CN209621401U - 一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统，包括感温光缆、若干分布式测温装置，若干气体检测装置、报警器，环网接入器和控制模块。感温光缆和分布式测温装置的输入端连接，分布式测温装置、气体检测装置和控制模块均连接至工业环网中，控制模块的输出端与报警器连接，分布式测温装置和气体检测装置的数据通过环网接入器进行数据上传；控制模块设置在地面工作站中，负责监测数据显示，记录，存储，分析和报警。可以利用光纤对于煤矿采空区进行温度、气体的实时监测，可以监测采空区从起火到灭火的整个过程，可以检测采空区是否发生气体泄漏，并且对于井下工人进行及时预警，避免由此造成的巨大损失。

Description

一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统

技术领域

本实用新型属于火灾监测技术领域，具体涉及一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统。

背景技术

我国是矿业大国，在矿业发展迅猛的今天，矿山安全问题也日益突出和显露出来，尤其是煤矿火灾频发问题。目前煤矿的火灾预警监测系统主要由传统线型感温探测系统与束管监测系统结合工作，无法对起火位置进行实时定位，且在矿山井下这种复杂多变的环境下，传统感温探测系统无法实时监测煤矿起火情况，束管系统则易发生漏气使得火灾测量结果不准确。

发明内容

针对现有煤矿火灾预警监测系统的缺陷与不足，本实用新型提出了一种实时监测及数据采集处理煤矿火灾预警监测系统，可以进行远程监测并及时报警。

为达到上述目的，本实用新型所述一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统包括感温光缆、若干分布式测温装置，若干气体检测装置、报警器，环网接入器和控制模块，感温光缆和分布式测温装置的输入端连接，分布式测温装置、气体检测装置、控制模块和报警器通过工业环网连接。

进一步的，分布式测温装置用于采集温度信号并将温度信号传递至控制模块，气体检测装置用于采集气体浓度信号，并将气体浓度信号传递至控制模块，控制模块用于根据温度信号判断是否起火以及起火点的位置，根据气体浓度信号判断是否发生气体泄漏。

进一步的，分布式测温装置包括脉冲激光器和多模传感光纤，脉冲激光器和波分复用装置的输入端连接，多模传感光纤和波分复用装置双向连接，波分复用装置的输出端与第一光电探测器和第二光电探测器的输入端连接，第一光电探测器的输出端和第一信号放大装置的输入端连接，第二光电探测器的输出端和第二信号放大装置的输入端连接，脉冲激光器、第一信号放大装置和第二信号放大装置的输出端均和第二数据采集卡的输入端连接，第二数据采集卡的输出端和控制模块的输入端连接；多模传感光纤和感温光缆连接。

进一步的，脉冲激光器用于产生窄脉宽光脉冲信号并传递至多模传感光纤；多模传感光纤用于传导窄脉宽光脉冲信号，使其与感温光缆物质分子产生非弹性碰撞，发生能量交换，产生后向拉曼散射光；波分复用装置用于将多模传感光纤传导的后向拉曼散射光滤出反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光，并将反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光分别耦合至第一光电探测器和第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器分别用于将反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光转换为电信号，并将电信号分别传递至第一放大器和第二放大器；第一放大器和第二放大器均用于将接收到的电信号进行放大，并传递至第一数据采集卡；第一数据采集卡用于将采集到的电信号转换为数字信号。

进一步的，气体检测装置包括驱动模块，驱动模块的输出端和分布式反馈激光器的输入端连接，分布式反馈激光器通过单模光纤和第一耦合连接器的输入端连接，第一耦合连接器的输出端通过光子晶体光纤和第二耦合连接器的输入端连接，第二耦合连接器的输出端和第三光电探测器的输入端连接，第三光电探测器的输出端和第三信号放大装置的输入端连接，第三信号放大装置的输出端与第二数据采集卡的输入端连接，第二数据采集卡的输入端和控制模块的输入端连接；其中，第一耦合连接器和第二耦合连接器设置在气室中。

进一步的，驱动模块用于控制分布式反馈激光器电流与温度；分布式反馈激光器用于发射激光；单模光纤用于传导分布式反馈激光器发射的激光信号；光子晶体光纤用于与待监测气体充分接触，使得激光通过这段光纤就会产生相应气体浓度的衰减，从而测出气体浓度；第一耦合连接器和第二耦合连接器用于连接单模光纤与光子晶体光纤；第三光电探测器用于将激光信号转换为电信号，并将电信号发送至第三信号放大装置；第三信号放大装置用于对接收到的电信号进行放大；第二数据采集卡用于对第三信号放大装置放大后的电信号进行采集。

进一步的，气体检测装置布置在工作面通风巷道内，相邻的每隔50m布置一个。

进一步的，感温光缆设置在工作面通风巷道内，并延伸至开采矿物或岩石的工作地点。

进一步的，工业环网的通信协议采用TCP/IP协议。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益的技术效果，目前的火灾预警监测系统主要是传统线型感温探测系统结合束管监测系统，无法对起火位置进行实时定位，而光纤分布式监测系统可以对地下煤矿内部进行实时监测并对起火位置进行准确定位。该监测预警系统采取现场气体检测装置，避免了传统探测系统的漏气带来的危险，可以有效地指导防治火灾的行动，保证工作人员安全。

本系统利用光纤对于煤矿采空区进行温度、气体的实时监测，可以监测采空区从起火到灭火的整个过程，同时可以检测采空区是否发生气体泄漏，并且对于井下工人进行及时预警，避免由此造成的巨大损失。温度、气体监测系统的结合，还可以在可在回采过程中连续监测，而不需要等整个工作面采完后再对采空区进行监测。

附图说明

图1为光纤温度、多种气体监测系统拓扑结构；

图2为实施例1的光纤分布式测温装置示意图；

图3为气体监测系统示意；

图4为实施例2的光纤分布式测温装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1

光纤灵敏度高、精度高，本质安全，可适用于地下煤矿等恶劣环境的信息传递。光纤传感器工作原理是：光源产生的光线经光导纤维进入光传感元件，在光传感元件中受到周围环境场的影响而发生变化，随后再进入光调制机构，由光调制机构将传感元件所检测得到的参数调制成幅度、偏振等信息，这一过程也称为光电转换过程，最后利用频谱仪进行信号处理。

参照图1，一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统包括感温光缆、若干分布式测温装置，若干气体检测装置、报警器，环网接入器和控制模块。

感温光缆和分布式测温装置的输入端连接，分布式测温装置的输出端和第一环网接入器的输入端连接，第一环网接入器、第二环网接入器和第二环网接入器均连接至工业环网，气体检测装置的输出端和第二环网接入器的输入端连接，第二环网接入器的输出端和控制模块的输入端连接，控制模块为计算机，计算机通过第三环网接入器接入工业环网，报警器接入工业环网中，工业环网的通信协议采用标准的TCP/IP协议，分布式测温装置和气体检测装置的数据通过环网接入器进行数据上传；感温光缆设在巷道内，并延伸到直接开采矿物或岩石的工作地点，随着采掘进度而向前铺设，进行对于采空区的实时温度监测。分布式测温装置、气体检测装置、第一环网接入器、第二环网接入器和报警器均设置在地下矿井中；控制模块设置在地面工作站中，负责监测数据显示，记录，存储，分析和报警。当检测到的温度值或气体浓度值大于其对应的阈值时，控制模块驱动报警器及时发出警报，进行人员疏散并向工作站发出报警信号，及时获得地面救援。计算机中安装有地面监控软件，地面监控软件使用山东省科学院激光研究所研制的煤矿采空区光纤温度、多种气体在线监测系统该系统可以实时监测是否发生火灾与有毒气体泄漏。

(1)分布式测温装置介绍。

参照图2，分布式测温装置包括脉冲激光器Laser、多模传感光纤MMF、波分复用装置WDM、第一光电探测器APD1、第二光电探测器APD2、第一信号放大装置Amplifier1、第二信号放大装置Amplifier2以及第一数据采集卡DAC1。

脉冲激光器Laser和波分复用装置WDM的输入端连接，多模传感光纤MMF和波分复用装置WDM双向连接，波分复用装置WDM的输出端与第一光电探测器APD1和第二光电探测器APD2的输入端连接，第一光电探测器APD1的输出端和第一信号放大装置Amplifier1的输入端连接，第二光电探测器APD2的输出端和第二信号放大装置Amplifier2的输入端连接，脉冲激光器Laser、第一信号放大装置Amplifier1和第二信号放大装置Amplifier2的输出端均和第二数据采集卡DAC2的输入端连接，第二数据采集卡DAC2的输出端和控制模块PC的输入端连接；多模传感光纤MMF和感温光缆连接。

其中，脉冲激光器Laser采用武汉锐科光纤激光技术股份有限公司的RFL-A80D激光器，用于产生窄脉宽光脉冲信号。

多模传感光纤MMF用于传导光脉冲信号，使光脉冲信号与感温光缆物质分子产生非弹性碰撞，发生能量交换，产生后向拉曼散射光；并通过控制多模传感光纤的温度，计算得到感温光缆所处环境的实时温度；多模传感光纤与感温光缆连接的作用是传导感温光缆产生的后向拉曼散射光；多模传感光纤采用长飞公司的GI2012-B多模光纤。

波分复用装置WDM采用科海公司的四通道波分复用器1X4CWDM，用于将多模传感光纤传导的后向拉曼散射光经波分复用装置滤出反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光，并耦合至光电探测器。

第一和第二光电探测器采用Lightsensing公司的光电探测器LSIAPD-50，用于将光信号转换为电信号，并将电信号送至放大器中。

第一和第二信号放大装置均采用Intersil公司的放大器ICL7650，用于信号放大。

第一数据采集卡DAC1和第二数据采集卡DAC2采用Smacq公司的SAS-1000传感器数据采集卡，在本专利中的作用是将采集端采集到的模拟电信号利用高速模数转换电路转换为数字信号。

分布式测温装置原理为：脉冲激光器产生光脉冲信号进入多模传感光纤之后，其后向拉曼散射光(Backward Raman-scattered Light)经波分复用装置产生两种散射光，两种散射光分别并耦合至第一光电探测器和第二光电探测器，由于光信号很弱，采用光电探测器与信号放大装置进行光信号和电信号之间的转换与放大，将转换后的电压经数据采集卡和控制模块后进行数据采集和温度解调，由于反斯托克斯光对温度敏感，系统采用斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光作为信号通道，用反斯托克斯与斯托克斯信号的光强比值来得到温光缆所处环境的实时温度，将实时温度和设定的阈值进行比较，进而判断是否起火。

(2)气体检测装置。

在工作面通风巷道内以50m的间隔距离布置气体检测装置。多个气体检测装置接入到工业环网，并将监测数据上传到地面工作站中的控制模块以及监控中心。

参照图3，体检测装置包括分布式反馈激光器(DFB laser)、驱动模块、第三光电探测器APD、第三信号放大装置Amplifier3和第二数据采集卡DAC2，气室中设置有第一和第二耦合连接器，第一和第二耦合连接器通过光子晶体光纤连接。驱动模块利用正弦波信号与锯齿波信号相叠加来改变激光器电流从而对分布式反馈激光器的发射中心波长进行调制。第二数据采集卡DAC2 和控制模块连接。

驱动模块的输出端和分布式反馈激光器(DFB laser)的输入端连接，分布式反馈激光器(DFB laser)通过单模光纤SMF和第一耦合连接器的输入端连接，第一耦合连接器的输出端通过光子晶体光纤HC-PCF和第二耦合连接器的输入端连接，第二耦合连接器的输出端和第三光电探测器APD3的输入端连接，第三光电探测器APD3的输出端和第三信号放大装置Amplifier3的输入端连接，第三信号放大装置Amplifier3的输出端与第二数据采集卡DAC2的输入端连接，第二数据采集卡DAC2的输入端和控制模块的输入端连接；其中，第一耦合连接器和第二耦合连接器设置在气室中。

其中，分布式反馈激光器DFB laser作为光源发射激光，采用Lasertron公司的DFB激光器型号为QLM715-5350。

驱动模块用于设置分布式反馈激光器电流与温度，采用TL-14PIN-M型激光器驱动模块。

单模光纤SMF用于传导分布式反馈激光器发射的激光信号，采用THORLABS公司的SM300型单模光纤跳线。在本专利中的作用是。

光子晶体光纤HC-PCF用于与待监测气体充分接触，使得光通过这段光纤就会产生相应气体浓度的衰减，从而测出气体浓度。采用HORLABS公司的HC-800B型光子晶体光纤；

气室焊接而成，为气体与光子晶体光纤反应提供场所。

第一和第二耦合连接器用于连接单模光纤与光子晶体光纤，采用Pasternack公司的 PE2217-10型耦合器；

第三光电探测器APD3用于将光信号转换为电信号，并将电信号送至第三信号放大装置，第三光电探测器APD3采用Lightsensing公司的光电探测器LSIAPD-50。

第三信号放大装置Amplifier3采用Intersil公司的放大器ICL7650，用于对接收到的电信号放大，并将放大后的电信号传递至第二数据采集卡DAC2。

第二数据采集卡DAC2用于对第三信号放大装置Amplifier3放大后的电信号进行采集，采用Smacq公司的SAS-1000传感器数据采集卡。

光纤气体监测装置的工作原理为：分布式反馈激光器DFB laser发射的激光首先进入气室中的第一单模光纤SMF，之后通过第一耦合连接器进入光子晶体光纤HC-PCF，从HC-PCF输出的光通过同样的第二耦合连接器进入到另第二单模光纤。激光被扩散至HC-PCF中的气体分子(例如甲烷分子)吸收，然后通过第三光电探测器APD3检测，再使用第三信号放大装置 Amplifier3输出放大后的电信号，使用第二数据采集卡DAC2对电信号进行收集，然后将收集的电信号传递至控制模块，由控制模块进行处理，从而实时判断是否发生有毒及易燃易爆气体泄漏的煤矿事故。

实施例2

参照图4，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实用新型还包括光时域反射计，光时域反射计的输入端和感温光缆连接，输出端与控制模块连接。光时域反射计用于确定温度超过阈值的区域位置。光时域反射计采用安立公司(Anritsu)生产的型号为MT9082的光时域反射计。

Claims (8)

1.一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统，其特征在于，包括感温光缆、分布式测温装置、若干气体检测装置、报警器，环网接入器和控制模块，感温光缆和分布式测温装置的输入端连接，分布式测温装置、气体检测装置、控制模块和报警器通过环网接入器接入工业环网；

其中，所述分布式测温装置用于采集温度信号并将温度信号传递至控制模块；所述气体检测装置用于采集气体浓度信号，并将气体浓度信号传递至控制模块；所述控制模块用于根据采集到的温度信号得到温度值，并将温度值和温度阈值进行比较，若温度大于温度阈值则控制报警器报警；所述控制模块还用于根据气体浓度信号得到气体浓度值，并对气体浓度值和气体浓度阈值进行比较，若气体浓度大于浓度阈值则控制报警器报警。

2.根据权利要求1所述的一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统，其特征在于，所述分布式测温装置包括脉冲激光器和多模传感光纤，所述脉冲激光器和波分复用装置的输入端连接，所述多模传感光纤和波分复用装置双向连接，所述波分复用装置的输出端与第一光电探测器和第二光电探测器的输入端连接，所述第一光电探测器的输出端和第一信号放大装置的输入端连接，所述第二光电探测器的输出端和第二信号放大装置的输入端连接，所述脉冲激光器、第一信号放大装置和第二信号放大装置的输出端均和第二数据采集卡的输入端连接，所述第二数据采集卡的输出端和控制模块的输入端连接；所述多模传感光纤和感温光缆连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统，其特征在于，所述脉冲激光器用于产生窄脉宽光脉冲信号并传递至多模传感光纤；

所述多模传感光纤用于传导窄脉宽光脉冲信号，使窄脉宽光脉冲信号与感温光缆物质分子产生非弹性碰撞，发生能量交换，产生后向拉曼散射光；

所述波分复用装置用于将多模传感光纤传导的后向拉曼散射光滤出反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光，并将反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光分别耦合至第一光电探测器和第二光电探测器；

所述第一光电探测器和第二光电探测器分别用于将反斯托克斯拉曼散射光和斯托克斯拉曼散射光转换为电信号，并将电信号分别传递至第一放大器和第二放大器；

所述第一放大器和第二放大器均用于将接收到的电信号进行放大，并传递至第一数据采集卡；

所述第一数据采集卡用于将采集到的电信号转换为数字信号。

4.根据权利要求2所述的一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统，其特征在于，还包括光时域反射计，光时域反射计的输入端和感温光缆连接，光时域反射计输的出端和控制模块连接，光时域反射计用于对温度值高于温度阈值的测温点进行定位。

5.根据权利要求1所述的一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统，其特征在于，所述气体检测装置包括驱动模块，所述驱动模块的输出端和分布式反馈激光器的输入端连接，所述分布式反馈激光器通过单模光纤和第一耦合连接器的输入端连接，所述第一耦合连接器的输出端通过光子晶体光纤和第二耦合连接器的输入端连接，所述第二耦合连接器的输出端和第三光电探测器的输入端连接，所述第三光电探测器的输出端和第三信号放大装置的输入端连接，所述第三信号放大装置的输出端与第二数据采集卡的输入端连接，所述第二数据采集卡的输入端和控制模块的输入端连接；其中，所述第一耦合连接器和所述第二耦合连接器设置在气室中。

6.根据权利要求5所述的一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统，其特征在于，所述驱动模块用于控制分布式反馈激光器电流与温度；

所述分布式反馈激光器用于发射激光；

所述单模光纤用于传导分布式反馈激光器发射的激光信号；

所述光子晶体光纤用于与待监测气体充分接触，使得激光通过这段光纤就会产生相应气体浓度的衰减，从而测出气体浓度；

所述第一耦合连接器和第二耦合连接器用于连接单模光纤与光子晶体光纤；

所述第三光电探测器用于将激光信号转换为电信号，并将电信号发送至第三信号放大装置；

所述第三信号放大装置用于对接收到的电信号进行放大；

所述第二数据采集卡用于对第三信号放大装置放大后的电信号进行采集。

7.根据权利要求1所述的一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统，其特征在于，所述气体检测装置布置在工作面通风巷道内，相邻的每隔50m布置一个。

8.根据权利要求1所述的一种基于温度场分布式光纤监测的预警系统，其特征在于，所述感温光缆设置在工作面通风巷道内，并延伸至开采矿物或岩石的工作地点。