光纤传感技术在煤矿机电设备安全状态监测系统中的应用

＊高启丽

（华阳集团寿阳开元矿业有限责任公司 山西 045000）

引言

基于光纤光栅传感技术，在煤矿机械设备安全情况检测系统中的潜在运用开展了讨论，多个根据光纤光栅测量点的感应串连成一个感测网络，并对机械设备构造开展准分布式检验，有效检测机械设备应力应变转变状况，为及时点评煤矿机电工程安全情况与运作情况提供依据，保证煤矿设备的安全运作。

1.光纤感应器

光纤不仅拥有传送光波内的信息的作用，另外，光纤內部的光波的特征参数（比如震幅、相位差、频率等）能够搜集到外部的干扰信息（比如温度、压力、磁场等），这种干扰信息很有可能会造成一些变化。随后利用光纤內部光波的各种特征参数的转变，来检验外部的环境变化。

(1)单点式光纤光栅感应器

单点式光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，根据紫外线曝光的方式将入射相关场样图载入纤芯，在纤芯内造成沿纤芯径向的折光率规律性转变的相位差光栅，当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或别的变量产生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将产生变化，进而使反射光的波长产生变化，波长与特测应变或温度为一一对应关系。根据测量结构物形变前后反射光的波长的转变。就可以得到相匹配应变或温度的转变。光纤光栅类感应器包括两个光纤光栅，并对称置放或在其中一个悬空置放以完成温度补偿。

(2)分布式光纤感应器

分布式系统光纤感应器基干布里渊散射工作原理。解调设备在光纤两边引入泵浦光和持续检测光。当两束光频率差相当于光纤某点的布里渊频移时，弱的持续光信号将被强的单脉冲液压柱塞泵光放大。使解调信号扩大，解调敏感度提高。当光纤某点产生应变或温度转变时，布里渊频移会产生相对应转变，频移转变与应变或温度转变为一一对应关系。

2.光纤传感器技术原理剖析

（1）光纤传感器技术原理归类。一般状况下，煤矿安全检测中常用的光纤传感技术原理关键有下列几类：

根据光纤光栅的物理量检测原理。这类检测原理与方式一般被运用在光纤光栅的温度、压力及其震动等有关的感应器之中；

根据拉曼散射的分布式系统温度检测原理。该原理关键用以温度检测，比如光纤空区的温度检测，或是皮带机的温度检测系统；

根据可调谐激光光谱吸收的气体检测原理。该原理一般都是作为各种气体的检测，比如检测光纤/激光的一氧化碳、二氧化碳等各种气体检测，常见于关键工作区的气体参数的实时监测。

（2）根据光纤光栅的精确测量检测原理。光纤光栅，事实上便是对光纤自身做微处理。为了更好的便于理解，我们可以举例：假定在一段有限长度的光纤內部刻上一定数的镜子，而刻刀便是紫外线。光纤上的镜子具备反射光纤的作用，但并不是全部的镜子都具备光纤反射作用，它是有选择性的反射的。这主要是因为每一个光纤光栅所反射的光是由特殊的光波限定的，并非是全部波长的光它都能反射。而这一能够被反射的光波长，被称作Bra波长，也正由于这般，光纤光栅也被称作Bragg光纤（FBG）。

根据拉伸、压缩光纤光栅或是更改温度能够更改光纤光栅的周期和有效折射率neff，进而更改其反射光波长入B。光纤光栅中心波长的变化量和应变、温度的变化量成线性相关。依据这类特点，可将光纤光栅制做成应变感应器、温度感应器、压力传感器、加速度感应器、位移传感器等。

光纤光栅感测器系统由光纤光栅信号处理器和光纤光栅感应器构成，如图1所显示。光纤光栅信号转换器即时采集各光纤光栅感应器的波长值，当某一感应器光波长产生变化时，信号处理器根据光栅传感器波长的变化量计算出相对应物理量（温度、应力等）的更改，进而实现标量感测器检验的目的。

图1

3.光纤光栅传感技术优点

根据布拉格光纤光栅（FBG）的传感器相对性于传统式的电子传感技术具备许多优点，主要表现在：

由于微课程需要在手机中运行，因此设计微信微课程时应该充分考虑智能手机的性能，学习者善于接受的学习方式等特点，基本的设计原则有以下几点：

（1）适用于苛刻环境。FBG传感器完全无源，没有应用任何电子元件，因而能够工作在低温及几百度的极端温度下，并可在电子感应器及仪表没法运作的地区长期运作。此外，因为无源，因此FBG传感器是本质安全防爆的，可工作于各种危险易燃易爆环境下。

（2）抗电磁信号。FBG传感器无源特点的另一个益处是不受静电、电磁及无线通信频率源的影响，能够安装在电厂、矿井等具有比较严重电子干扰源的场地。

（3）传送距离远。因为光纤光栅本质是光纤的一部分，而光纤是效率非常高的信号传送载体，因此，在无需任何中继的状况下，光纤光栅传感器的检测间距可以达到10km。这类远距离传送能够非常好处理地感应器现场数据信号的传送问题。

（4）长期稳定性。FBG感应器针对实时监控具备长期稳定性。FBG感应器具备零漂移的特点，能够应用好多年而不用再次校准，维护成本较低。

（5）系统容积大。一条光纤能够串行通信接站许多FBG感应器，而一台多路解调机器设备又可另外解调几十乃至上百条光纤，单套设备可另外检测数千个测量点。与传统式的电传感器技术对比，系统成本低，高性价比。

4.光纤在煤矿机械设备安全化检测系统中的应用

（1）系统配备及数据信号收集。利用放大自发辐射灯源（即ASE灯源）发送出一束光信号，该信号第一阶段便会通过光纤环形器，在这个阶段，光信号会先进到光纤震动传感器之中，光纤震动传感器里边的光纤光栅接收到光信号后，会对反射光信号做选择性的反射，而且总是反射特定光波长的光信号。在光纤震动传感器之中，因感应器自身的震动功效，便会使感应器內部的光纤接受到相对应的力的作用。这一力大小不一样，会影响光纤光栅的形状，即会造成不一样水平的反映和变形，如此一来，便会造成反射光信号的波长转变。最终，经过光纤光栅震动传感器反射后的光信号会再度根据光纤环形器进到光纤解调机器设备之中，解调机器设备会对其开展剖析与解决，最后检测的震动数据信息会在计算机中表示出来。

（2）煤矿光纤汽体检测技术。光纤汽体传感器技术用于检验有害物质早已进行了具体运用，它是一种综合了光谱分析技术性和光纤检测技术的方式：以气体物理学和化学特点有关的光学现象或特点为理论基础，利用光纤本身做为感测器元器件或是附于光纤某类材料或构造做为传感物质。将被测环境所想测的气体数据信号利用光纤传送到相对应的信号分析模块，进而得到接口测试的气体浓度值。矿井光纤汽体检测技术关键被运用于开采工作面、梁空区、总送风巷等关键地点的瓦斯气体浓度值检验。

（3）实际意义。光纤传感技术是一种较为新的技术，具有各式各样的优势，在煤矿机电设备安全性情况检测系统中具备广阔的发展前景。光纤光栅的数据信号收集能力十分强，能够在煤矿的机电设备安全情况监测系统中捕获微小的转变，为安全性检测提供强有力的基础。根据光纤传感技术的帮助，大家可以在煤矿机电设备的安全情况检验之中提高工作效能，减少安全生产事故的发生率。可是光纤传感技术性在对传送间距层面要求较高，另外规定系统的稳定性要高，对光锥的维护规定也十分高，因此在将来的工作上还必须不断推进研究。

5.结语

光纤传感技术的独特优点，决定了其在各种安全检测及工程测量行业拥有宽阔的应用前景。可是该技术性现阶段并未发展完善，还必须持续的实践、改善，以做到更精湛的技术水准，为煤矿公司的安全发展保驾护航。