矿用光纤光栅温度传感系统研究

摘 要：温度是影响采矿安全的一个重要因素，矿井中的瓦斯如遇明火易发生爆炸，直接关系着井下煤矿工人的生命健康安全，故对于矿井中环境温度的监测是十分必要的。常用测温仪器主要分为红外测温仪器、电子测温仪器以及新兴的光纤测温仪器。在矿井中，因开采的需要，设备种类复杂多样，各种电磁信号会产生很强的电磁干扰；井下通风有限，水汽湿重，一些金属仪器很容易被生锈腐蚀。而光纤测温仪器有优良的抗干扰、耐腐蚀、反应灵敏等特性，在矿井之中有很好的应用前景。

关键词：光纤光栅；煤矿安全；温度监测；光纤传感器

中图分类号：TN253 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）13-0171-05

Research on Mining FBG Temperature Sensing System

MA Zhongtian， REN Dong

（School of Electronics and Information Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin 150022， China）

Abstract： Temperature is an important factor affecting the mining safety. The gas in the mine is prone to explosion if there is an open fire， which is directly related to the life， health and safety of the underground coal miners. Therefore， it is necessary to monitor the environmental temperature in the mines. The commonly used temperature thermometers are mainly divided into infrared thermometer， electronic thermometer and the newly optical fiber thermometer. In the mine， due to the need of mining， the equipment type is complex and diverse， and various electromagnetic signals will produce strong electromagnetic interference. The underground ventilation is limited， water vapor is very wet， and some metal instruments are easy to be rusty and corroded. The optical fiber thermometer has excellent anti-interference， corrosion resistance， sensitive response and other characteristics， which has a good application prospect in the mine.

Keywords： FBG; mining safety; temperature monitoring; optical fiber sensor

0 引 言

光纤最早由华人科学家高锟先生发明，高锟先生在1966年发表了一篇题名为《光频率介质纤维表面波导》[1]的文章，文章中创新性地提出了光纤传输理论，论证了其可行性，并对光纤的制造做出了设计。由于高锟先生对于光纤通信领域做出了杰出的贡献，2009年被授予了诺贝尔物理学奖。光纤光栅最早是被用来研究光波导材料的光敏特性的，加拿大科学家Hill等在研究掺锗光纤光敏性的实验[2]中，创新性地设计了一种光纤光栅的模块。光在通过光纤光栅后，其频率成分会发生变化，用成分变化来反应材料的光敏特性。而这种可以灵敏地反映外界因素变化的特性在工程领域很有应用价值。

1 国内外研究现状

光纤光栅技术经过40多年的发展，已取得了许多重大成就，从理论研究到初步应用探索，再到广泛实际应用，光纤传感器的优势逐渐突显出来，近些年来的一些科学研究也都相关于一些较为深入的实际应用。2014年，Duraibabu团队将光纤光栅传感器安装于水下机器装备中，用来检测海洋中海水的压力和温度，实现对海洋环境状况的实时监测[3]。Chen等将光纤光栅温度传感器和压力传感器安装在铁路干线上集电弓上，收集集电弓的受力状况，以及表层温度，并探究了这些参数和流过集电弓电流之间的关系[4]。Massari等人利用光纤光栅器件设计出了一款可以灵敏地感知拉伸和温度的变化触觉感知机械手，用于辅助机器进行学习，成品机械手可以实现将物品抓取，并判断物品的尺寸大小、材质等特性[5]。Presti等人用光纤光栅发明了一种柔性可穿戴设备心率监测仪，通过绑扎的方式穿戴于人的胸前监测人的呼吸和心跳，该发明突破了传统电子设备限制，具有很强的抗干扰能力，测量十分精准，很有临床应用前景[6]。MADAN等人通过改变光纤光栅包层的涂覆材料设计出了一款可用于碳钢管的高温测温装置，他们分别尝试了化学耐高温材料和黄金两种材料，均取得了较好应用效果，最高测温可测500 ℃，灵敏度达28 pm/℃ [7-8]。

我们国家近年来在光纤光栅应用领域势头十足，取得了丰硕的成果。北京交通大学的Liu等人使用光纤光栅温度传感器对高温超导材料进行了测温研究，在77～293 K的温度范围内，分别对裸光纤和使用金或银作涂覆材料的光纤的温度特性进行了比较分析[9]。彭军等人使用光纤光栅温度传感器来测量电池分立部件在使用时的温度，根据这些温度数据来监测电池的安全状态[10]。李五一等人设计了一种应变解耦增敏式FBG温度传感器，实现了对飞机载荷谱飞行实测中温度参数的精确测量[11]。武汉理工大学的王宇琦等人设计出了一种基于拉斯塔光纤光栅的准分布温盐传感器，该传感器以一种精巧的结构实现了温度和盐度的同时并实时的测量，并大幅度减小了两种信号的相互干扰[12]。韩国庆将光纤光栅温度传感技术应用于大型数据中心温控监测中，大大提升了温度监测的效率[13]。朱绪保等人研究并设计了一种新型的光纤光栅温度传感器来实现对煤矿中岩土温度的监测[14]。夏翔等人提出了一种基于广义回归神经网络和改进粒子群优化算法的光纤光栅传感器波长峰值检测方法，将神经网络技术应用到了光纤光栅解调技术中[15]。光纤光栅器件目前正处于应用的热潮中，各种新式发明将不断涌现。

2 光纤光栅测温原理

2.1 光纤原理

1）折射定律。如图1所示，光线穿过一种介质n1进入到另一种介质n2中时，在两介质的交界面处产生折射现象。若入射角为θin，折射角为θout，则四者之间的关系满足斯涅尔定律：

式中介质n1与n2均为常数，设一常数C = n2 / n1，故有：

当C＜1时，即光线从光密介质进入光疏介质中时，θin有最大值，最大值θc = arc sin C。

2）全反射现象。当光线从光密介质射向光疏介质时，随着入射角的增大，折射角也在增大，至90°时，若继续增加入射角，光线将不再发生折射，而全部反射回原介质中。该现象称为全反射，入射角的最大值θc称为临界角。

3）光纤传输。光线以一定角度输入纤芯，传至纤芯和包层的交界面上时，若光线的入射角大于临界角θc，发生全反射，在一次又一次的全反射中，信号实现了在光纤中的传输，例如图2中光线③所示。

2.2 光纤光栅原理

在一条标准的光纤中，纤芯为分布均匀石英材料，其折射率处处相等，是一个固定的常数。但是通过一些物理的手段（如紫外线照射等），可以改变石英材料的折射率。利用这些方法，在一条标准的光纤上等距地刻上几个不同于整体折射率的细长条，形成的栅状结构便是光栅，相邻的细长条间的距离是光栅的周期Λ。光线在传输过程中，光栅会将一定频率成分的光线滤除反射回去，而温度会影响到具体滤除的光线的频率成分。

1）光栅回波定理。如图3所示，光线在穿过周期为Λ的光栅时，其部分频率成分在经过该结构后被反射回去，反射回去的光线称为回波，剩余频率成分光线穿过光栅后继续向前传播。回波波长λB满足光栅回波定理：

λB = 2neff Λ （3）

neff为光纤纤芯有效折射率。Λ为光栅的周期。

2）光纤光栅测温原理。当外界温度发生变化时，回波的波长会发生偏移。影响该过程的因素主要有两个，分别为光纤的热光系数ξ和热膨胀系数α，在温度变化过程中，波长偏移量ΔλB满足：

ΔλB = λB （ξ + α）ΔT （4）

3 煤矿温度传感器特性指标

3.1 煤的自燃

在煤矿开采作业过程中，煤的自燃是一个重大的安全隐患，直接关系着采矿工人的生命健康安全。因此对于煤自燃机理的研究以及基于自燃机理而研究的发火监测系统的研究工作是十分必要的。笼统上划分，煤的自燃过程主要分为三个阶段：潜伏期、自热期和燃烧期。

潜伏期里煤的氧化十分缓慢，热量变化不明显，不适合温度监测的建设。煤经过准备期的热量积聚以及其他燃烧所需条件准备，一旦自身温度超过自热的临界温度，煤温将急剧上升直至达到着火点进入到燃烧阶段。煤的临界温度一般在60～80 ℃的范围内，是煤自燃的一个关键温度，控制好该温度可以大大降低于煤的自燃起火风险。煤在达到着火点后发火，开始燃烧进入燃烧期。

一个煤自燃监测预警系统建应构建在临界温度附近，即保证煤温在60～80 ℃的范围内可以实现精准监测。达到临界温度，迅速预警，对于温度方面可以采取相关降温措施，温度下至临界温度以下，起火便基本被控制了。相较之下自热期的监测控制更加高效，只需在60～80 ℃的范围内降低温度，而且也易于实现；一旦进入燃烧期，一般煤炭的着火点都高于300 ℃，不仅火势难以控制极大威胁到工人的生命安全，而且后期灭火成本的投入，煤的损失都要远高于自热期的控制。

因此如果要使用光纤光栅传感器进行自燃监测预警，60～80 ℃必须在其量程范围之内，而且要达到精准监测的要求。

3.2 矿区作业温度监测要求

根据我国现行煤炭行业技术标准，矿区的工作温度在-5～40 ℃之间，所用温度传感器测量范围为-20～60 ℃，显示和输出的误差要控制在±2.5%以内。温度传感器在水中响应时间要小于10 s。在朱绪保等人研究的矿用材料模型光纤光栅温度传感器中[14]，其升/降温响应时间达到1.7 s/℃左右，测量范围为15～50 ℃，灵敏度达6.996 pm/℃。

4 光纤光栅温度传感器系统

4.1 光纤光栅传感器系统

光纤光栅传感器系统可分为三个部分：光纤光栅传感器、传输光纤、光栅解调器，如图4所示。光纤光栅传感器可以感知到外界环境的微弱变化并产生灵敏的响应，具体表现为光信号频率成分的改变。传输光纤为光信号的传递提供媒介，可以将不同的光纤光栅传感器产生的光信号汇集整合，传输至所需的终端上。光纤光栅解调器可以对收到的光信号进行读取，将传输过来的信号进行频谱分析，显示为数字的信号。完整流程就是变化的光信号首先光纤光栅传感器感知外界因素的变化产生变化的光信号，该光信号通过传输光纤进行传输，最后在终端使用光栅解调器将信号转换为可读的信息供分析使用。

4.2 光纤光栅温度传感器实验

1）实验目的。一个温度传感的设计通常需要变化的物理量与温度呈较好的线性关系，只有这样才能保证温度测量的准确性，根据理论分析中式（4）所得，光纤光栅波长偏移量与温度呈线性的关系，为了验证这种线性关系和探究光纤光栅测温系统的可行性，设计并进行了如下的测温实验。

2）实验器材。光纤光栅传感器、可控温水浴锅、光纤光栅解调器（以及数据处理软件MATLAB）。

3）参数说明及理论计算。图5示为实验使用的光纤光栅，其中心波长为λB = 1 549.99 nm，它的材质为通用的石英光纤SMF-28，查阅其相关数据[16]计算后得到式（4）中热光系数为ξ = 6.25×10-6 ℃-1，热膨胀系数为α = 0.5×10-6 ℃-1。

对理论分析中式（4）做如下变换：

带入数据得理论值：

4）实验流程。如图6可调节温度的水浴锅，光纤光栅温度传感器置于锅中，用光纤耦合器将光纤光栅温度传感器接入光纤光栅解调器上形成闭合光路，光纤光栅解调器的数据接口接入终端。整个实验完整装置如图7所示。

先在水浴锅中加入常温冷水，设定初始温度为24 ℃，接通电源，待水浴锅温度稳定后，使用光纤光栅解调器采集反射回的信号解调最后将数据发送至终端，在终端开始采集数据，保存记录24 ℃的实验数据。采集完毕后重新设定水浴锅温度，将温度提升0.5 ℃即至24.5 ℃，同样，待水浴锅温度稳定后，采集记录该温度下的实验数据。重复以上步骤，温度每次提升0.5 ℃。

5）实验结果。实验通过这种水浴的方式模拟特定的温度状况，收集了在24～90 ℃温度范围内，间隔为0.5 ℃下的光纤光栅实际波长偏移量的实验数据，将数据整合后，使用MATLAB软件将数据进行拟合，拟合后得到了如图8所示的结果。实验结果显示，在24～90 ℃范围内，波长偏移量与温度呈较好的线性关系，实验得出的曲线斜率为0.010 7与理论值0.010 5误差很小，其可行性得以验证。对于煤的自燃监测预警，该温度传感器完全适用，符合煤矿的监测需求。对于作业区，还可以实现25～40 ℃温度范围的温度监测，而且其灵敏度为10.7 pm/℃，该灵敏度也符合矿用温度监测。

5 结 论

光纤光栅传感器件，以其抗干扰能力强、精度高、反应灵敏的特性，在矿井之中很有应用前景，在传感器设计方面，基于光栅光纤原理可以设计各种传感器，来满足矿井中的需求，本文列举了其作为温度传感器的应用场景。利用波长偏移量与光纤拉伸变化的关系，还可制成各类的力学传感器等。在实验过程中发现，光纤光栅解调器发热的现象影响解调结果的准确性。实际上只要所使用的装置需要电源供给，发热问题是无法避免的。尤其在面向矿井的大规模光纤光栅系统设计中，解调系统的散热问题直接关系到数据的准确性，一个解调系统的供电稳定和高效散热是十分重要的，值得进一步研究。

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作者简介：马仲甜（1986—），女，汉族，黑龙江哈尔滨人，讲师，博士，研究方向：空间光通信稳定跟踪技术；任栋（2001—），男，汉族，山西朔州人，本科，研究方向：电子通信技术。