CN109060168A - 一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置，涉及煤矿火灾监测技术领域,包括设置在巷道内部顶端的供水管，所述供水管上安装水泵和喷头，所述巷道内部顶端安装多个风机，所述巷道内部顶端安装报警器，所述巷道内部底端设置多个光纤光栅传感器。本发明优势在于采用光纤光栅有效的克服了煤款现场电磁干扰、不能远距离传输、稳定性低等缺点，而且运用环氧树脂封装的光纤光栅传感器温度灵敏度超过了现有光纤光栅传感器的所有封装方式，它达到了裸光栅的2.57倍，实现了对自然火灾的快速检测；采用波分复用技术，有效的克服了系统复用容量有限的难题。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿火灾监测技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置。
背景技术
煤矿是事故多发之处，尤其是煤矿自然发火，当煤矿发生自燃火灾时，危险性极为严重，不仅比例很大，而且覆盖面积相当广泛。每个矿区都存在自然发火的可能性，煤矿每发生一次自燃火灾将会造成巨大的煤炭资源破坏与经济损失，还伴随着大量的人员伤亡，虽然自燃火灾在我国一些煤矿时有发生，但是，到目前为止还没有找到合适的自燃火灾监测装置。
现有的自然火灾监测系统中，90％的感温电缆都是采用的电类传感原理，很容易受电磁的干扰，并且信号不能远距离传送，系统的可靠程度低，此类自燃火灾监测装置不能够准确的对自燃火灾发火前的温度变化提前预报，也不能够监测到自燃火灾发火后温度场的分布状态，因此，此类自燃火灾监测装置在一些煤矿特殊的领域无法使用。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置，用以解决现有技术中存在的问题。
一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置，包括设置在巷道内部顶端的供水管，所述供水管上安装水泵和喷头，所述巷道内部顶端安装多个风机，所述巷道内部顶端安装报警器，所述巷道内部底端设置多个光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器与光栅解调仪为电连接，所述光栅解调仪与所述控制终端为电连接，所述控制终端与所述水泵、所述风机和所述报警器均为电连接。
较佳地，所述光纤光栅传感器包括毛细钢管，所述毛细钢管一侧内部套接传输光纤，所述毛细钢管内部套接光纤光栅，所述光纤光栅表层涂抹有环氧树脂。
较佳地，所述控制终端为电脑。
较佳地，所述光栅解调仪为美国Micron optics公司生产的光纤光栅解调仪FBG－IS，该仪器的扫描频率为50Hz，工作波长范围为1530nm～1570nm，其波长精度为1pm。
本发明有益效果：本发明优势在于采用光纤光栅有效的克服了煤款现场电磁干扰、不能远距离传输、稳定性低等缺点，而且运用环氧树脂封装的光纤光栅传感器温度灵敏度超过了现有光纤光栅传感器的所有封装方式，它达到了裸光栅的2.57倍，实现了对自然火灾的快速检测；采用波分复用技术，有效的克服了系统复用容量有限的难题。
在煤矿不同的探测区采用不同的波长，将采集的的信号通过同一根传输光缆反射给解调器，解调器通过计算各点波长变化值可以确定煤矿内部各个探测区探测点的温度，采用此技术不仅可以根据温度的变化对自然火灾发火前提前预警，而且还可以实时掌握自然火灾发火后煤矿内部温度场的分布情况，使人们可以根据温度场实时分布情况针对性的灭火，避免造成时效性影响和更大的损失及人员伤害。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的光纤光栅毛细钢管封装结构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的FBG毛细钢管封装方法的流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的裸栅FBG和封装后FBG温度传感特性曲线示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的巷道在点火后40s内温度场随距离的分布曲线示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的巷道在灭火后40s内温度场随距离的分布曲线示意图；
图7为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的4个不同防火分区光纤Bragg光栅温度传感器在100min内的温度变化示意图。
附图标记说明：
1-巷道，2-供水管，3-水泵，4-风机，5-报警器，6-光纤光栅传感器，7-光栅解调仪，8-控制终端，9-毛细钢管，10-传输光纤，11-光纤光栅，12-环氧树脂。
具体实施方式
下面结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
参照图1，本发明提供了一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置，包括设置在巷道1内部顶端的供水管2，，所述供水管2上安装水泵3和喷头，所述巷道1内部顶端安装多个风机4，所述巷道1内部顶端安装报警器5，所述巷道1内部底端设置多个光纤光栅传感器6，所述光纤光栅传感器6与光栅解调仪7为电连接，所述光栅解调仪7与所述控制终端8为电连接，所述控制终端8与所述水泵3、所述风机4和所述报警器5均为电连接，所述控制终端8为电脑。
所述光纤布拉格光栅感温探头分别布设在需要检测的各个探测区，探测信号通过传输光纤传输给光栅解调仪。光栅解调仪根据波长的不同可以解调出光纤光栅的反射波长从而可以计算各个探测区的温度测量结果。若检测到的温度高于我们预先设定值时或温度变化率超过预定阈值时，光栅解调仪会向火灾报警控制器发出报警信号以及向数据显示器和控制终端传输温度信号。所述的控制终端根据得到的报警信号进行相关的灭火降温操作，达到理想的自然火灾预防效果，所述的数据显示器和控制终端可以将得到的温度及其变化趋势显示出来，根据温度场的分布进行针对性的灭火操作。
同时，光纤布拉格光栅(FBG)芯中折射率有着固定的周期性调制分布特性，可以通过用宽带光源入射光纤布拉格光栅的一端的方法来使有效折射率发生周期性变化。当折射率改变后，只有布拉格波长的光波在光纤的每一小段上反射，其它波长的光波被反射回来相当微弱，当光栅外界温度发生改变时，若想测得温度的变化情况，可以通过检测Bragg波长的漂移量的办法获得。
光纤光栅的Bragg波长为
λb＝2nΛ (1)
式中λb是布拉格波长，即反射波长；n是光纤纤芯的有效折射率，而Λ是光栅之间的间隔长度，称为光栅周期。
不考虑波导效应，将波长对温度T取导数.得出的结果再除以波长得：
其中，即为光纤光栅的热光系数，为热膨胀系数。
则式(2)可表示为
可见，令裸光纤光栅温度灵敏度系数为k＝ξ+α，则式(3)可化为
Δλb＝λbkΔT (5)
由上述式(5)可以看出布拉格波长变化与温度变化的关系，采用石英光纤时，k≈7.5×10-6℃，ξ≈7.0×10-6℃，估算出常温下光纤布拉格光栅的k≈7.5×10-6℃。
在很大程度上，温度灵敏度由于材料的不同相差很大，只有当温度变化不大时，可以认为k是一个常数，由此可以看出：在一定条件下，布拉格波长的变化和温度变化间处于很好的线性关系。
参照图2，为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的光纤光栅毛细钢管封装结构的结构示意图，所述光纤光栅传感器6包括毛细钢管9，所述毛细钢管9一侧内部套接传输光纤10，所述毛细钢管9内部套接光纤光栅11，所述光纤光栅11表层涂抹有环氧树脂12。
参照图3，为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的FBG毛细钢管封装方法的流程示意图，包括：
步骤一、将需要制作的传输光纤套上所用到的毛细钢管内部；
步骤二、将环氧树脂涂抹在实验平台上；
步骤三、将光纤光栅平直放入环氧树脂中间；
步骤四、用镊子夹住毛细钢管将其轻轻推向光纤光栅；
步骤五、将封装好的光纤光栅放入烘箱进一步烘干、固化。
注意事项：在毛细钢管封装过程中要确保光纤光栅处于平直形状，并位于毛细钢管的轴线上，这样可以使光栅处于毛细钢管的正中部位。注入环氧树脂时，要适当的进行均匀加热，均匀加热的目的可以保证管内充满密实，可以防止管内形成气泡。
本发明试验采用的毛细钢管厚度为：毛细钢管的外径取为1.2mm，钢管内径0.9mm，钢管长度为80mm，并且采用的为不锈钢的钢质，另需一个恒温烤箱。将封装好的光纤光栅放入恒温箱中，将试验的温度范围设置为20～100℃，每相隔10℃的时候测试一次结果。最后把两根封装后FBG和一根裸栅在温度恒定情况下的波长变化率与温度值记录下来，可以得到温度传感特性曲线。
参照图4，为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的裸栅FBG和封装后FBG温度传感特性曲线示意图，表1所示为试验后得到的结果，通过对封装后的光纤光栅与裸栅进行实验得到了波长增量与温度变化关系曲线，然后对封装后的光纤光栅进行重复温度测量得到了光栅的中心波长随温度变化的数值。由试验结果可以明确地看到经毛细钢管、环氧树脂封装后的光纤光栅温度传感线性度与重复性都要高于其他类封装，两个毛细钢管封装光纤光栅FBG1、FBG2的温度灵敏度系数的平均值为：
KT封＝(16.05+117.03)×10-6/℃＝16.54×10-6/℃
裸光栅FBG3的温度灵敏度系数的平均值为：KT裸＝6.44×10-6/℃
由两个温度灵敏度系数平均值可以得出光纤光栅由毛细钢管封装后温度传感灵敏度大约是裸光栅的2.57倍。为煤矿自然火灾监测装置报警、灭火提供及时、准确的信息，毛细钢管封装后有效克服了光纤光栅易变形、易折断的缺点。
表1封装后光栅中心波长随温度变化数据
实施例：本发明提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置，为了准确并且及时的监测到煤矿中的温度，在实验室建立了煤矿巷道的物理模型，根据本发明煤矿自然火灾监测装置的要求，将巷道的监测区分为了4个防火分区，将每个分区的长度取为100m，在这100m内均匀的分布10个光纤光栅传感器，每个光纤光栅传感器之间相差10m。
本发明4个防火分区采用一根光纤光栅感温火灾探测器，并且还要采用4个波长，4个防火区的长度为400m，400m中要用到40个传感器，形成40个监测点，最后选择一根400m长的传输光缆将传感器的反射信号反射给解调器，本发明试验中的解调器采用美国Micronoptics公司产生的光纤光栅解调仪FBG－IS，该仪器的扫描频率为50Hz，工作波长范围为1530nm～1570nm，其波长精度为1pm。解调器通过计算各点波长变化值可以确定巷道内各探测点的温度，可以预先设定温度及其变化率报警值，当达到报警值时可以发出报警信号，报警信号可以通过网络对数据终端进行通信，还可以通过RS232或RS485对数据终端进行通信，数据终端通过软件实现对数据的处理，通过各点的波长变化值可以计算出探测点的温度值并将其记录入到数据库，当温度及其变化率的变化超过了我们的设定值时，系统会自动报警，提醒工作人员及时撤离，同时系统自动开动风机对探测点进行降温，自动打开水泵，通过供水管和喷头向巷道内喷水，本发明的煤矿自然火灾监测装置对提前预警并迅速扑灭火灾起到关键作用。
参照图5，为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的巷道在点火后40s内温度场随距离的分布曲线示意图，由巷道现场试验结果得出，巷道发生火灾40s后在短时间内温度并没有上升很快而是处于平稳状态，这时虽然温度超过了报警值，这是本发明采用了自行降温操作。紧接着每隔10s温度加快上升，在40s的时后，测试结果达到了最高温度109.7℃，此时系统发出灭火信号，立即采取灭火措施。
参照图6，为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的巷道在灭火后40s内温度场随距离的分布曲线示意图，由巷道现场火灾灭火试验结果得出，从图中可以看到在灭火后40s内，虽然最高温度明显下降，周围的温度不但没有下降反而出现了小幅度的上升状态，因为，巷道中一旦出现火灾会出现大量的烟气，由于烟气弥漫的影响，导致周围的各探测点监测温度逐步升高。
参照图7，为本发明实施例提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置的4个不同防火分区光纤Bragg光栅温度传感器在100min内的温度变化示意图，在上述巷道现场实验4个防火区各个分区中各取一个传感器进行测量，可以看到温度传感器1与温度传感器2的温度基本处于稳定，虽然它可以通过自身的降温装置使温度得以恢复正常，但是，自然火灾装置同样会发出报警信号，提醒人们注意有可能火灾，传感器3与传感器4温度已经出现了明显的升高，此时，自然火灾装置不能通过自身的降温装置使温度恢复正常，自然火灾装置会发出灭火信号，立即采用灭火措施。
综上所述，本发明优势在于采用光纤光栅有效的克服了电磁干扰、不能远距离传输、稳定性低等缺点，而且运用环氧树脂封装的光纤光栅传感器温度灵敏度超过了现有光纤光栅传感器的所有封装方式，它达到了裸光栅的2.57倍，实现了对自然火灾的快速检测；采用波分复用技术，有效的克服了系统复用容量有限的难题。
在煤矿不同的探测区采用不同的波长，将采集的的信号通过同一根传输光缆反射给解调器，解调器通过计算各点波长变化值可以确定煤矿内部各个探测区探测点的温度，采用此技术不仅可以根据温度的变化对自然火灾发火前提前预警，而且还可以实时掌握自然火灾发火后煤矿内部温度场的分布情况，使人们可以根据温度场实时分布情况针对性的灭火，避免造成时效性影响和更大的损失及人员伤害。
以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于光纤光栅传感器的煤矿自燃火灾监测装置，其特征在于，包括设置在巷道(1)内部顶端的供水管(2)，所述供水管(2)上安装水泵(3)和喷头，所述巷道(1)内部顶端安装多个风机(4)，所述巷道(1)内部顶端安装报警器(5)，所述巷道(1)内部底端设置多个光纤光栅传感器(6)，所述光纤光栅传感器(6)与光栅解调仪(7)为电连接，所述光栅解调仪(7)与所述控制终端(8)为电连接，所述控制终端(8)与所述水泵(3)、所述风机(4)和所述报警器(5)均为电连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器(6)包括毛细钢管(9)，所述毛细钢管(9)一侧内部套接传输光纤(10)，所述毛细钢管(9)内部套接光纤光栅(11)，所述光纤光栅(11)表层涂抹有环氧树脂(12)。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制终端(8)为电脑。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光栅解调仪(7)为美国Micron optics公司生产的光纤光栅解调仪FBG－IS，该仪器的扫描频率为50Hz，工作波长范围为1530nm～1570nm，其波长精度为1pm。
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