光纖傳感技術在礦井安全監測中的應用
光纖傳感技術在礦井安全監測中的應用
李 輝1,2,郝建軍2,何秋生2
(1.北京人民警察學院公安科技教研部,北京102202;2.中國礦業大學(北京)信息工程研究所,北京100083)摘 要:簡要介紹了光纖傳感技術在礦井安全監控方麵的應用優點,並對氣體傳感器、粉塵傳感器和應力(應變)傳感器的原理和關鍵技術進行了03manbetx
,同時對OTDR以及Bragg光柵等新技術進行了理論03manbetx
和應用研究,並在此基礎上提出了光纖傳感技術進一步應用需解決的幾個關鍵問題。
關鍵詞:光纖傳感器;礦井安全監控;布拉格光柵;應力傳感器
中圖分類號:TD76 文獻標識碼:B 文章編號:1003-496X(2006)04-0037-04
基金項目:國家自然科學基金資助項目(10474137)
0 引 言
安全問題對於煤炭行業來說顯得尤為重要,瓦斯爆炸、冒頂、透水、火災和衝擊地壓是煤礦的主要災害,直接威脅著煤礦的生產和工人的生命。因此對礦井中涉及安全的各項指標進行監測是煤礦安全生產的一個重要環節,它能有效地減少災害的發生和保證煤礦的正常生產秩序。光纖檢測技術是利用外界因素使光在光纖中傳播時光強、相位、偏振態以及波長(或頻率)等特征參量發生變化,從而對外界因素進行檢測和信號傳輸的技術。光纖傳感技術的研究始於20世紀70年代末,它是隋光纖通訊技術的發展而出現的一種新興的光學技術,與傳統傳感器相比有著體積小、靈敏度高、頻帶寬、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁幹擾、可遠距離傳輸等優點,在易燃、易爆環境下工作安全可靠。正是如此,光纖檢測技術在航天和核工業領域以及安全監測方麵有著極好的應用前景〔1〕。目前,用於檢測煤礦井下有害氣體如瓦斯〔2-3〕、一氧化碳等的光纖氣體傳感器已經有了實際應用,對於檢測煤塵濃度〔4〕、巷道麵應力應變及煤倉倉位、通風巷風速等方麵的光纖傳感檢測技術,也都有了相關的產品,並且越來越多地引起人們的興趣。
1 氣體傳感器
瓦斯(CH4)是煤礦安全生產的主要威脅,井下瓦斯的濃度在4.9%~15%時,容易發生爆炸。所
以,實時而精確地監測爆炸氣體的濃度,對於安全生產和保障生命財產的安全來說,顯得尤為重要。在礦井有害氣體檢測上,它相對於普通傳感器來說有諸多優點,輕便、靈巧、不會產生電火花、不會出現中毒現象,具有相當高的靈敏度和快速的響應能力。
在氣體傳感器中使用最多、效果最好的是光譜吸收型氣體傳感器,許多種氣體在紅外波段(4~10μm)都有本征吸收,這個波段遠遠超出了石英光纖的透射窗口(0.8~1.7μm),所以光譜型氣體傳感器一般都是利用氣體在近紅外和可見波段的較弱的泛頻吸收,在這一波段發光器件和接收器件都是比較理想的光電轉換器件,因此用這種方法可以對大多數氣體濃度進行較高精度的測量。光通過被測氣體以後由於氣體的吸收會使光的強度發生衰減,輸出光強可用Beer-Lambert定律給出:
I=I0e-αLC(1)
式中,I0為入射光強,α為吸收係數,C為氣體濃度,L為光通過氣體的長度。由此我們可以通過
測量光強度的損耗計算氣體的濃度。
典型的光譜吸收型氣體傳感器由光源、氣室、光路和信號處理4個環節組成,它的探頭部分是一個氣室,氣室有一個進風口和一個出風口,保持空氣采樣的實時性。光從氣室的一端射入,另一端射出,為了增加光通過氣體的有效光程,可采用反射式的方式或用懷特腔的方式,但懷特腔的腔壁造成的反射損失會抵消它的好處,因而並沒有多大實際意義〔5〕。圖1為一個反射型的檢測氣體濃度的氣體傳感器氣室結構圖。
圖1 采用反射式氣室的示意圖
2 粉塵傳感器
同瓦斯一樣,煤塵也是礦井的隱患之一,所以對煤塵濃度的檢測也是煤礦安全生產的重要環節。粉塵傳感器一般也采用氣室作為探頭,光從懸浮著煤塵顆粒的空氣中通過時,由於煤塵顆粒的吸收和散射效應,光強會有相應的吸收和散射兩部分衰耗,如下式:
I=I0exp{(α1+α2)L} (2)
式中,α1為吸收係數,α2為散射係數。根據光強的衰減量可以計算出煤塵的濃度。
光學測量法較傳統的稱重測量法有很多優點,能連續進行實時測量,並具有較高的精度。但光學測量法存在塵染的問題,附著在反射鏡的鏡麵上的粉塵會影響傳感器的測量精度,為了克服這一缺陷,設計采用雙光路差分補償式的方式,其原理與雙波長氣體傳感器相同。
光束在通過含塵空氣時會產生吸收和散射,從而引起光強在其傳播方向上的衰減,且符合指數規律,當光束傳播距離較短時,光強減弱對於粉塵濃度的變化是不敏感的,所以利用光吸收原理直接測量浮遊粉塵濃度是不可行的。
采用米氏散射理論〔4〕,利用測定散射光的強度測量粉塵的濃度是一種好方法。圖2是雙光路粉塵濃度傳感器的采集腔光路示意圖。
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1-光發射器;2 -監測接收器;3—補償接收器
圖2 傳感器采樣腔光路係統
煤礦粉塵是含有多個粒子的獨立散射粒子係,獨立散射粒子係具有可加性,由此可計算出某處的散射光強采用光電轉換器將接收到的光強信號I轉換成相應的電信號,經過一係列信號處理,最後以模擬或數字的方式顯示出粉塵質量濃度。
3 應變(位移)傳感器
應變(位移)傳感器主要用於礦井井壁和巷道變形的監測,其工作原理是基於應變效應和光彈性效應引起的相位變化。與其它傳感器不同,光纖傳感器可以進行連續測量,根據光應變效應原理,可計算相位延遲,根據相位的延遲可以算出光纖長度的變化量,進而可得到應變量。但在很多情況下這種方法無法進行精確的測量,因為無法確定光纖的應力作用長度,所以有時不得不借助於其它技術。下麵介紹幾種有代表性的新技術,這幾種技術既可以作為輔助測量方法,也可以進行獨立測量。
3.1 布拉格(Bragg)光柵技術
用以上方法隻能用於巷道或硐室的狀態監測,由於應力作用長度不容易確定,要進行定位或精確測量需要借助其它技術來實現。近幾年出現的布拉格光柵技術克服了這一缺陷。
1978年,加拿大的Hill等人發現光致光柵效應,其後又製成世界上第一根Bragg光柵〔6〕。光纖光柵采用波長調製,具有頻帶寬、波長編碼、重複性好等優點。光纖光柵技術在最近幾年得到了長足的發展,並應用到了很多場合。根據光纖耦合模理論,當寬帶光在光纖布拉格光柵中傳輸時,產生模式耦合,滿足布拉格條件的波長光被反射,由於應力的影響導致光彈效應和光纖柵格周期的變化,光纖Bragg光柵在外界應力場和溫度梯度場的作用下,反射光(或透射光)的中心波長將發生位移,波長位移量可以表示為〔7-8〕:
式中,ε為軸向應變;σ為泊鬆比;P為光纖光靈敏度係數,對於石英光纖P取0.22,則△λB與
ε成線性關係。
光纖Bragg光柵具有很高的靈敏度在波長為30 nm時可達0.64 pm/με,波長為1 310 nm時大約為1 pm/με,在波長1 550 nm時為1.2 pm/με〔9〕。
除了具有普通光纖傳感器的許多優點外,Bragg光柵型光柵傳感器還有一些明顯優於其他光纖傳感器,它的傳感信號為波長調製,因而測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響;避免了一般幹涉型傳感器中相位測量的不清晰和對固有參考點的需要;能方便地使用波分複用技術在一根光纖中串接多個傳感器,實現真正意義上的多點線式分布測量〔10〕。因此,一旦光柵甚至光路中出現非連續剪切變形或剪斷,時域反射計就可接收到回波,測量網絡仍能全部或部分正常工作,並且通過時域03manbetx
和光強03manbetx
可以確定被測物體內產生不連續剪切變形的位置和大小,這在諸如滑坡監測和地下工程圍岩深部位移觀測中具有非常重要的意義。
3.2 OTDR(光時域反射)技術
OTDR(Optical Time Domain Reflecting)檢測原理類似於雷達技術。光源發出的脈衝光進入被測光纖中,光纖產生的瑞利後向反射光經耦合器、光放大探測器,進入OTDR信號處理係統,最後給出光纖沿線損耗大小和位置。OTDR技術最早用於通信光纜的故障定位,取得了很好的效果。該方法最大測量長度可達
vg為光波的群速度。反過來,可根據光信號結果來判斷光纖埋設處的材料受力、損傷狀況,這是一種良好的分布式測試方法。這種方法的空間分辨率和靈敏度完全取決於OTDR技術。當前在定位上可達厘米級,但在相鄰事件(接續、損傷)的區分,應力、應變的分辨率上還是存在很大的局限性。這種檢測技術有2種改進途徑:(1)對OTDR儀器本身的信號處理係統加以改進。
(2)將被測光纖做成特種結構,如利用光纖的微彎效應等,從而增大應力、應變測試的靈敏度。
3.3 岩土工程應用
光纖應力應變傳感器現已應用於對橋梁、大壩和隧道等民用工程的狀態監測中。在地下工程和采礦工程中,由於開挖和爆破造成圍岩變形、破裂擴展甚至失穩破壞,因此,對圍岩的狀態和位移觀測特別重要。德國的GFZ Potsdam公司開發了一種測量圍岩變形的光纖光柵傳感器———FBX測量錨杆,這種新型的傳感器是在一根玻璃纖維增強聚合物岩石測量錨杆杆體中埋入光纖光柵,然後將測量錨杆埋設在圍岩體中,用於監測隧道、硐室、或者深埋地基等工程中的岩體變形和結構變化〔12〕。這種傳感器很有希望用於監測複雜的地層和岩層的變化狀況,如惡劣環境條件下的位移、應變、應力、壓力和溫度。新的光纖光柵傳感器也能用作地震接收器,測量岩體中的振動,或測量采煤工作麵爆破造成的衝擊地壓。
在煤礦巷道錨杆支護中,由於岩體本身具有的應力鬆弛特性和圍岩整體位移逐步向深處發展兩方麵原因,錨杆的錨固力在達到峰值以後將隨時間推移逐步降低,當錨固力降低到一定水平以下時,必須對圍岩進行補強加固。因此,必須對錨杆應力做長期監測。目前,煤礦巷道之所以經常需要翻修,其原因就在於沒有進行長期監測,及時反饋信息,及時對巷道做補強處理,以致於等到巷道失穩破壞後不得不進行徹底翻修。由於機電式傳感器測量的各種弊端,使得光纖測量成為一種很有前途的長期監測方法,其服務年限可達
4 幾個關鍵問題
半導體激光器和光纖傳感複用技術的出現大大降低了傳感係統的成本,由於大量減少了光纖的數量,簡化了係統光源及信號檢測係統,提高了可靠性。盡管如此,目前實用化的光纖傳感器僅僅是光譜吸收型氣體傳感器,而其它類型的光纖傳感器的主要問題是成本高,所以應用較少,這一問題大大地製約著它們的發展。一些成熟而又先進的技術如光纖光柵和OTDR技術等,由於成本問題無法得到推廣,所以如何能降低成本,將是光纖傳感器技術在應用領域發展的重要課題。
對於光譜吸收型的光纖傳感器,如果能實現在氣體本征吸收波段內工作,將會大大提高傳感器的靈敏度。目前的最實用的石英光纖的傳輸波段在0.8~1.7μm,尚不能滿足低損耗傳輸中紅外波段的光。如果能開發一種廉價的中紅外光纖,配合同波段的發光管和光電轉換器件,可以將靈敏度提高幾個量級。
光纖傳感器可用於礦井巷道或硐室的應變監測,但在某些巷道中也會遇到無法鋪設的問題。如采用錨噴支護的巷道麵,光纖可直接埋設在混凝土裏麵,而采用簡單支護、液壓支護的巷道麵是無法鋪設光纜的。因此隻能采用單點監測而無法采用連續監測。
5 結論與展望
由於光纖傳感器本質安全防爆,因此在礦井安全監測中相對於電類傳感器具有無可比擬的優勢。盡管目前有些光元器件的成本較高,但隨著技術的發展,光元器件的成本會大大地降低,可以預見在不久的將來,它必將會在安全要求比較高的領域取代傳統的電類傳感器。
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作者簡介:李 輝(1970-),女,河南鎮平人,碩士,現為北京人民警察學院講師,中國礦業大學(北京)在讀博士,從事安全監控及網絡安全方麵的研究。
