CN105021539A - 一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，属于井下安全监测系统；该系统由光源模块发光，光源选择ASE宽带光源，光源模块与光放大模块输入端相连，使得光功率加强；光放大模块输出端与光开关阵列输入端相连，光开关阵列的输出端与工作面监测模块、巷道监测模块的输入端相连，由此实现不同监测通道的切换；工作面监测模块实现对工作面所要检测的压力、温度、危险气体进行监测；巷道监测模块实现对巷道所要检测的压力、温度进行监测；实现光信号的读取；解调模块实现对监测信息的分析与处理，完成系统监测任务；光传输模块实现系统光信号的传递；该监测系统采用温补光纤，极大提高监测精度；采用复用单元，极大提高系统利用率；采用气体检测技术，增强系统的功能。

Description

一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统

技术领域

本发明涉及一种矿井下安全监测系统，具体是一种基于光纤光栅，能够同时对矿井下温度、压力、危险气体进行实时检测的矿用多功能传感监测系统。

背景技术

 近年来，随着采矿技术的不断提高，以及各种传感技术在矿井下安全监测领域的运用，矿井下安全指数得到明显的提高，行业安全生产状况有了很好的改善。但是传统传感器依靠电信号传输实现矿井下的安全监测，抗电磁干扰能力较弱，可靠性差，特别在矿下恶劣环境下，很难达到预期的监测效果。并且传统监测系统体积庞大，很难适应矿井下高温高压等水环境。

同时，由于新技术的发展，有一些新型光纤光栅监测系统开始运用于井下，使得监测性能得到了改善，但大多是单台设备大量布点，导致监测系统成本较高，并且复用率低，缺乏数据管理与分析能力和相关管理软件，只能提供简单显示，不具备数据处理、分析、预警、记录、共享等特点，不能很好的为煤矿安全生产提供可靠的指导。

因此，如果能建成一个性能优良的多功能复用监测系统，不仅能减少煤矿事故的发生，为煤矿的长期安全生产提供可靠的保证，而且可以节约系统运行和维护成本，增强监测系统的适用范围。

发明内容

因此本发明要解决的技术问题是提供一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统。

本发明可以解决现有矿用监测系统抗电磁干扰能力弱、可靠性差、精度较低、复用率低、成本高、信息处理能力差等方面的问题，满足现代煤矿安全生产对新一代监测系统的苛刻要求。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，该监测系统由光源模块、光放大模块、光开关阵列、工作面监测模块、工作面复用单元、巷道监测模块、巷道复用单元、解调模块、上位机分析监测模块、光传输模块几部分组成。

所述光源模块选择ASE(放大自发辐射)宽谱光源，为光纤光栅传感监测系统提供较大的带宽光源（1525nm-1565nm），为监测系统复用单元的加入提供较大的波长选择范围；光放大模块选择SOA（半导体光放大器），用以提高宽谱光源单位波长的功率，避免了宽谱光源每个单位波长功率较小的缺点，利于监测系统对光信号的传输和检测；所述光开关阵列作为系统监测通道的选择切换，为系统的选择性运行提供方便。

所述工作面监测模块主要有几个小模块组成，包含环形器、分光计、光功率探测模块、气体探测模块；所述巷道监测模块同样有几个小模块组成，包含环形器、分光计、光功率探测模块；其中气体探测模块主要是进行工艺处理过的具有一定光程的气室；光功率探测模块主要是光功率探测器（PD）。

所述工作面复用单元和巷道复用单元主要是带有不同反射波长的布拉格光栅的光纤阵列，每个复用通道由两根带有布拉格光纤光栅的光纤组成。

所述解调模块，主要由光纤光栅静态解调仪和对电信号解调的算术组成，光纤光栅静态解调仪主要对复用单元由布拉格光栅的反射光信号进行解调；电信号解调的算术单元主要对光功率探测模块检测的电信号进行解调。

所述上位机分析监测模块主要包含数据处理与分析单元、数据存储单元、人机交互单元，完成监测系统对解调模块解调信息的分析与处理，并对分析数据进行存储，进而对井下状况实时显示、数据共享和预警。

所述光传输模块主要由通讯光纤、矿用传输光缆组成，其作为光信息载体，实现上述各模块间的通信连接和信息传输。

特别的在该方案中，为使得系统具有高的复用率，采用了复用单元，在复用单元中主要运用波分复用（SWM）和时分复用（TWM）技术；宽谱光源（ASE）的选择为复用提供较大的波长选择范围，同时光放大模块（SOA）的运用避免了宽谱光源平均到单个波长上光功率较小的缺点；并且在复用单元中每个复用通道选择两条带有布拉格光栅的光纤，其中一条作为温补光纤，避免了光纤光栅检测中同时受应变和温度两个因素交叉影响；特别利用光纤光栅反射光波长固定的特点，引入气体吸收光谱测量技术，使得系统能够对一些危险气体进行检测，如甲烷气体、硫化氢气体等。

本发明的优点在于：

本发明除了具有传统监测系统所实现的功能外，还特别采用了光纤光栅用于对应变、温度的检测，同时添加了气体检测功能，完善了系统的监测能力；采用了温补光纤，极大提高监测精度；采用了复用单元，运用波分复用（SWM）和时分复用（TWM）技术，增强系统的复用功能，提高了以FBG（光纤布拉格光栅）为基础的光纤光栅监测系统的多点监测能力，降低了单个光纤光栅监测成本，同时为矿下不同监测对象提供了可选择性布设光纤光栅，安装灵活方便；采用上位机分析监测模块使得系统能够更好的完成监测与信息管理；具有本安特性、抗电磁干扰等优点；基于上述对监测系统的设计，本监测系统可以为矿上安全生产提供可靠的的指导。

附图说明

图1为本发明总体结构框图

图2为本发明工作面监测模块组成框图。

图3为本发明气体探测模块用到的光谱吸收技术引起光波长变化的波形图。

图4为本发明巷道监测模块组成框图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明设计一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统。

参考图1，为本发明总体结构框图，如图1，一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，其特征在于：包括光源模块、光放大模块、光开关阵列、工作面监测模块、工作面复用单元、巷道监测模块、巷道复用单元、解调模块、上位机分析监测模块、光传输模块。

所述一种基于光纤光栅的矿用多功能监测系统中，光源模块的输入端与光放大模块的输入端相连接；光放大模块的输入端与光源模块输出端相连接，输出端与光开关阵列的输入端相连接；光开关阵列的输入端与光放大模块的输出端相连接，输出端与工作面监测模块的输入端和巷道监测模块的输入端相连接；工作面监测模块的输入端与光开关阵列的输出端相连接，输出端与工作面复用单元相连接；巷道监测模块的输入端与光开关阵列的输出端相连接，输出端与巷道复用单元相连接；解调模块的输入端与工作面监测模块的反射信号、巷道监测模块的反射信号相连接，输出端与上位机分析检测模块相连接；其中所述光传输模块由通讯光纤和矿用传输光缆组成，用以实现各模块间的通信连接。

所述光源模块由ASE(放大自发辐射)宽谱光源组成，为传感监测系统提供一定带宽的光，本发明中选用宽带光源可以提供带宽为（1525nm-1565nm）的光波，覆盖波长范围较宽，这样可以为所述工作面复用单元、巷道复用单元中布拉格光纤光栅选择提供大的波长选择范围，可以复用更多不同波长的布拉格光纤光栅，同时也避免了小波长范围用于光纤光栅监测技术中相近波长之间的覆盖，降低了系统的解调难度，增强系统的复用功能。

所述光放大模块由SOA(半导体光放大器)组成，用以提高光功率；虽然ASE（放大自发辐射）宽谱光源的输出功率可以达到数十毫瓦以上，但是较宽的波长输出范围使得宽带光源在每个单位波长的功率较小，这要求系统光路有严格的设计以减小插入损耗，且对光电放大性能要求较高，因此引入光放大模块，由SOA（半导体光放大器）来提高ASE（放大自发辐射）宽谱光源单位波长的功率，避免了宽谱光源在单位波长间隔内功率较小的缺点，利于监测系统对光信号的传输和检测。

所述光开关阵列主要由光开关组成，主要用于对系统监测通道进行选择和切换，特别是当系统拓展时，例如：工作面、巷道等，通过增加复用单元与光开关阵列的连接，可以设置不同的监测站点，从而对不同的监测对象、监测环境提供开关通道，为系统的选择性运行提供了方便。

参考图2，为本发明工作面监测模块组成框图，如图2，工作面监测模块主要由环形器、分光计、光功率探测模块、气体探测模块组成；其中环形器主要将一定带宽的光入射到光纤光栅中；分光计主要将光纤光栅反射回的光分成两束，一束直接接入光功率探测模块相连，另一束直接接入解调模块；光功率探测模块主要由光功率探测器（PD）组成，主要完成对经过气体探测模块和直接接入的光的探测，实现光信号到电信号的转换；

另外，在图2中，环形器后边接入的为光纤光栅阵列即为工作面复用单元，每个复用通道由两根带有布拉格光纤光栅的光纤组成，即为在图2中标注的1、2至N的光纤光栅阵列，虚线框a中标注的为反射波长相同的FBG（光纤布拉格光栅）对，在光纤光栅阵列1、2至N中，两根光纤，其中一条为温补光纤，在光栅同时受温度和压力两个因素影响的情况下，其可以为检测提供一个单一变量的参考，使得检测分析更为精确。

特别的在图2中所采用的气体探测模块主要由进行工艺处理过的具有一定光程的气室组成，气室光程的选择可以根据所要检测气体吸收系数而定，在此可以选择光程较长的气室，使得光可以与气体充分接触，利于光谱的吸收，为系统检测吸收系数较小的气体提供硬件条件，方便系统拓展，提高检测的精度；在该设计中主要运用了激光吸收光谱技术，主要是利用激光能被气体分子选频吸收形成吸收光谱来检测气体浓度；激光吸收光谱技术主要以布格-朗伯-比尔定律（Bouguer–Lambert–Beer law）为基础，在已知入射光强和透射光强以及不同气体对特定波长光的吸收系数时，就可以根据布格-朗伯-比尔定律求出对应检测气体的浓度；参考图3，为本发明气体探测模块用到的光谱吸收技术引起光波长变化的波形图，在所述复用单元中选择的FBG（光纤布拉格光栅）阵列为                                                、至，反射回的波长分别为、至，如图3中（a）图所示；在经所述气体探测模块中的气室后，由激光吸收光谱技术可知，当周围监测环境中的危险气体进入到气体探测模块中的气室时，会有特定波长的光被吸收减弱；且FBG（光纤布拉格光栅）阵列中选有对该危险气体吸收峰相同和相近的光纤光栅，反射光中存在有该危险气体对应吸收峰波长的光，例如图3中对应的即为某危险气体吸收峰对应波长的光，在经过气体探测模块吸收后，如图3中（b）图所示，在进入气室后波长为的光强明显减弱；基于上述原理，由所述光功率探测模块检测入射光强、透射光强，然后接入解调模块中的算术单元，对检测进行信息处理，通过矿用传输光缆，接入上位机分析监测模块，对检测信号进行数据处理和显示。

参考图4，为本发明巷道监测模块组成框图，如图4，巷道监测模块主要由环形器、分光计、光功率探测模块组成；其中各模块的功能和作用同所述工作面监测模块相同，部分模块有所不同，虚线框b中标注的同样为反射波长相同的FBG（光纤布拉格光栅）对，对比图3可知，删除了气体探测模块；由于在不同工作面和环境下监测对象不同，因此对此作了这样的设计。

所述解调模块，主要由光纤光栅静态解调仪组成，用于对复用单元由布拉格光栅的反射光信号和通过气体检测模块的光信号进行解调；以及对光功率探测模块检测的电信号进行解调；所述光纤光栅静态解调仪主要对由FBG（光纤布拉格光栅）阵列返回的光信号进行解调，同时为气体探测模块对危险气体检测提供分析参考；所述对电信号进行解调的算术单元，主要由模拟电路和数字电路实现电的模拟信号到数字信号的转换，该模拟电路和数字电路通过光纤引到矿井上面，保证了本安特性；并通过算法对数据进行滤波、降噪处理，使得分析结果更为精确。

所述上位机分析监测模块主要由数据处理与分析单元、数据存储单元、人机交互单元组成，完成监测系统对解调模块解调信息的分析与处理，并对分析数据进行存储，带有参数设置单元，可以对监测信息进行参数设定以及对井下状况进行显示、数据共享、预警等；通过上述模块可以方便直接的监测矿下安全状况，并对历史数据、异常数据记录等信息进行管理，为矿井安全分析提供参考，为监测系统管理、运行提供方便。

所述光传输模块主要由通讯光纤、矿用传输光缆组成，其作为光信息的载体，实现上述各模块间的通信连接和信息传输；

基于上述设计，本发明一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，可以通过增加或选择不同光纤光栅阵列、复用单元，以及不同工作面监测模块，布设不同的监测站点，方便拓展使用，以达到对矿井下支架压力、钻孔应力、离层监测、锚杆应力、锚索应力、水压等监测对象的监测。

通过上述方式，本发明一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，能够实现对温度、应变、危险气体的精确检测；系统复用能力强，可以实现多点分布监测，各模块安装灵活方便；能够对系统监测信息进行实时处理与数据存储、共享，方便矿上管理；系统具有本质安全特性、抗电磁干扰、适应恶劣环境等优点；基于上述对监测系统的设计，本监测系统可以为矿上安全生产提供可靠的指导，能够满足现代煤矿安全生产对新一代监测系统的苛刻要求。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，其特征在于：包括光源模块、光放大模块、光开关阵列、工作面监测模块、工作面复用单元、巷道监测模块、巷道复用单元、解调模块、上位机分析监测模块、光传输模块。

2.根据权利要求1所述一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，其特征在于：所述光源模块由ASE(放大自发辐射)宽谱光源组成，为传感监测系统提供一定带宽的光，光源模块与光放大模块的输入端相连；所述光放大模块由SOA（半导体光放大器）组成，用以提高光功率；光放大模块的输出端与光开关阵列输入端相连；所述光开关阵列用以实现不同监测通道的切换选择，光开关阵列的输出端分别与工作面监测模块的输入端和巷道监测模块的输入端相连；所述工作面监测模块的输出端与工作面复用单元相连；所述巷道监测模块的输出端与巷道复用单元相连。

3.根据权利要求1所述一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，其特征在于：所述解调模块的输入端接监测模块的返回信号，输出端与上位机分析监测模块的输入端相连；所述上位机分析监测模块由数据处理与分析单元、数据存储单元、人机交互单元组成。

4.根据权利要求1所述一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，其特征在于：所述光传输模块由通讯光纤、矿用传输光缆组成，用以实现各模块间的通信连接。

5.根据权利要求1所述一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，其特征在于：所述工作面监测模块由环形器、分光计、光功率探测模块、气体探测模块组成；所述巷道监测模块由环形器、分光计、光功率探测模块组成。

6.所述一种基于光纤光栅的矿用多功能传感监测系统，其特征在于：采用布拉格光栅作为光纤光栅来检测压力和温度的变化，并且在同一温度场中布置两根带有布拉格光栅的光纤，一根光纤用于测量被测物压力变化，它同时受温度和应变的影响；另一根用于测量温度变化，它只受温度影响；系统使用复用单元，增强系统的复用功能；并将光纤光栅反射光由分光计接入气体探测模块来对矿井下危险气体进行检测；同时实现了对矿井下的温度、压力、危险气体的实时监测，通过上位机分析监测模块对井下状况进行实时监测。