CN106706040A

CN106706040A - 布里渊‑拉曼融合的矿井支护墙温度应变检测方法及装置

Info

Publication number: CN106706040A
Application number: CN201710033541.8A
Authority: CN
Inventors: 胡佳成; 刘泽国; 王梓鉴; 罗亮; 沈小燕
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2017-01-16
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2017-05-24

Abstract

本发明公开了一种布里渊‑拉曼融合的矿井支护墙温度及应变检测装置。本发明包括DFB激光器光源、LD激光光源、电光调制器、掺铒光纤放大器、两个环形器、三个光开关、三个分束器以及直接检测模块输出端、相干检测模块、数据采集卡、计算机。本发明可以同时实现井下沿传感光纤铺设方向上温度和压力的实时检测。

Description

布里渊-拉曼融合的矿井支护墙温度应变检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种矿井支护墙检测方法和装置，尤其是涉及一种布里-渊拉曼融合的矿井支护墙温度应变检测方法及装置。

背景技术

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭在我国能源结构中占有重要地位，约占70％。从目前我国能源现状、经济发展水平和世界能源格局来看，在相当长的时间内，我国以煤炭为主要能源消费结构的格局难以改变。据2015年数据显示，虽然我国的煤炭产量占到世界煤炭产量的47％。

然而，我国煤矿生产以及检测设备相对落后且管理不规范，传统的矿井安全检测装置由于布线繁琐、易受干扰、易被腐蚀等原因，无法实现大范围分布式安全检测，因此无法对矿井坍塌、煤炭自燃等险情进行及时有效地预警，致使我国煤矿事故死亡人数在世界所有产煤国家中也是高居榜首。其中，由于支护墙压力过大造成的坍塌事件及温度过高造成的煤炭自燃事件最为常见，所占比例是造成矿井停产事故总和的93％以上。上述问题，尚无便捷有效的方法解决。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种布里渊-拉曼融合的矿井支护墙温度应变检测方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明中的DFB激光光源接第一分束器输入端连接，第一分束器分出的两束光一束接电光调制器输入端，另一束接第三分束器一个输入端；电光调制器输出端接第二分束器输入端，第二分束器分出的两束光一束接扰偏器输入端，另一束通过偏压自动控制装置，偏压自动控制装置控制电光调制器；扰偏器输出端接第一光开关一个输入端，LD激光光源接入第一光开关另一个输入端，第一光开关输出端接第一环形器输入端，第一环形器的一路输出接第三光开关输入端，另一路接第二光开关输入端；第三光开关与传感光纤的两个端口相连；第二光开关的一个输出端接直接检测模块，另一个输出端经过掺铒光纤放大器后接第二环形器输入端；第二环形器的一路输出端接光纤光栅滤波器，另一路输出端接第三分束器另一个输入端；第三分束器的输出端接相干检测模块输入端，直接检测模块输出端、相干检测模块输出端接数据采集卡的不同通道，数据采集卡将数据传给计算机。

传感光纤采用的铠装单模光纤，在巷道内铺设时采用的是双端铺设、双端采集的方式，即传感光纤的两个端口都接在装置上，通过第三光开关切换传感光纤的两个输入/输出端口，实现双端入射和双端采集，即使光纤中间断裂，断裂位置两端信号仍能正常传输。传感光纤的中间传感部分用黏合剂分别固定在巷道两侧的支护墙表面，并且两个固定点之间的光纤要求呈拉紧状态，根据每个作业巷道的预掘进距离，预留出相应长度的光纤捆，随着作业巷道的掘进进行铺设。

利用上述装置进行矿井支护墙压力和温度检测的方法如下：打开DFB光源和LD高速脉冲光源，通过控制第一光开关来切换注入传感光纤的脉冲光光源，通过控制第三光开关来切换传感光纤的两个入射端口，通过控制第二光开关来切换进入两个检测模块的反射信号，其中第一光开关和第二光开关的通道切换频率相同，且相同通道的开关状态也相同，第三光开关的通道切换频率是第一光开关和第二光开关的两倍；数据采集卡的两个通道分别采集两个检测模块的信号，先根据直接检测模块检测出来的拉曼散射信号解调出传感光纤上的温度信息，在根据相干检测检测出来的布里渊散射信号、已解调出来的温度信息和传感光纤的温度敏感系数和应变敏感系数解调出传感光纤上的应变信息，实现温度和应变的同时检测。温度和应变的解调公式如下：

其中，C_RT是拉曼散射的温度系数；C_vT是布里渊散射频移的温度系数；C_vε是布里渊散射频移的应变系数，不同光纤，这三个系数都不同，可通过标定测得。

与背景技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中的一种布里渊-拉曼融合的矿井支护墙压力温度检测装置可以同时实现井下沿传感光纤铺设方向上温度和压力的实时检测。

2.装置中的传感器和信号传输介质是同一根光纤，布线简单方便，且具有光纤的抗腐蚀、抗电磁干扰等优点。

3.传感光纤采用的黏合剂固定的方式，铺设固定简单，可跟随巷道的掘进实现跟踪检测。

4.由于传感光纤是连续的，在光纤铺设范围内可实现大范围分布式检测。

5.传感光纤相比于传统的电学式传感器在矿井下是本安防爆的，可以避免因电火花引发的瓦斯爆炸事故。

6.由于采用了双端铺设、双端采集的安装方式，且两个端口可以独立工作，即使传感光纤中间出现断裂，装置仍然可以通过两个端口分别检测断裂位置两端传感光纤上的温度和应变信息，并检测出光纤断裂位置。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2是矿井巷道及传感光纤铺设方式示意图；

图3是矿井巷道及传感光纤位置截面图；

图4是传感光纤在矿井巷道支护墙表面的固定方式示意图；

图5是传感光纤断裂位置示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中采用DFB高性能激光光源作为布里渊传感的泵浦光源，发出连续稳定的激光，第一分束器将激光器发出的光分成两部分，一部分用作检测时的参考光，另一部分被电光调制器调制成脉冲光；被调制后的脉冲光送入第二分束器，第二分束器将该脉冲光又分成两部分，一部分通过扰偏器后被送入第一光开关，另一部分接入偏压自动控制装置，偏压自动控制装置通过检测第二分束器分出的光来控制电光调制器，使电光调制器的输出满足布里渊传感的要求；同时另一高速脉冲激光光源LD(拉曼传感光源)直接接入第一光开关；第一光开关的输出端接第一环形器的输入端，第一环形器的两个输出端分别接第三光开关和第二光开关的输入端；第三光开关的两个输出端接传感光纤的两个端口；第二光开关的两个输出端一个接掺铒光纤放大器，另一个接直接检测模块；掺铒光纤放大器的输出接第二环形器的输入，第二环形器的两个输出一个接光纤光栅滤波器，另一个输出和第一分束器分出的90％的连续光接入第三分束器的两个输入；第三分束器的输出接相干检测模块；数据采集卡的两个通道分别和直接检测模块、相干检测模块连接，计算机和数据采集卡相连。如图1中虚线框内的部分即为布里渊-拉曼融合的矿井支护墙温度应变检测装置的组成结构。

如图2、图3和图4中所示，为矿井巷道内支护墙上传感光纤的铺设示意图，1为布里渊-拉曼融合的矿井支护墙温度应变检测装置，放置在地表；2为铠装单模传感光纤；3为开矿处的地表；4为矿井入口；5为待采煤区；6为矿井下巷道；7为铠装单模光纤捆；8为传感光纤黏合固定装置；9为矿井巷道支护墙。从图3和图4可以看出，传感光纤是通过黏合固定装置安装在巷道两侧支护墙的表面，呈拉紧状态。从图2中可以看出，整根传感光纤两个端口都接在检测装置上，中间连续部分用作传感和信号传输，并且在每一个巷道分支内，都有一个铠装单模光纤捆7，在采煤过程中，可以随掘进随铺设传感光纤，实现跟踪监测。

如图5所示，为传感光纤中间出现断裂时的示意图，当光纤在位置C处出现断裂，由于C的两端分别和传感光纤的端口A和端口B相连，信号仍然可以通过不同的端口分别到达断裂位置C处，装置仍可以检测整根传感光纤上的温度和应变信息，并检测出C距离两个端口A、端口B的距离，根据光纤包层上的信息就可以确定C的具体位置。

本发明的工作过程如下：当第一光开关打开高速脉冲光源LD(拉曼传感光源)与第一环形器之间的通道，关闭扰偏器与第一环形器之间的通道时，第二光开关同时打开第一环形器与直接检测模块之间的通道，关闭第一环形器与掺铒光纤放大器之间的通道，此时，第三光开关需要完成一次两个通道的切换，通道切换的时间间隔为第一光开关和第二光开关通道切换时间间隔的一半；拉曼传感光源的脉冲光第一次从传感光纤的A端注入传感光纤，并将从A端反射回来的信号通过环形器第三光开关、第一环形器和第二光开关送入直接检测模块；第三光开关切换通道之后，拉曼传感光源将从传感光纤的B端口注入，并将从B端口反射回来的信号通过第三光开关、第一环形器和第二光开关送入直接检测模块；此时，第一光开关、第二光开关、第三光开关同时切换通道，通过扰偏器后的布里渊传感的光源通过第一光开关注入到第一环形器中，并通过第三光开关注入到传感光纤的A端口，由A端口反射回来的信号通过第三关开关、第一环形器和第二光开关被送入掺铒光纤放大器，紧接着进入第二环形器和光纤光栅滤波器，滤除无用的散射信号后经第二环形器和由第一分束器分出来的参考光同时通过第三分束器发生干涉，干涉信号进入相干检测模块；第三光开关切换通道之后，光源发出的脉冲光通过传感光纤的B端口注入，并将从B端口反射回来信号的按照与A端口反射回来信号相同的路径送入相干检测模块；数据采集卡的两个通道分别采集直接检测模块检测到的拉曼散射信号和相干检测模块检测到的布里渊散射信号，并将采集到的信号传入计算机；计算机先根据采集到的拉曼散射信号解调之后，得到安装在支护墙上的传感光纤的温度信息，再根据解调到的温度信息和采集到的布里渊散射信号就可以解调出传感光纤上的应变信息。从而，通过一根传感光纤就可以实现温度和应变的同时检测。若由于巷道塌方等外界因素造成传感光纤在位置C处出现断裂时，因为断裂位置C的两端分别与端口A和端口B相连接，信号仍然可以通过不同的端口分别到达断裂位置C处，装置仍可以检测整根传感光纤上的温度和应变信息，并检测出C距离两个端口A、端口B的距离，根据光纤包层上的信息就可以确定C的具体位置。

Claims

1.布里渊-拉曼融合的矿井支护墙温度及应变检测装置，其特在于：该装置中的DFB激光光源接第一分束器输入端连接，第一分束器分出的两束光一束接电光调制器输入端，另一束接第三分束器一个输入端；电光调制器输出端接第二分束器输入端，第二分束器分出的两束光一束接扰偏器输入端，另一束通过偏压自动控制装置，偏压自动控制装置控制电光调制器；扰偏器输出端接第一光开关一个输入端，LD激光光源接入第一光开关另一个输入端，第一光开关输出端接第一环形器输入端，第一环形器的一路输出接第三光开关输入端，另一路接第二光开关输入端；第三光开关与传感光纤的两个端口相连；第二光开关的一个输出端接直接检测模块，另一个输出端经过掺铒光纤放大器后接第二环形器输入端；第二环形器的一路输出端接光纤光栅滤波器，另一路输出端接第三分束器另一个输入端；第三分束器的输出端接相干检测模块输入端，直接检测模块输出端、相干检测模块输出端接数据采集卡的不同通道，数据采集卡将数据传给计算机。

2.矿井支护墙温度及应变检测方法，使用权利要求1所述的装置，其特征在于：传感光纤在矿井巷道内铺设时采用的是双端铺设、双端采集的方式，即传感光纤的两个端口都接在装置上，通过第三光开关切换传感光纤的两个输入/输出端口，实现双端入射和双端采集；传感光纤的中间传感部分用黏合剂分别固定在巷道两侧的支护墙表面，并且两个固定点之间的光纤呈拉紧状态，根据每个作业巷道的预掘进距离，预留出相应长度的光纤捆，随着作业巷道的掘进进行铺设；

打开DFB激光光源，第一分束器将该激光分成两束，一束用作检测时的参考光，一束由电光调制器将其调制成脉冲光；被调制的脉冲光送入第二分束器，第二分束器将调制后的脉冲光分成两部分，一部分通过扰偏器减小脉冲光中由于偏振引起的损耗后被送入第一光开关，另一部分接入偏压自动控制装置，偏压自动控制装置检测由第二分束器分出的光束控制电光调制器，使电光调制器调制的脉冲光满足布里渊传感的要求；同时另一高速脉冲激光光源LD用作拉曼传感的光源，直接接入第一光开关；

通过控制第一光开关来切换注入传感光纤的光源，通过控制第三光开关来切换传感光纤的两个入射端口，通过控制第二光开关来切换进入检测模块的反射信号，其中第一光开关和第二光开关的通道切换频率相同，且相同通道的开关状态也相同，第三光开关的通道切换频率是第一光开关和第二光开关的两倍；数据采集卡的两个通道分别采集两个检测模块的信号，先根据直接检测模块检测出来的拉曼散射信号解调出传感光纤上的温度信息，在根据相干检测检测出来的布里渊散射信号、已解调出来的温度信息和传感光纤的温度敏感系数和应变敏感系数解调出传感光纤上的应变信息，实现温度和应变的同时检测。