光纤传感技术在矿井安全监测中的应用

光纤传感技术在矿井安全监
测中的应用
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光纤传感技术在矿井安全监测中的应用
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光纤传感技术在矿井安全监测中的应用
李辉1,2,郝建军2,何秋生2
(1.北京人民警察学院公安科技教研部,北京102202;2.中国矿业大学(北京)信息工程研究所,北京100083)摘要:简要介绍了光纤传感技术在矿井安全监控方面的应用优点,并对气体传感器、粉尘传感器和应力(应变)传感器的原理和关键技术进行了分析,同时对OTDR以及Bragg光栅等新技术进行了理论分析和应用研究,并在此基础上提出了光纤传感技术进一步应用需解决的几个关键问题。

关键词:光纤传感器;矿井安全监控;布拉格光栅;应力传感器
中图分类号:TD76文献标识码:B文章编
号:1003-496X(2021)04-0037-04
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10474137)
0引言
安全问题对于煤炭行业来说显得尤为重要,瓦斯爆炸、冒顶、透水、火灾和冲击地压是煤矿的主要灾害,直接威胁着煤矿的生产和工人的生命。

因此对矿井中涉及安全的各项指标进行监测是煤矿安全生产的一个重要环节,它能有效地减少灾害的发生和保证煤矿的正常生产秩序。

光纤检测技术是利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长(或频率)等特征参量发生变化,从而对外界因素进行检测和信号传输的技术。

光纤传感技术的研究始于20世纪70年代末,它是隋光纤通讯技术的发展而出现的一种新兴的光学技术,与传统传感器相比有着体积小、灵敏度高、频带宽、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、可远距离传输等优点,在易燃、易爆环境下工作安全可靠。

正是如此,光纤检测技术在航天和核工业领域以及安全监测方面有着极好的应用前景〔1〕。

目前,用于检测煤矿井下有害气体如瓦斯〔2-3〕、一氧化碳等的光纤气体传感器已经有了实际应用,对于检测煤尘浓度〔4〕、巷道面应力应变及煤仓仓位、通风巷风速等方面的光纤传感检测技术,也都有了相关的产品,并且越来越多地引起人们的兴趣。

1气体传感器
瓦斯(CH4)是煤矿安全生产的主要威胁,井下瓦斯的浓度在
4.9%~15%时,容易发生爆炸。

所
以,实时而精确地监测爆炸气体的浓度,对于安全生产和保障生命财产的安全来说,显得尤为重要。

在矿井有害气体检测上,它相对于普通传感器来说有诸多优点,轻便、灵巧、不会产生电火花、不会出现中毒现象,具有相当高的灵敏度和快速的响应能力。

在气体传感器中使用最多、效果最好的是光谱吸收型气体传感器,许多种气体在红外波段(4~10μm)都有本征吸收,这个波段远远超出了石英光纤的透射窗口(0.8~1.7μm),所以光谱型气体传感器一般都是利用气体在近红外和可见波段的较弱的泛频吸收,在这一波段发光器件和接收器件都是比较理想的光电转换器件,因此用这种方法可以对大多数气体浓度进行较高精度的测量。

光通过被测气体以后由于气体的吸收会使光的强度发生衰减,输出光强可用Beer-Lambert定律给出:
I=I0e-αLC(1)
式中,I0为入射光强,α为吸收系数,C为气体浓度,L为光通过气体的长度。

由此我们可以通过
测量光强度的损耗计算气体的浓度。

典型的光谱吸收型气体传感器由光源、气室、光路和信号处理4
个环节组成,它的探头部分是一个气室,气室有一个进风口和一个出风口,保持空气采样的实时性。

光从气室的一端射入,另一端射出,为了增加光通过气体的有效光程,可采用反射式的方式或用怀特腔的方式,但怀特腔的腔壁造成的反射损失会抵消它的好处,因而并没有多大实际意义〔5〕。

图1为一个反射型的检测气体浓度的气体传感器气室结构图。

图1采用反射式气室的示意图
2粉尘传感器
同瓦斯一样,煤尘也是矿井的隐患之一,所以对煤尘浓度的检测也是煤矿安全生产的重要环节。

粉尘传感器一般也采用气室作为探头,光从悬浮着煤尘颗粒的空气中通过时,由于煤尘颗粒的吸收和散射效应,光强会有相应的吸收和散射两部分衰耗,如下式:
I=I0exp{(α1+α2)L} (2)
式中,α1为吸收系数,α2为散射系数。

根据光强的衰减量可以计算出煤尘的浓度。

光学测量法较传统的称重测量法有很多优点,能连续进行实时测量,并具有较高的精度。

但光学测量法存在尘染的问题,附着在反射镜的镜面上的粉尘会影响传感器的测量精度,为了克服这一缺陷,设计采
用双光路差分补偿式的方式,其原理与双波长气体传感器相同。

光束在通过含尘空气时会产生吸收和散射,从而引起光强在其传播方向上的衰减,且符合指数规律,当光束传播距离较短时,光强减弱
对于粉尘浓度的变化是不敏感的,所以利用光吸收原理直接测量浮游粉尘浓度是不可行的。

采用米氏散射理论〔4〕,利用测定散射光的强度测量粉尘的浓度是一种好方法。

图2是双光路粉尘浓度传感器的采集腔光路示意图。

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1-光发射器;2 -监测接收器;3—补偿接收器
图2传感器采样腔光路系统
煤矿粉尘是含有多个粒子的独立散射粒子系,独立散射粒子系具有可加性,由此
可计算出某处的散射光强采用光电转换器将接收到的光
强信号I转换成相应的电信号,经过一系列信号处理,最后以模拟或数字的方式显示出粉尘质量浓度。

3应变(位移)传感器
应变(位移)传感器主要用于矿井井壁和巷道变形的监测,其工作原理是基于应变效应和光弹性效应引起的相位变化。

与其它传感器不同,光纤传感器可以进行连续测量,根据光应变效应原理,可计算相位延迟,根据相位的延迟可以算出光纤长度的变化量,进而可得到应变量。

但在很多情况下这种方法无法进行精确的测量,因为无法确定光纤的应力作用长度,所以有时不得不借助于其它技术。

下面介绍几种有代表性的新技术,这几种技术既可以作为辅助测量方法,也可以进行独立测量。

3.1布拉格(Bragg)光栅技术
用以上方法只能用于巷道或硐室的状态监测,由于应力作用长度不容易确定,要进行定位或精确测量需要借助其它技术来实现。

近几年出现的布拉格光栅技术克服了这一缺陷。

1978年,加拿大的Hill等人发现光致光栅效应,其后又制成世界上第一根Bragg光栅〔6〕。

光纤光栅采用波长调制,具有频带宽、波长编码、重复性好等优点。

光纤光栅技术在最近几年得到了长足的发展,并应用到了很多场合。

根据光纤耦合模理论,当宽带光在光纤布拉格光栅中传输时,产生模式耦合,满足布拉格条件的波长光被反射,由于应力的影响导致光弹效应和光纤栅格周期的变化,光纤Bragg光栅在外界应力场和温度梯度场的作用下,反射光(或透射光)的中心波长将
发生位移,波长位移量可以表示为〔7-8〕:
式中,ε为轴向应变;σ为泊松比;P为光纤光灵敏度系数,对于石英光纤P取0.22,则△λB与
ε成线性关系。

光纤Bragg光栅具有很高的灵敏度在波长为30 nm时可达0.64 pm/με,波长为1 310 nm时大约为1 pm/με,在波长1 550 nm时为1.2 pm/με〔9〕。

除了具有普通光纤传感器的许多优点外,Bragg光栅型光栅传感器还有一些明显优于其他光纤传感器,它的传感信号为波长调制,因而测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响;避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要;能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个传感器,实现真正意义上的多点线式分布测量〔10〕。

因此,一旦光栅甚至光路中出现非连续剪切变形或剪断,时域反射计就可接收到回波,测量网络仍能全部或部分正常工作,并且通过时域分析和光强分析可以确定被测物体内产生不连续剪切变形的位置和大小,这在诸如滑坡监测和地下工程围岩深部位移观测中具有非常重要的意义。

3.2OTDR(光时域反射)技术
OTDR(Optical Time Domain Reflecting)检测原理类似于雷达技术。

光源发出的脉冲光进入被测光纤中,光纤产生的瑞利后向反射光经耦合器、光放大探测器,进入OTDR信号处理系统,最后给出光纤沿线损耗大小和位置。

OTDR技术最早用于通信光缆的故障定位,取得了很好的效果。

该方法最大测量长度可达200 km〔11〕。

当光纤的某处受力或存在接头、损伤,那么该处反射光的强度较高,发射一个光脉冲,经过一定时间后就会接收到一个反射脉冲。

那么接头或损伤断裂处的距离为:
vg为光波的群速度。

反过来,可根据光信号结果来判断光纤埋设处的材料受力、损伤状况,这是
一种良好的分布式测试方法。

这种方法的空间分辨率和灵敏度完全取决于OTDR技术。

当前在定位上可达厘米级,但在相邻事件(接续、损伤)的区分,应力、应变的分辨率上还是存在很大的局限性。

这种检测技术有2种改进途径:(1)对OTDR仪器本身的信号处理系统加以改进。

(2)将被测光纤做成特种结构,如利用光纤的微弯效应等,从而增大应力、应变测试的灵敏度。

3.3岩土工程应用
光纤应力应变传感器现已应用于对桥梁、大坝和隧道等民用工程的状态监测中。

在地下工程和采矿工程中,由于开挖和爆破造成围岩变形、破裂扩展甚至失稳破坏,因此,对围岩的状态和位移观测特别重要。

德国的GFZ Potsdam公司开发了一种测量围岩变形的光纤光栅传感器———FBX测量锚杆,这种新型的传感器是在一根玻璃纤维增强聚合物岩石测量锚杆杆体中埋入光纤光栅,然后将测量锚杆埋设在围岩体中,用于监测隧道、硐室、或者深埋地基等工程中的岩体变形和结构变化〔12〕。

这种传感器很有希望用于监测复杂的地层和岩层的变化状况,如恶劣环境条件下的位移、应变、应力、压力和温度。

新的光纤光栅传感器也能用作地震接收器,测量岩体中的振动,或测量采煤工作面爆破造成的冲击地压。

在煤矿巷道锚杆支护中,由于岩体本身具有的应力松弛特性和围岩整体位移逐步向深处发展两方面原因,锚杆的锚固力在达到峰值以后将随时间推移逐步降低,当锚固力降低到一定水平以下时,必须对围岩进行补强加固。

因此,必须对锚杆应力做长期监测。

目前,煤矿巷道之所以经常需要翻修,其原因就在于没有进行长期监测,及时反馈信息,及时对巷道做补强处理,以致于等到巷道失稳破坏后不得不进行彻底
翻修。

由于机电式传感器测量的各种弊端,使得光纤测量成为一种很有前途的长期监测方法,其服务年限可达10 a以上[12],这是传统机电式测量无法做到的。

矿井的恶劣环境也使得以石英光纤为主体的光纤传感器受到特别的青睐。

4几个关键问题
半导体激光器和光纤传感复用技术的出现大大降低了传感系统的成本,由于大量减少了光纤的数量,简化了系统光源及信号检测系统,提高了可靠性。

尽管如此,目前实用化的光纤传感器仅仅是光谱吸收型气体传感器,而其它类型的光纤传感器的主要问题是成本高,所以应用较少,这一问题大大地制约着它们的发展。

一些成熟而又先进的技术如光纤光栅和OTDR技术等,由于成本问题无法得到推广,所以如何能降低成本,将是光纤传感器技术在应用领域发展的重要课题。

对于光谱吸收型的光纤传感器,如果能实现在气体本征吸收波段内工作,将会大大提高传感器的灵敏度。

目前的最实用的石英光纤的传输波段在0.8~1.7μm,尚不能满足低损耗传输中红外波段的光。

如果能开发一种廉价的中红外光纤,配合同波段的发光管和光电转换器件,可以将灵敏度提高几个量级。

光纤传感器可用于矿井巷道或硐室的应变监测,但在某些巷道中也会遇到无法铺设的问题。

如采用锚喷支护的巷道面,光纤可直接埋设在混凝土里面,而采用简单支护、液压支护的巷道面是无法铺设光缆的。

因此只能采用单点监测而无法采用连续监测。

5结论与展望
由于光纤传感器本质安全防爆,因此在矿井安全监测中相对于电类传感器具有无可比拟的优势。

尽管目前有些光元器件的成本较高,但随着技术的发展,光元器件的成本会大大地降低,可以预见在不久的将来,它必将会在安全要求比较高的领域取代传统的电类传感器。

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作者简介:李辉(1970-),女,河南镇平人,硕士,现为北京人民警察学院讲师,中国矿业大学(北京)在读博士,从事安全监控及网络安全方面的研究。