光纤光栅温度监测系统在矿井下的应用

韩超仲 周海燕 种越 谢庆博

摘要：针对一些特殊领域的探测和安全问题，随着未知领域各方面环境越来越复杂多样，对未知领域温度监测要求越来越高。在矿井下的特殊环境下，对井下温度的实时准确监测有着举足轻重的作用。传统的温度监测一般是采用电学温度传感器，无法满足对矿井下温度监测高精度的要求，因此，光纤传感技术无疑有最具前景的应用平台。光纤传感器拥有型变性较好，耐受能力更强等更多诸多优点更适用于矿井下环境，因此，本文设计了光纤光栅温度监测系统，能长期有效实时高精度监测矿井下温度监测。

关键词：温度监测;布拉格光栅（FBG）;安全

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）36-0254-02

1概述

近几年，国民经济持续稳定的快速增长，国家对能源的需求也迅猛增加，虽然近几年新型能源的开发与应用不断增加，但依旧缺少不了以常规能源煤炭作为的燃料，它在能源生产消费中依旧占据半壁江山。虽然国家在前几年取消了私人煤矿的开采权，在很大程度上降低了井下人员伤亡事件的发生，但并未杜绝;据统计，仅2019年上半年，全国煤矿企业就发生煤矿灾害事故67起，共死亡矿井工人108位，其中瓦斯事故占煤矿灾害总事故的20%。瓦斯事故的发生，是由于井下大量机械化设备和传输、通信电缆的敷设，若其产生故障会导致局部受热，温度上升;在对煤矿和含炭质页岩的非煤矿床进行开采时，会从矿层裂缝中喷涌出大量危险的爆炸性气体，这些气体在遇到明火或者达到一定温度下，会产生爆炸，对工人生命造成威胁。并且煤矿在开采时采空区会存在大量遗留的浮煤，会有燃烧的危险，造成事故的发生。矿井温度还与井下工作者的身体状况有着直接的影响，适宜的温度使工人们人体热平衡的稳定，确保工人的劳动生产率，降低工伤事故的发生概率。因此对井下进行温度变化的在线监测是非常有必要的。

2系统原理

光纤光栅在光导纤维传感领域有着举足轻重的地位。高温、光热、应力引起的形变，磁场造成的Faraday effect和有效折射率的变化是光纤光栅的传感机制。当环境温度、磁场场强、溶液浓度改变时，或者光纤光栅本身的应力变化，光纤光栅原本的参数会发生改变，便可通过对光纤光栅的共振波长或对共振波长处的透射功率测量，最终便能得到所需的传感信息。

光纤测温技术能够做到对环境温度和设备的多点在线实时监测，实现测温设备的系统化和一体化，系统通过测量设备上的实时数据和预设值进行比对，来防止因温度过高而引起的事故发生，实现了对井下设备故障的及时检测，保障了工人们的生命安全和企业的生产效率，防患于未然。光纤光栅测温技术的极大优势就是在源头处如何对于矿井设备的工作状态实时监测、数据处理与分析、故障预测与排查等问题进行了解决，为井下工作的顺利进行，提供了强有力的保障。

光纤光栅温度传感器是此系统温度测量的重要部分。依靠光纤内部的温度敏感区，可以准确地监测到该点温度的发生的改变。当光线通过光纤布拉格光栅时，符合条件的光被布拉格光栅反射回接收端，接收端接收反射光进行数据处理，而其余波长的光因为不满足条件，可以几乎无损透过。其传感原理如图1所示。

由coupled-mode theory，可以得知光纤布拉格光栅的中心反射波長：

λB= 2neffA （1）

其中，λeff为导模的有效折射率，Λ为光纤光栅做简谐运动的振动周期。

当光纤光栅只受应力的影响时，其折射率及周期会受其影响，发生改变，引起中心反射波长移动：

式中：△neff为折射率的变化，△Λ为光栅周期的变化

当光纤布拉格光栅不受应力作用时，由温度变化从而引起的中心反射波长AB移动可表示为：

通过式（3）可得，△ΛB和△T呈线性相关，当测量光纤光栅反射波长的移动量△ΛB，便可求出环境温度T，从而实现对温度的测量。

为使最终测量结果精确，可以使用热胀系数较大的基底材料，并将光纤光栅放置到其表面。假设基底材料的热胀系数为asub，并且满足asub》as，则粘贴后光纤光栅的反射波长随温度的变化关系由下式给出： 公式可简化为：

但是在现实中，为了排除冗杂因素的影响，则公式为：

可见光纤光栅的温度灵敏度可提高为裸光纤光栅的倍。

3系统设计

对于井下温度的监测，我们需要考虑到以下几个方面：

（1）煤矿动压影响;

（2）复杂恶劣环境影响;

（3）远距离;

（4）实现关键部位感知;

（5）在线监测;

（6）大容量。

数据采集与传输子系统是将传感系统中采集到的数据向终端传输解析。

针对煤矿环境要求，数据采集需要多路数据多个参量测量，采集分析不同参数类型来分析不同井下环境，从而分析井下演变规律特征。这就要求系统需要同时布设多路多个传感器，光纤光栅传感网络必须采取关键性技术实现多路多参量大容量的智能感知。

光纤光栅传感技术优于传统电测传感技术的一个显著特点就是其具有复用能力，采用FBG复用可以实现大容量、多参量监测，同时也为构建准分布式感知网络成为可能。

FBG传感特征参量均是以波长编码的形式进行编码存储，这就方便实际工作中多个波长信息不同的FBG相互串接，能够共用解调仪宽带光源而避免波长之间的串扰，使FBG传感在波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）方面非常容易实现且具有高的信噪比，这些优点使该技术在FBG传感应用层面上成为最根本、最普遍的复用方法，WDM的基本原理如图2所示。

在整个波分复用系统中，光波分复用器和解复用器是波分复用技术中的关键部件，它的性能优劣对整个系统的传输质量具有决定性影响。光波分复用器的误差主要来源于接人损耗和由两条信号线之间的耦合。波分复用系统的接人要求：及小损耗和小频偏，不同信道间的串扰要小。如果信道间的隔离度大，那么不同频率信号间的影响就小。

4结束语

光纤光栅技术相比于传统传感器更具优势，光纤温度监测系统通过光纤传输数据，快速并且传播距离长，成本也相对较低，更适用于极端环境，比如煤矿井下环境。传感器是不带电的光学无源器件，更容易实现长期有效的温度在线监测。

光纤光栅温度监测系统可以通过软件对数据的存储、查找和对比。当设备温度高于设定值时，终端发出报警，从而能够及时对监测设备进行维护，避免因高温而造成瓦斯爆炸、设备故障等井下事故的发生，对矿井产业具有巨大的经济效益和社会效益。

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【通联编辑：梁书】

收稿日期：2019-10 -14

基金项目：国家大学生创新创业训练计划立项项目（201610595012）;国家大学生创新创业训练计划立项项目（201910595023）

作者简介：韩超仲，男，桂林电子科技大学本科生在读学生。