光纤光栅传感器在井温和顶板压力测定中的性能作用

文/于明东 安里千

光纤光栅传感器在井温和顶板压力测定中的性能作用

文/于明东 安里千

光纤光栅传感器从根本上解决了传统电传感器本身的安全隐患，低成本，结构简单，易于维护，大大降低煤矿企业的安全成本和人力成本。光纤光栅传感器在煤矿中的测温、压力、应力等方面有着广泛的应用前景。

一、光纤光栅传感器的结构原理

光纤光栅传感器的原理，简单讲就是入射光在光纤中传递，如果光纤中没有光栅，那么入射光全部透射过去，没有反射光。当遇到光纤的光栅时，由于光栅能够改变特定波长光的传输方向，使其特定波长的光波发射回去，而其他波长的光不受光栅的影响透射过去，光纤光栅起到了光波选频的作用。根据光纤耦合模理论，当宽带光在布拉格光栅中传播时，会产生模式耦合，满足条件的光会被反射，光纤光栅的反射光的中心波长λB由下式决定：

λB=2nΛ

式中，n为光纤芯模有效折射率，Λ为光栅周期。当光纤光栅传感器的外围物理量如温度、应力、应变等发生改变时，式中的Λ或者n将发生变化，从而导致反射光的波长λB发生改变，若λB的改变量定义为ΔλB，外围物理量引起的反射光波长的变化量如下公式：ΔλB=2Λ×Δn+2n×ΔΛ。

通过测量反射光中心波长的变化量，就可以获得待测物理量的变化量。应力、应变、温度等会引起布拉格光栅反射光中心波长的变化，其根本原因是应力、应变、温度等引起了布拉格光栅周期的变化和弹光效应的改变引起的。

二、分布式光纤光栅传感器系统的性能特征

目前的电传感器都是多点、分布式布置，在多点、分布式布置上光纤光栅传感器具有非常大的优势。分布式光纤光栅传感器主要利用分复用(WMD)、时分复用(TDM)、空分复用(SMD)及它们的组合复用技术。光纤光栅的复用技术使得多个光纤光栅传感器共用一个光源和一个解调系统，它不但可以减少每个传感器上花费的成本，也可以大大减小整个传感系统的体积。

光纤光栅调解器输出一宽带波长光，经光分路器到达光纤光栅传感器阵列；反射光再经分路器送至波长可调谐滤波器。只有当反射光波长与可调谐滤波器的波长相同时，才能通过滤波器被探测器接收。

三、光纤光栅传感器在井下温度测定中的功用

由煤炭自燃而引起的火灾，它经常发生在采空区、停采线、断层、煤柱等丢煤区，以及掘进冒顶处或封闭不严的旧采区内。火灾会产生大量的热和一氧化碳，造成井下生产和人员安全隐患。

由井底车场、机电硐室、运输及回采巷道等机械、电气设备比较集中，而且风流比较畅通的地点引起的火灾，一般发生得比较突然，发展速度也快。一个小火源，稍有疏忽，火势就可能蔓延扩大到很大的范围。如果发现不及时，处理方法不当，或是行动措施不果断，会给矿井带来严重损失以至发生人身伤亡事故。

根据火灾引起的原因，在相应的地点安装光纤光栅温度传感器可以起到预防火灾的作用，把火灾消灭于萌芽状态，把损失降到最低。传统的电子温度传感器，在遍布全矿井测温方面难显优势。光纤光栅温度传感器在矿井测温方面优势明显：

黑龙江省七台河市食品药品监督管理局深化机构改革，落实“四有两责”，不断创新思路、强化措施，努力夯实食品药品安全的根基，深化改革创新监管方式。连续3年被省食品药品监管局和市委市政府评为目标考评优胜单位，2016年在全市“两学一做”创环境大会上做了典型经验介绍，相关经验在省政府大会上交流；黑龙江省新闻联播节目组先后3次对该局 “百名干部走千家企业访实事办实事”活动进行专题报道。

1.光纤光栅温度传感器无源器件，只是使用光信息传递信息，从根本上做到了安全防爆。

2.光纤光栅温度传感器测量精度高：0.1℃～0.5℃；测量范围宽：-100℃～+300℃；采样速度快：100MHz。

3.分布式组网，成百上千个测点，具有无零点漂移、不受电磁干扰、耐腐蚀、抗冲击振动、使用寿命长等优点。

4.光纤光栅温度传感器成本低，结构简单，安装方便，降低了煤矿生产成本。

光纤光栅温度传感器完全满足井下的要求，并优于目前的有源温度传感器，可以对井下电缆、开关柜电气节点、电缆接头、采空区、皮带通廊、井下煤仓、地面煤仓等敏感地点测温，对全矿井易发生火灾的敏感地点实现了在线远程监测。

四、光纤光栅传感器在顶板压力测定中的应用

近年来，因顶板事故引起的死亡人数占矿山总死亡人数的30％以上，而且占有比例有逐年递增的趋势。为此，各煤矿对煤矿顶板浅层和深层的在线监测、对锚杆锚索的压力监测、对液压支架的压力监测变的越来越重要。传统的电传感器易受温度、湿度、电磁场等外围环境的干扰。光纤光栅传感器在煤矿动态压力监测方面有非常大的优势。

光纤光栅悬臂梁位移传感器测量范围可以达到400mm，测量精度可以达到1mm，结构简单、安装方便、成本低廉。不受外围环境的影响，无零点漂移。光纤光栅悬臂梁位移传感器的分布式系统要优于目前所有的电传感的485、CAN等各种数据总线。可以实现对煤矿顶板的浅层和深层离层的在线监测，完全满足煤矿安全生产的需求。

轮辐式光纤光栅压力传感器的测量范围可以达到60MPa，测量精度达到0.1％～0.5％。结构简单，安装方便，完全满足了煤矿锚杆、锚索、液压支架的压力在线监测，替代了电传感器。

五、光纤光栅传感器在实际应用监测中的优点

1.光纤光栅传感器质量轻，体积小，便于分布式布置，一台解调仪能够解调成百上千个点，实现了与目前矿井物联网无缝连接。

2.光纤光栅传感器是无源器件，完全实现了井下安全防爆，即使在生产中发生传感器破碎性损坏，也不会引发瓦斯、粉尘、火灾等事故。

3.可以实现全光测量及远距离测量，测量距离可达几十公里。光线的成本也比电缆的成本低的多，光的传输损耗几乎可以忽略不计，优于目前的电传输。

4.系统的集成度高，可以把几百个甚至上千个传感器进行融合传输，优于目前井下的485、CAN等总线。

5.系统的巡检时间短，故障率低。故障排除简单，便于维护。

6.光纤光栅传感器不受电磁干扰，对环境的干扰不敏感，测量精度高，具有抵抗包括高温在内的恶劣环境及化学侵蚀的能力。

7.光纤光栅传感器的制造成本远低于目前井下的电传感器，降低了煤矿安全生产成本，维护简单，减轻了人力成本。

总结以上几点，光纤光栅传感器已经在各个方面全面超过了传统的电传感器，光纤光栅传感器在煤矿行业将得到广泛的应用，市场前景非常好。

（责任编辑：李元）

作者单位：（中国矿业大学（北京）力建学院）