、信号放大器、AD转换器，监控中心包括有依次连接的微处理器、计算机，所述的光纤Bragg光栅传感器的信号输出端连接光电探测器，AD转换器的信号输出端连接微处理器，微处理器还连接有数据存储器、声光报警器，计算机还连接有LCD显示模块；通过监测点的光信号被光纤Bragg光栅传感器的Bragg光栅滤波分成两束后被光电探测器分别接收，进行放大滤波后的数字信号量采用去极值数字滤波法进行数据处理转换后由微处理器分析处理并计算出瓦斯浓度，具体包括以下步骤：

（1）根据待测区域不同的地域情况，采用多个光纤Bragg光栅传感器分别检测不同待检测区域的待测参数，待测参数以光信号为载体返回控制室；

（2）所述监测点的光信号返回控制室被光纤Bragg光栅传感器的Bragg光栅滤波分成两束被光电探测器接收，电信号经过信号放大器处理后再经AD转换器转换为数字信号送入微处理器进行处理；

（3）在步骤（2）中所述微处理器内部操作系统中创建多个系统任务，用来保证系统各个模块功能的连续进行，所述的微处理器包含1个16通道差分输入多路选择器和1个10位SAR ADC并对接收来自A/D采样转换后的数字量采用去极值数字滤波法做了数据处理后，采用差分吸收法检测计算分析出结果，所述待检测区域的瓦斯浓度通过如下公式计算出来：

有比尔-朗伯定律：

I(λ)=K(λ)I₀(λ)exp[-α(λ)LC+β(λ)+γ(λ)L+δ(λ)]

在此公式中，I(λ)为透射光的光强；I₀(λ)为入射光的光强；α(λ)为待测气体的吸收系数；K(λ)为整个系统的光效率；β(λ)为瑞利散射系数；γ(λ)为米氏散射系数；C为待测气体浓度；L为待测气体的整个吸收光程；δ(λ)为气体密度造成波动的吸收系数；

波长相差较小分别为λ₁、λ₂且在吸收系数上有差别，对应待测气体的参考和工作波长，得到瓦斯气体浓度C：

$C=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)L}\ln \frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}.$

所述的基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法，其特征在于：所述的光源采用InGaAsP/InP超辐射的发光二极管所提供的红外光波。

所述的基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法，其特征在于：所述的光纤Bragg光栅传感器通过选定的用户分配各自唯一的地址码，同时进行扩频处理，数据接收时可以利用相关运算恢复初始指定信号并对井下多接触面多点进行分布式的定点测量。

所述的基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法，其特征在于：所述的微处理器采用C8051F330。

本发明的有益效果在于：

本发明可以在井下复杂多变的环境下仍然可以在最大程度上保证监测系统的稳定性和监测数据的准确性，在面对各种干扰的情况下，基于光纤Bragg光栅传感网络瓦斯检测方法同时把编码技术和传感技术相结合并融合于一体，基本实现了在待测地域监测点的多点分布式测量，本系统同时还对环境中的例如温度、暗电流的造成的噪声等变化均有较强的抗干扰能力，很大程度上提升了系统的准确性和稳定性，确保监控系统的的连续性、可靠性及有效性，最终实现“监控预防”的目的。

附图说明

图1为本发明的系统图。

图2为本发明微处理器C8051F330建立的主程序流程图。

具体实施方式

如图1所示。基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法，包括有瓦斯监测系统，瓦斯监测系统包括有光纤检测模块1、数据采集中心2、监控中心3，光纤检测模块1包括有光源4、光纤Bragg光栅传感器5，数据采集中心2包括有依次连接的光电探测器6、信号放大器7、AD转换器8，监控中心3包括有依次连接的微处理器9、计算机10，光纤Bragg光栅传感器5的信号输出端连接光电探测器6，AD转换器8的信号输出端连接微处理器9，微处理器9还连接有数据存储器11、声光报警器12，计算机10还连接有LCD显示模块13；通过监测点的光信号被光纤Bragg光栅传感器5的Bragg光栅滤波分成两束后被光电探测器分别接收，进行放大滤波后的数字信号量采用去极值数字滤波法进行数据处理转换后由微处理器分析处理并计算出瓦斯浓度，具体包括以下步骤：

（1）根据待测区域不同的地域情况，采用多个光纤Bragg光栅传感器5分别检测不同待检测区域的待测参数，待测参数以光信号为载体返回控制室；

（2）所述监测点的光信号返回控制室被光纤Bragg光栅传感器5的Bragg光栅滤波分成两束被光电探测器6接收，电信号经过信号放大器7处理后再经AD转换器8转换为数字信号送入微处理器9进行处理；

（3）在步骤（2）中所述微处理器9内部操作系统中创建多个系统任务，用来保证系统各个模块功能的连续进行，所述的微处理器9包含1个16通道差分输入多路选择器和1个10位SAR ADC并对接收来自A/D采样转换后的数字量采用去极值数字滤波法做了数据处理后，采用差分吸收法检测计算分析出结果，所述待检测区域的瓦斯浓度通过如下公式计算出来：

有比尔-朗伯定律：

I(λ)=K(λ)I₀(λ)exp[-α(λ)LC+β(λ)+γ(λ)L+δ(λ)]

在此公式中，I(λ)为透射光的光强；I₀(λ)为入射光的光强；α(λ)为待测气体的吸收系数；K(λ)为整个系统的光效率；β(λ)为瑞利散射系数；γ(λ)为米氏散射系数；C为待测气体浓度；L为待测气体的整个吸收光程；δ(λ)为气体密度造成波动的吸收系数；

波长相差较小分别为λ₁、λ₂且在吸收系数上有差别，对应待测气体的参考和工作波长，得到瓦斯气体浓度C：

$C=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)L}\ln \frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}.$

本发明采用美国Cygnal公司的C8051F330单片机作为系统的控制核心，一方面根据不同的待测区域不同的地域情况，采用多个光纤Bragg光栅传感器分别用来检测待检测区域的待测参数，来自InGaAsP/InP超辐射的发光二极管的红外光波经过待测地域后被接收转换为电信号，对电信号进行处理后给微处理器。另一方面微处理器先采用去极值数字滤波方法对采样转换来的数据进行处理，同时微处理器通过用户分配唯一的地址码和对的Bragg传感器进行扩频处理，以保证系统资源的合理利用以及增多传感器个数以加大区域监测范围，还可以确保当数据接收中断时可以利用相关运算恢复初始信号，监控主机采用以太网完成和数据库服务器数据之间的通讯；远程客户终端的WEB浏览服务由本地数据库的服务器提供，以便随时随地了解当前系统监控信息。

1. 差分吸收检测原理

当一束光通过某种介质时，就会有光的一部分会被这种介质吸收，少量的光波通过介质会被介质散射，其余的光波则沿着原来的方向继续的传播，所以有比尔-朗伯定律可知，介质的吸收长度、透射光的光强、光的吸收系数与物质浓度之间满足：

I=I₀exp[-αLC+β+γL+δ]

式中，I,I₀分别为透射和入射光强；L为待测气体的吸收光程、；C为待测气体的浓度；α为某单位波长下的浓度、单位长度介质的吸收系数；β为瑞利散射系数；δ为气体密度波动造成的吸收系数；γ为米氏散射系数。用光来检测气体时，应该还要包括比例系数K，为此公式可改写为

I=KI₀exp[-αLC+β+γL+δ]

但是仅利用上式确定待测气体的浓度C时还是不足的，因为δ的反应的为平均变化数，随着时间的变化而不停的发生变化，所以它是随机量。所以用两个吸收系数有较大差距但是波长相近的两束波长为λ₁、λ₂的单色光在极短的时间通过将要测量的气体，有：

I(λ₁)=K(λ₁)I₀(λ₁)exp[-α(λ₁)LC+β(λ₁)+γ(λ₁)L+δ(λ₁)]

I(λ₂)=K(λ₂)I₀(λ₂)exp[-α(λ₂)LC+β(λ₂)+γ(λ₂)L+δ(λ₂)]

气体浓度关系表达式为：

$C=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)L}[\ln \frac{K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}-\ln \frac{I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}-[\mathrm{\β}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\β}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]L-[\mathrm{\γ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\γ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]L-[\mathrm{\δ}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\δ}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)\left]\right]$

由于λ₁、λ₂数值相差较小，同时单色光也几乎是同一时间接近然后通过待测 气体的，则：

β(λ₁)≈β(λ₂)，γ(λ₁)≈γ(λ₂)，δ(λ₁)≈δ(λ₂)，

所以 $C=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]L}\ln \frac{K\left({\mathrm{\λ}}_1\right)I_0\left({\mathrm{\λ}}_1\right)I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{K\left({\mathrm{\λ}}_2\right)I_0\left({\mathrm{\λ}}_2\right)I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}$

对光学系统内部进行调节使的:

K(λ₁)I₀(λ₁)=K(λ₂)I₀(λ₂)

可得 $C=\frac{1}{[\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_1\right)-\mathrm{\α}\left({\mathrm{\λ}}_2\right)]L}\ln \frac{I\left({\mathrm{\λ}}_2\right)}{I\left({\mathrm{\λ}}_1\right)}$

有光学上的相近条件可知：

[α(λ₁)-α(λ₂)]L≤1

在实际监控过程中，波长为λ₁、λ₂分别对应着不同吸收谱线，波长为λ₂的光作为参考波长不能被待测气体吸收，检测过程中为空值，因此I(λ₁)<I(λ₂)，I(λ₂)/I(λ₁)>1和I(λ₁)/I(λ₂)<1。对ln[I(λ₂)/I(λ₁)]进行泰勒展开：

$\ln \frac{I\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}{I\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}=-\ln [+1(\frac{I\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}-1)]\&ap;\frac{I\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)-\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}$

所以气体的浓度为

$C=\frac{I\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)-\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)}{I\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_1\right)-\mathrm{\&alpha;}\left({\mathrm{\&lambda;}}_2\right)}$

在波长λ₁、λ₂、α₁、α₂已知情况下就可以通过I(λ₂)-I(λ₁)和I(λ₂)关系式来测量待测气体浓度。

1）去极值的数字滤波方法

系统软件主要用来控制数据的分析与处理以及数据的保存，分析计算出的结果的显示以及需要保存的数据经由RS－232接口传递给上位机等功能更加强大的模块进行。启动脉冲来临前，首先进行初始化处理，对A/D、定时存储器等完成前期的初始化工作然后等待中断请求的到来，为了提高检测精度和消除随机噪声干扰，采用去极值的数字滤波方法对A/D采样转换来的数据进行处理。将事先标定好的线性系数存储在系统的ROM存储器中，当需要做数据处理时，根据当前分析所得数据获得相关的系数，求取当前瓦斯气体的浓度数据送显示器显示，当待测企图浓度超过设定的限定值时，处理器发出声光报警。软件部分采用模块化设计，程序的主流程图如图2所示

为了达到提高待测气体浓度数据精度的目的，对经过A/D采样转换后的数字量采用去极值数字滤波法进行数据处理。此方法首先需要建立一个具有一定容量的窗口平台，窗口内包含的数据量为n。将这n个数据放到一个数组当中送到微处理器进行循环分析处理得到n个结果，将n个结果进行比较获得该组检测数据当中待测值最小值与最大值，之后再计算出所有数据结果的累加和，在这个累加和的数值当中减去循环得到的最大值和最小值，这样的累加和的数值就组成变成了由原来的n个数据变成了n-2个数据，把得到n－2个数据进行累加再除以n－2得到的均值系统就当做一个监测数据。在一组数据的累加和中去除去最小值和最大值可以有效的消除一组监测数据中可能出现的变化较大的随机信号变量对最终测量结果的影响，从而达到了消除脉冲干扰，提高精确率的良好效果。根据误差理论的原则，相同的物理量在等同等精度测量初始条件下条件下，当测量次数越大时，其结果所得到的均值就越逼近真实值，当测量次数＞10次之后，测量精度的提升将会放缓，这样就可以在确保检测精度和满足实时检测需要的这两个标准的要求下，可以采用选择连续采样12次的检测数据利用去极值数字滤波法处理后得到的数据做为当前瓦斯浓度检测的最终结果。

Claims (3)

1.基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法，其特征在于：包括有瓦斯监测系统，所述的瓦斯监测系统包括有光纤检测模块、数据采集中心、监控中心，所述的光纤检测模块包括有光源、光纤Bragg光栅传感器，数据采集中心包括有依次连接的光电探测器、信号放大器、AD转换器，监控中心包括有依次连接的微处理器、计算机，所述的光纤Bragg光栅传感器的信号输出端连接光电探测器，AD转换器的信号输出端连接微处理器，微处理器还连接有数据存储器、声光报警器，计算机还连接有LCD显示模块；通过监测点的光信号被光纤Bragg光栅传感器的Bragg光栅滤波分成两束后被光电探测器分别接收，进行放大滤波后的数字信号量采用去极值数字滤波法进行数据处理转换后由微处理器分析处理并计算出瓦斯浓度，所述的光纤Bragg光栅传感器通过选定的用户分配各自唯一的地址码，同时进行扩频处理，数据接收时利用相关运算恢复初始指定信号并对井下多接触面多点进行分布式的定点测量;具体包括以下步骤：

（1）根据待测区域不同的地域情况，采用多个光纤Bragg光栅传感器分别检测不同待检测区域的待测参数，待测参数以光信号为载体返回控制室；

（2）所述监测点的光信号返回控制室被光纤Bragg光栅传感器的Bragg光栅滤波分成两束被光电探测器接收，电信号经过信号放大器处理后再经AD转换器转换为数字信号送入微处理器进行处理；

（3）在步骤（2）中所述微处理器内部操作系统中创建多个系统任务，用来保证系统各个模块功能的连续进行，所述的微处理器包含1个16通道差分输入多路选择器和1个10位SAR ADC并对接收来自A/D采样转换后的数字量采用去极值数字滤波法做了数据处理后，采用差分吸收法检测计算分析出结果，所述待检测区域的瓦斯浓度通过如下公式计算出来：

比尔-朗伯定律：

在此公式中，为透射光的光强；为入射光的光强；为待测气体的吸收系数；为整个系统的光效率；为瑞利散射系数；为米氏散射系数；C为待测气体浓度；L为待测气体的整个吸收光程；为气体密度造成波动的吸收系数；

波长相差较小分别为、且在吸收系数上有差别，对应待测气体的参考和工作波长，得到瓦斯气体浓度C：

。

2.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法，其特征在于：所述的光源采用InGaAsP/InP超辐射的发光二极管所提供的红外光波。

3.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅传感网络的井下瓦斯检测方法，其特征在于：所述的微处理器采用C8051F330。