CN113029427B - 一种基于光纤光栅的矿井风压测量装置、检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅的矿井风压测量装置、检测系统及方法，适用于煤矿井下。测量装置包括壳体，壳体正上端有挂耳，在壳体左上侧有通孔螺栓，通孔螺栓中的通孔中设有伸出通孔螺栓端口外的传输光纤，壳体内部有连接梁；U型管压差计，U型管压差计左端有静压口，右端有动压口，U型管压差计内设有光纤光栅，光纤光栅一端通过连接光纤与光纤耦合器耦合。光纤光栅让布置在地面基站的宽带光源将信号传输至光纤光栅实现光源的反射,该反射光源回传到波长测量器,测量不同波段的波长,再通过计算机得到相应的风压测量结果。本发明可用于多条巷道以及风门两端等地区的风压测量，具有抗电磁干扰、低延时，测量方便精确等特点。

Description

一种基于光纤光栅的矿井风压测量装置、检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种矿井风压测量装置、检测系统及方法,尤其适用于矿井下使用的一种基于光纤光栅的矿井风压测量装置、检测系统及方法。

背景技术

随着煤开采规模、开采深度的增加，遇到的地质条件越来越复杂，不但给开采带来难度，而且一些矿井面临许多通风问题。随着矿区面积的增加一些矿井的通风线路变长，矿井所需的通风阻力和风量明显增大。这些条件的变化导致矿井通风系统的复杂性增加，导致原有的通风系统已不能满足安全生产的需要。

通风系统是员工生命安全的保障，通风系统不完善不仅会给员工的安全工作造成巨大隐患，还会直接威胁井下人员的生命安全，导致井下正常的掘进及综采生产无法进行，最终对煤矿的经济效益造成损失。在矿井各工作面、巷道安装自动化通风监控系统，能够对井下巷道的风压进行实时监测，确保工作地点人员的安全。经过实践证明，在煤矿安装自动化通风监控系统后，能够有效地对各个工作面的各类通风数据进行监测，避免由于井下通风系统达不到要求造成的瓦斯集聚或爆炸事故，全面提升了整个矿井的安全系数。

目前我国对井下通风阻力测定大量依靠便于携带的气压计。大多是人-进行测定，井下环境恶劣且通风坏境有不良地段,存在很多安全隐患。且在传统通风阻力的测量方法中，需要用基点法测量两测点的绝对静压差，即将一台气压计在基点监测大气压，另一台从基点开始测每一个测点的静压，如果在测量时间内大气压和通风状况无变化，则两个测点的绝对静压差就是两测点的仪器读数差值，由于大气压和通风状况随时都有可能发生变化，因此井下任意点绝对静压也会发生变化，此时就需要用基点进行校正。由于光纤光栅有可与网络连接，低延迟的特点，采用光纤光栅的气压计可以同时测量多个测点的风压。因此多方面因素下,基于光纤光栅监测在矿井通风阻力调控中的应用孕育而生。

发明内容

发明目的：本发明的目的是要提供一种灵敏度高、测量精度高，便于实现多路技术、低延时的适用于矿井的基于光纤光栅的矿井风压测量装置、检测系统及方法。

技术方案：本发明的基于光纤光栅的风压测量装置，其特征在于：其包括壳体，所述壳体顶部郑重设有挂耳，壳体内通过设置在两侧的连接梁悬空设有U型管压差计，U型管压差计包括两支平行设置的竖管部分，两支竖管部分底部之间设有连同的横管部分，U型管压差计设有水银，U型管压差计的两个竖管部分的出口分别通过水平设置的管路与壳体外侧连接，其中左侧的管路为静压口，右侧的管路为动压口，U型管压差计的竖管部分内通过横梁分别设有两支垂直设置并浸泡在水银中的光纤光栅，两支光纤光栅的露在水银液面外侧的端头通过两根连接光纤分别连接到光纤耦合器，光纤耦合器通过传输光纤向壳体外侧传输信号。

传输光纤穿过壳体处设有通孔螺栓，以保证壳体内部的密封环境。

一种基于光纤光栅的风压测量装置的测量系统其包括安装井下预设点处的多个光纤光栅风压测量装置以及设置在地面的地面基站，所述多个光纤光栅风压测量装置通过传输光纤与地面基站连接。

所述多个光纤光栅风压测量装置的传输光纤通过光纤耦合器耦合后与基站连接。

所述的基站包括与传输光纤连接的光环形器，传输光纤通过光环形器分别与宽带光源和波长测量连接，波长测量通过传输光纤连接有计算机。

一种基于光纤光栅的风压测量装置的测量系统的布置方法，其步骤包括：

在井下沿通风机走势在工作面掘进巷道端头布设基于光纤光栅的风压测量装置，对不同巷道中的光纤光栅的风压测量装置进行编号，光纤光栅的风压测量装置通过挂耳悬挂在巷道顶部，通过传输光纤传递信号，多个光纤光栅的风压测量装置的传输光纤利用光纤耦合器耦合后从而将多条巷道的光纤光栅的风压测量装置串联，同时测量多条巷道风压，监测不同编号巷道的风压变化，从而可对对应编号巷道中通风机进行调控。

若在风门两端布设光纤光栅的风压测量装置，利用光纤光栅的风压测量装置同时测量风门两端风压，监测风门两端风压变化，从而可对巷道中的调节风窗19进行调控。

一种基于光纤光栅的风压测量装置的工作方法，其步骤为；所述光纤光栅一端放置在被测U型管压差计内液面下,让布置在地面基站的宽带光源通过传输光纤和连接光纤将信号传输至壳体内的光纤光栅实现光源的反射，该反射光源回传到光环形器后，通过传输光纤连接波长测量器的输入端，进行反射光源中的不同波段的波长测量，再通过计算机从而计算得到相应的风压测量结果。

利用公式：P＝ρgH计算所述的光纤光栅的风压测量装置的U型管压差计的压力，式中：P是所测压力，ρ是液体密度，g-重力常数，H-U形管两端液面高差，可由光纤光栅测出，其中高差测量中，在外表面水压力作用下光纤光栅中心柱发生轴向变形,从而引起埋入其中的光纤光栅中心反射波长的移动.测试波长移动大小，从而获得水位高低,即：

h＝f(Δλ_B)

其中ΔλB、h分别表示光纤光栅中心波长的移动值及水位高；

故U型管压差计两端的液位高差利用公式：H＝|h₁-h₂|表示,最后风压则用下式表示：P＝ρg|f(Δλ_B1)-f(Δλ_B2)|。

有益效果，本装置及系统测定精度高、安装方便、方法简便，风压测量装置本质安全、可有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响、无安全隐患存在，通过光纤进行风压信号的传输，信号传输距离远、安全可靠及稳定对巷道风压连续长距离实时测定，使用光纤光栅的气压计以同时测量两个测点的风压，即可采用同步法测量，由于两个测点时同时读取，不需要进行大气压修正。对于井下多巷道、风门两端等地区可同时进行风压监控，且通过通风机、调节风窗等进行风压调节。

附图说明

图1为本发明的光纤光栅风压测量装置结构示意图；

图2为本发明的光纤光栅风压测量装置地面基站示意图；

图3为本发明的光纤光栅风压测量装置布置结构示意图。

图中：1-壳体，2-挂耳，3-通孔螺栓，4-U型管压差计，5-光纤光栅，6-横梁，7-连接梁，8-静压口，9-动压口，10-连接光纤，11-光纤耦合器，12-传输光纤，13-光环形器，14-波长测量器，15-计算机，16-宽带光源，17-通风机，18-基于光纤光栅的风压测量装置，19-调节风窗。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：

如图1所示的基于光纤光栅的风压测量装置，其特征在于：其包括壳体1，所述壳体1顶部郑重设有挂耳2，壳体1内通过设置在两侧的连接梁7悬空设有U型管压差计4，U型管压差计4包括两支平行设置的竖管部分，两支竖管部分底部之间设有连同的横管部分，U型管压差计4中设有水银，U型管压差计4的两个竖管部分的出口分别通过水平设置的管路与壳体1外侧连接，其中左侧的管路为静压口8，右侧的管路为动压口9，U型管压差计4的竖管部分内通过横梁6分别设有两支垂直设置并浸泡在水银中的光纤光栅5，两支光纤光栅5的露在水银液面外侧一端通过两根连接光纤10分别连接到光纤耦合器11，光纤耦合器11通过传输光纤12向壳体1外侧传输信号，传输光纤12穿过壳体1处设有通孔螺栓3，以保证壳体1内部的密封环境。

如图2所示，一种基于光纤光栅的风压测量装置的测量系统，其包括安装井下预设点处的多个光纤光栅风压测量装置18以及设置在地面的地面基站，所述多个光纤光栅风压测量装置18通过传输光纤12与地面基站连接。所述多个光纤光栅风压测量装置18的传输光纤12通过光纤耦合器11耦合后与基站连接。所述的基站包括与传输光纤12连接的光环形器13，传输光纤12通过光环形器13分别与宽带光源16和波长测量14连接，波长测量14通过传输光纤12连接有计算机15。

如图3所示，一种基于光纤光栅的风压测量装置的测量系统的布置方法，具体包括：

在井下沿通风机17走势在工作面掘进巷道端头布设基于光纤光栅的风压测量装置18，对不同巷道中的光纤光栅的风压测量装置18进行编号，光纤光栅的风压测量装置18通过挂耳2悬挂在巷道顶部，通过传输光纤12传递信号，多个光纤光栅的风压测量装置18的传输光纤12利用光纤耦合器11耦合后从而将多条巷道的光纤光栅的风压测量装置18串联，同时测量多条巷道风压，监测不同编号巷道的风压变化，从而可对对应编号巷道中通风机17进行调控。

若在风门两端布设光纤光栅的风压测量装置18，利用光纤光栅的风压测量装置18同时测量风门两端风压，监测风门两端风压变化，从而可对巷道中的调节风窗19进行调控。

一种基于光纤光栅的风压测量装置的工作方法，其步骤为；所述光纤光栅5一端放置在被测U型管压差计4内液面下,让布置在地面基站的宽带光源16通过传输光纤12和连接光纤10将信号传输至壳体1内的光纤光栅5实现光源的反射，该反射光源回传到光环形器13后，通过传输光纤12连接波长测量器14的输入端，进行反射光源中的不同波段的波长测量，再通过计算机15从而计算得到相应的风压测量结果。

具体的，利用公式：P＝ρgH计算所述的光纤光栅的风压测量装置18的U型管压差计4的压力，式中：P是所测压力，ρ是液体密度，g-重力常数，H-U形管两端液面高差，可由光纤光栅4测出，其中高差测量中，在外表面水压力作用下光纤光栅5中心柱发生轴向变形,从而引起埋入其中的光纤光栅5中心反射波长的移动.测试波长移动大小，从而获得水位高低，即：h＝f(Δλ_B)，其中ΔλB、h分别表示光纤光栅中心波长的移动值及水位高；

故U型管压差计4两端的液位高差利用公式：H＝|h₁-h₂|表示,最后风压则用下式表示：P＝ρg|f(Δλ_B1)-f(Δλ_B2)|。

Claims (7)

1.一种基于光纤光栅的风压测量装置，其特征在于：其包括壳体（1），所述壳体（1）顶部设有挂耳（2），壳体（1）内通过设置在两侧的连接梁（7）悬空设有U型管压差计（4），U型管压差计（4）包括两支平行设置的竖管部分，两支竖管部分底部之间设有连同的横管部分，U型管压差计（4）内设有水银，U型管压差计（4）的两个竖管部分的出口分别通过水平设置的管路与壳体（1）外侧连接，其中左侧的管路为静压口（8），右侧的管路为动压口（9），U型管压差计（4）的竖管部分内通过横梁（6）分别设有两支垂直设置并浸泡在水银中的光纤光栅（5），两支光纤光栅（5）露在水银液面外侧的端头通过两根连接光纤（10）连接有光纤耦合器（11），光纤耦合器（11）通过传输光纤（12）向壳体（1）外侧传输信号；

基于光纤光栅的风压测量装置的测量系统，包括安装井下预设点处的多个光纤光栅风压测量装置（18）；

测量系统的布置方法步骤为：

在井下沿通风机（17）走势在工作面掘进巷道端头布设基于光纤光栅的风压测量装置（18），对不同巷道中的光纤光栅的风压测量装置（18）进行编号，光纤光栅的风压测量装置（18）通过挂耳（2）悬挂在巷道顶部，通过传输光纤（12）传递信号，多个光纤光栅的风压测量装置（18）的传输光纤（12）利用光纤耦合器（11）耦合后从而将多条巷道的光纤光栅的风压测量装置（18）串联，同时测量多条巷道风压，监测不同编号巷道的风压变化，从而可对对应编号巷道中通风机（17）进行调控；若在风门两端布设光纤光栅的风压测量装置（18），利用光纤光栅的风压测量装置（18）同时测量风门两端风压，监测风门两端风压变化，从而可对巷道中的调节风窗19进行调控。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的风压测量装置，其特征在于：传输光纤（12）穿过壳体（1）处设有通孔螺栓（3）。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的风压测量装置，其特征在于：基于光纤光栅的风压测量装置的测量系统，包括安装井下预设点处的多个光纤光栅风压测量装置（18）以及设置在地面的地面基站，所述多个光纤光栅风压测量装置（18）通过传输光纤（12）与地面基站连接。

4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的风压测量装置，其特征在于：所述多个光纤光栅风压测量装置（18）的传输光纤（12）通过光纤耦合器（11）耦合后与基站连接。

5.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的风压测量装置，其特征在于：所述基站包括与传输光纤（12）连接的光环形器（13），传输光纤（12）通过光环形器（13）分别与宽带光源（16）和波长测量器（14）连接，波长测量器（14）通过传输光纤（12）连接有计算机（15）。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的风压测量装置，其特征在于基于光纤光栅的风压测量装置的工作方法步骤为；所述光纤光栅（5）一端放置在被测U型管压差计（4）内液面下，让布置在地面基站的宽带光源（16）通过传输光纤（12）和连接光纤（10）将信号传输至壳体（1）内的光纤光栅（5）实现光源的反射，该反射光源回传到光环形器（13）后，通过传输光纤（12）连接波长测量器（14）的输入端，进行反射光源中的不同波段的波长测量，再通过计算机（15）从而计算得到相应的风压测量结果。

7.根据权利要求6所述的基于光纤光栅的风压测量装置，其特征在于利用公式：

计算所述的光纤光栅的风压测量装置（18）的U型管压差计（4）的压力，式中：P是所测压力，ρ是液体密度，g是重力常数，H是U型管两端液面高差，可由光纤光栅测出，其中高差测量中，在外表面水银压力作用下光纤光栅（5）中心柱发生轴向变形，从而引起埋入其中的光纤光栅（5）中心反射波长的移动，测试波长移动大小，从而获得水银液位高低， 即：

其中Δλ_B表示光纤光栅中心波长的移动值，h表示光纤光栅中心波长的水银液位高，f（Δλ_B）是Δλ_B的函数；

故U型管压差计（4）两端的液位高差利用公式：

表示，最后风压则用下式表示：

，其中Δλ_B1 和Δλ_B2表示光纤光栅中心波长的移动值，h₁和h₂分别表示U型管压差计（4）内两端水银液位高。

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