CN103926221A - 一种基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，其特征在于包括：中央控制单元、单根光纤和瓦斯气体室传感器；所述光纤上串联设置有若干瓦斯气体室传感器；所述中央控制单元通过一个光源输出端口和一个光源接收端口与串联在光纤上的瓦斯气体室传感器连接；所述瓦斯气体室传感器由两个GRIN透镜组成气体室内腔，所述中央控制单元采用光反射仪技术测量透过气体室前后两个透镜的反射光强来确定瓦斯吸收损耗。本发明还提供这种瓦斯监测系统进行瓦斯监测的方法。本发明将几十、几百个单独的光纤传感器进行“串联”处理，仅依托一根光纤便能实现大区域的分布式监测，网络及硬件结构大大简化，铺设与维护管理成本大幅降低。

Description

一种基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统及监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统及监测方法。

背景技术

安装使用以防瓦斯事故为主的煤矿安全监控系统，是从根本上消除矿难事故的最有效手段。目前绝大多数煤矿的瓦斯监测设备通常选用干式、湿式气敏元件、热电阻瓦斯传感器、红外瓦斯传感器等作为瓦斯检测敏感元件，普遍存在响应时间长、测量范围有限、存在零点漂移及调零困难等缺点。光纤气体传感器具有其他传感器无法比拟的优点，灵敏度高，响应速度快，动态范围大，防电磁干扰，防燃防爆，适合于长距离在线测量。因此，光纤气体传感器用于瓦斯监测系统倍受关注。

国外发达国家对光纤瓦斯传感技术的研究起步较早，1983年日本东北大学的H. Inaba和K. Chan等人利用LED宽带光源配合窄带滤波片作为检测光源，对甲烷在1331.2nm附近吸收光谱线成功地进行了检测，此后他们又发现1665.4nm的吸收光谱可测灵敏度更高。1987年英国南安普顿大学的J. P. Dakin和C. A. Wade等人报道了利用宽带LED和梳状滤波器作为光源测量甲烷及乙炔等梳状吸收峰的气体，其优点为成本低，技术简单，环境适用性好，但仅能用于单点检测。九十年代初，分布反馈式（DFB）激光器渐渐导入到光纤传感技术中，大幅提升了瓦斯传感精度。近二十年来国外对光纤瓦斯传感技术进行了大量的研究，但主要还都停留在单点或数点的检测技术上。我国在这方面的研究起步较晚，始于八十年代末，对于检测技术也同样着眼于单点或数点的检测技术上。然而，对于矿井安全监测系统来说，一个完整的“分布式监测网”需要对瓦斯气体进行实时在线监测，对沿途的任意位置均能采集到所在地的瓦斯浓度信息。

针对矿井大范围多点多参数监测，传统方法多为单点或数点的检测技术，对于几十或几百个点的同时在线测量，多采用图1所示的多芯光缆技术，通过一台中央控制装置对几十、几百个单独的光纤传感器进行“并联”处理。该方法采用多芯光缆，不仅铺设等施工花费昂贵，中央控制装置的输出及接收端口数量非同寻常，关系复杂，维护困难，耗资巨大。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，其能够将几十、几百个单独的光纤传感器进行“串联”处理，仅依托一根光纤便能实现大区域的分布式监测。

本发明的另一目的在于提供利用这种基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统进行瓦斯监测的方法。

技术方案：本发明所述的基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，包括：中央控制单元、单根光纤和瓦斯气体室传感器；

所述光纤上串联设置有若干瓦斯气体室传感器；所述中央控制单元通过一个光源输出端口和一个光源接收端口与串联在光纤上的瓦斯气体室传感器连接；

所述瓦斯气体室传感器由两个GRIN透镜组成气体室内腔，所述中央控制单元采用光反射仪技术测量透过气体室前后两个透镜的反射光强来确定瓦斯吸收损耗。

本发明中采用光反射仪技术测量透过气体室前后两个透镜的反射光强，其最常用的调制解调方法有三种，分别是时域、频域以及相干域，它们的代表分别为光时域反射仪（OTDR）、光频域反射仪（OFDR）以及光相干域反射仪（OCDR）。OTDR技术的优点是测量距离很长，可达几十千米，但是缺点是空间分辨率较低，通常大于一米。本发明中，采用的气体室为厘米量级，OTDR根本不可能分辨得出气体室的前后反射光，因此本发明不采用该技术进行调制解调。而OFDR及OCDR技术的空间分辨率均能达到厘米及以下量级，因此本发明所述光反射仪技术优选为光频域反射仪技术和光相干域反射仪技术。

OFDR技术有时也叫做调频连续波（FMCW）技术，OFDR技术通过线性地调制光源的光频率来实现光纤的分布式测量，其原理示意图如图4所示，光纤上的反射光跟本地光进行拍频，反射点距离越远则拍频越高，反之则拍频越低。这样距离信息就通过拍频的大小显现出来，通过对测量信号的频率分析可以获得光纤上的分布信息。当本发明采用OFDR技术进行测量透过气体室前后两个透镜的反射光强时，所述中央控制单元由频率扫描光源、调制解调器和检测器及频率分析仪组成，所述频率扫描光源通过光源输出端口向串联在光纤上的瓦斯气体室传感器发射测试光，反射光与本地光通过光源接收端口后进入调制解调器，由检测器及频率分析仪对测量信号进行频率分析。

OCDR法通过控制光源的相干峰在光纤中的移动来进行分布测量。如图5所示，相干峰意味着仅此处的反射光与本地光可以干涉，其他地点的反射光均无干涉性，因此相干峰地点的反射光强可以单独获取。由于相干峰移动到想要测量的地点即可获得该地点的反射光强，因此极其适合测量气体室前后的透镜反射光强。当本发明采用OCDR技术进行测量透过气体室前后两个透镜的反射光强时，所述中央控制单元由光源、调制解调器和检测器组成，光源通过光源输出端口向串联在光纤上的瓦斯气体室传感器发射测试光，控制光源的相干峰在光纤中移动到欲测地点，获得欲测地点的反射光，反射光通过光源接收端口后进入调制解调器，由检测器进行信号检测。

在传感器数量众多的情况下，光纤自身的损耗或者传感器上的损耗将渐渐不容忽略。在此情况下，可考虑在光纤途中加入光放大器用以保持足够的光强，以确保超长距离测量。若光放大器中存在光隔离器阻碍反射光的传播，可在光放大器附近设迂回路用以保持反射光路的传播畅通，图6为该迂回路的示意图。

利用本发明所述瓦斯监测系统进行瓦斯监测的方法，包括如下步骤：

（1）中央控制单元采用光反射仪技术测量若干瓦斯气体室传感器的两个透镜的反射光强，记作P₁, P₂, P₃, P₄, …, P_2N-1, P_2N，其中N表示第N个瓦斯气体室传感器；

（2）利用公式S_N=P_2N/P_2N-1获得气体室的瓦斯吸收损耗，S_N表示第N个气体室的瓦斯吸收损耗；则瓦斯吸收的损耗A_N为：

A_N=S_N-S_额，S_额表示透镜额定损耗；

（3）根据式（一），利用瓦斯吸收的损耗A_N获得监测点瓦斯浓度C_N：

C_N=ln(A_N)/aL                                          （一）

其中a为气体吸收系数，L为吸收路径的长度。

有益效果：本发明将几十、几百个单独的光纤传感器进行“串联”处理，仅依托一根光纤便能实现大区域的分布式监测，网络及硬件结构大大简化，铺设与维护管理成本大幅降低，不仅有利于与煤矿其它系统成体系集成应用，其技术与方法向其它监测系统渗透力强，有利于促进其升级改造。

附图说明

图1为传统的多点同时在线测量的瓦斯监测系统示意图。

图2为本发明基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统示意图；

图3为利用本发明瓦斯监测系统进行测量的示意图；

图4为OFDR技术原理示意图；

图5为OCDR技术原理示意图；

图6为采用光放大器时的迂回路示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：本发明基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，包括：中央控制单元、单根光纤和瓦斯气体室传感器；所述光纤上串联设置有若干瓦斯气体室传感器；所述中央控制单元通过一个光源输出端口和一个光源接收端口与串联在光纤上的瓦斯气体室传感器连接；所述瓦斯气体室传感器由两个GRIN透镜组成气体室内腔，所述中央控制单元采用光反射仪技术测量透过气体室前后两个透镜的反射光强来确定瓦斯吸收损耗。

所述光反射仪技术为OFDR技术，其原理示意图如图4所示，所述中央控制单元由频率扫描光源、调制解调器和检测器及频率分析仪组成，所述频率扫描光源通过光源输出端口向串联在光纤上的瓦斯气体室传感器发射测试光，反射光与本地光通过光源接收端口后进入调制解调器，由检测器及频率分析仪对测量信号进行频率分析。所述光纤中还设置有光放大器；在光放大器附近的光路中设置迂回路以保持反射光路传播畅通，图6为该迂回路的示意图。

利用本发明所述瓦斯监测系统进行瓦斯监测的方法，包括如下步骤：

（1）中央控制单元采用光反射仪技术测量若干瓦斯气体室传感器的两个透镜的反射光强，记作P₁, P₂, P₃, P₄, …, P_2N-1, P_2N，其中N表示第N个瓦斯气体室传感器；

（2）利用公式S_N=P_2N/P_2N-1获得气体室的瓦斯吸收损耗，S_N表示第N个气体室的瓦斯吸收损耗；则瓦斯吸收的损耗A_N为：

A_N=S_N-S_额，S_额表示透镜额定损耗；

（3）根据式（一），利用瓦斯吸收的损耗A_N获得监测点瓦斯浓度C_N：

C_N=ln(A_N)/aL                                          （一）

其中a为气体吸收系数，L为吸收路径的长度。

实施例2：本发明所述基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，结构同实施例1，不同点在于本实施例采用的光反射仪技术为OCDR技术，其原理示意图如图5所示：所述中央控制单元由光源、调制解调器和检测器组成，光源通过光源输出端口向串联在光纤上的瓦斯气体室传感器发射测试光，控制光源的相干峰在光纤中移动到欲测地点，获得欲测地点的反射光，反射光通过光源接收端口后进入调制解调器，由检测器进行信号检测。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，其特征在于包括：中央控制单元、单根光纤和瓦斯气体室传感器；

所述光纤上串联设置有若干瓦斯气体室传感器；所述中央控制单元通过一个光源输出端口和一个光源接收端口与串联在光纤上的瓦斯气体室传感器连接；

所述瓦斯气体室传感器由两个GRIN透镜组成气体室内腔，所述中央控制单元采用光反射仪技术测量透过气体室前后两个透镜的反射光强来确定瓦斯吸收损耗。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，其特征在于：所述光反射仪技术为光频域反射仪技术。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，其特征在于：所述光反射仪技术为光相干域反射仪技术。

4.根据权利要求2所述的基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，其特征在于：所述中央控制单元由频率扫描光源、调制解调器和检测器及频率分析仪组成，所述频率扫描光源通过光源输出端口向串联在光纤上的瓦斯气体室传感器发射测试光，反射光与本地光通过光源接收端口后进入调制解调器，由检测器及频率分析仪对测量信号进行频率分析。

5.根据权利要求3所述的基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，其特征在于：所述中央控制单元由光源、调制解调器和检测器组成，光源通过光源输出端口向串联在光纤上的瓦斯气体室传感器发射测试光，控制光源的相干峰在光纤中移动到欲测地点，获得欲测地点的反射光，反射光通过光源接收端口后进入调制解调器，由检测器进行信号检测。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传感的分布式瓦斯监测系统，其特征在于：所述光纤中还设置有光放大器；在光放大器附近的光路中设置迂回路以保持反射光路传播畅通。

7.根据权利要求1～6所述瓦斯监测系统进行瓦斯监测的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）中央控制单元采用光反射仪技术测量若干瓦斯气体室传感器的两个透镜的反射光强，记作P₁, P₂, P₃, P₄, …, P_2N-1, P_2N，其中N表示第N个瓦斯气体室传感器；

（2）利用公式S_N=P_2N/P_2N-1获得气体室的瓦斯吸收损耗，S_N表示第N个气体室的瓦斯吸收损耗；则瓦斯吸收的损耗A_N为：

A_N=S_N-S_额，S_额表示透镜额定损耗；

（3）根据式（一），利用瓦斯吸收的损耗A_N获得监测点瓦斯浓度C_N：

C_N=ln(A_N)/aL                                          （一）

其中a为气体吸收系数，L为吸收路径的长度。