光纤压力传感器在煤矿中的应用研究_戴峻
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参 考 文 献 :
[ 1] 煤矿安全政策 [ R] .2008中国煤炭工业发展研究报告 , 2008. [ 2] 赵 勇 .光纤光栅及其传感技术 [ M] .北京 :国防工业出版社 ,
2007. [ 3] 刘 柱 .基于光纤 光栅的 动态汽 车称重 系统研 究 [ D] .武汉 :
了一套称重实验装置 , 并对其检测原理进行了详细
的分析 。图 2为其载荷称重试验装置图 。
没有施加载荷作用时 , 光谱仪接收到的光纤光
栅布拉格反射光谱具有单一的反射峰 ;当载荷增加
到一定程度时 , 在光谱仪中看到反射光谱逐渐变宽 、
幅值逐渐减小 , 直至出现两个峰值 , 随外界载荷的增
加 , 反射峰向波长方向移动 , 并伴随着两个反射峰彼
从已有的实验效果来看[ 9] , FBG对锚杆有很好 的动态监测效果 , 能够突出 FBG锚杆传感灵敏度
高 、稳定性好 、测量点灵活 、结构简单和能够在野外 或复杂结构中长期有效监测等优点 。
光纤光栅锚杆传感器目前存在的问题是 :实验 环境中光纤光栅不会发生脱落现象 , 而煤矿中经常 需要把锚杆锚索打入岩层或煤层中 , 此时就对光纤 光栅的铠甲提出了既不影响监测精度又不会使光纤 光栅发生脱落甚至折损的要求 。 4 结 论
Keywords:Fibersensing;Fiberbragggrating;Coalminesafety
1 引 言 近些年中国煤炭行业迅猛发展 , 已成为世界产
煤第一大国 。我国大多煤矿开采条件复杂 , 其安全 问题逐渐成为制约煤炭行业可持续发展的重要因素 之一 , 行业内每年因瓦斯爆炸 、煤矿塌陷等意外造成 的生命和财产损失日益严峻 , 煤矿安全成为了国内 重大的社会和经济问 题[ 1] 。 鉴于国 内煤炭安全问 题频出 , 煤矿安全监控行业也逐渐被人们所重视 , 先 进而可靠的监控技术可以极大的提高和保障煤矿安 全生产能效 , 并且可以预测或预警事故的发生 。
感知 。 而压力 (应力 )在不同场合表示不同的物理
量 , 煤矿中很多和压力 (应力 )有关的参数都可由光
纤光栅传感器感知测量 。
3.1 矿用光纤称重传感器
光纤称 重 传感 器 在 国 内 的研 究 已 有 几 年时 间 [ 3, 4] 。 2009年 , 东北大学赵勇教授等人 [ 5] 基于光
纤在外界径向载荷作用下产生的双折射效应 , 建立
离开 , 进入功率探测器 (PD, PowerDetector), 就可以 实现简单的光纤光栅反射光谱的解调 。
图 2 FBG称重原理图 [ 5]
随着外界载荷的增加 , 两个反射波光功率的差 值变化见图 3。
图 1 光纤光栅的结构原理图
光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为 :
■λB λB
=(αf+ξ)■T+(1
光纤光栅传感技术监测锚杆应力的原理简单 , 通过感知外界锚杆的应力来实现光纤光栅中心波长 的漂移 。首先将光栅顺着锚杆径向水平粘贴在锚杆 的不同部位上 , 当锚杆受到外界的压力 、拉力时 , 粘 贴在锚杆上的 FBG同样受到这些力的影响 , 中心波 长得到改变 , 通过测量中心波长的改变来分析锚杆 受力情况和支护效果 。
如果对光纤光栅轴向施加载荷 , 也可使光纤光 栅的反射波长产生漂移 , 进而测量压力 (应力 )。 如 图 4为光纤光栅测量液压 (或水位 )的传感单元装 置图 。
图 4 双拱型结构 FBG压力传感装置结构和外型图
结合以前的设计理念 [ 6] , 图 4 为用于测量压强 (水位 )新提出和设计的传感结构 。 当上部通道传 入压强时 , 此装置中部活塞向下运动 , 通过触点使得 双拱型悬臂梁发生形变 。此时粘贴在悬臂梁一侧的 FBG会受到径向应力的作用 。 通过有限元 分析悬 臂梁 的受力不均匀 , 从而 FBG变为了啁啾光 纤光
长信号为 λB, 它与光栅周期 Λ和纤芯的有效折射率
neff有关 , 所以光纤光栅反射光中心波长的变化反映
了外界被测信号的变化情况 , 只需要监测出光纤光 栅的反射波长就可以知道外界信号的变化 [ 2] 。
3 光纤光栅压力传感器在煤矿中的应用
压力 (应力 )是光纤光栅传感器的主要检测量
之一 , 压力 (应力 )的变化可被光纤光栅传感器直接
目前所开发出的传感器已解决了煤矿安全生产 中的一些问题 , 但传统的传感技术越来越面临一些
戴 峻 (1968 -), 男 , 辽宁抚顺 人 , 高级 工程师 , 113001 辽 宁省 抚顺市 。
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问题 , 例如 , 用于甲烷检测的热导及催化元件传感器 受到使用寿命和零点及灵敏度漂移的限制 , 不仅使 得传感器的标定和更换非常麻烦 , 而且变相地增加 了设备成本 。 同时 , 催化元件与热导元件极容易受 到环境因素的影响 , 如温度 、湿度 、风速等 , 其稳定性 和准确度也受到了挑战 。
此越发分离 。再通过保偏分束器将两个反射波峰分
图 3 光纤光栅两偏振波长差与载荷关系曲线 [ 5]
这种方法测量载荷的灵敏度可达 5kg, 将此传 感装置应用于煤矿安全生产中的煤车称重 , 其检测 灵敏度足够 。 该实验表明了光纤传感器在煤车称重 系统中应用的可行性 , 并且可以实现静态和动态的 双模式称重 。 该系统具有独特的优点 :光信号传感 、 测量速度快 、灵敏度高 、可实现动态测量 、便于与光 纤通信系统融合 、便于系统升级和扩展 。 3.2 矿用光纤液压传感器
同样的 , 光纤光栅传感器也可用于锚杆 (锚索 ) 应力的测量 。从岩巷到煤巷再到大断面巷道使用锚 杆支护 , 监测锚杆 、了解煤巷煤层和岩层的状况显得 尤为重要 。 通过锚杆受力和光纤光栅特性分析相结 合 , 光纤光栅传感技术对锚杆应力应变的测试的应 用已经越来越多 [ 7, 8] , 为锚杆支 护提供了一种新的 监测方法 。
关键词 :光纤传感 ;光纤布拉格光栅 ;煤炭安全 中图分类号 :TP212.9 文献标识码 :A 文章编号 :1674-6082(2010)07-0048-03
ApplicationStudyofOpticalFiberPressureSensorinCoalMine DaiJun1 ZhaoHuawei2 MiaoKebin2
图 5 活塞位移和 FBG反射波谱宽的关系曲线 [ 6]
该光纤测压装置结构简单新颖 , 使用寿命长 , 而 且稍加改造就可测量其它应力参量 , 如将该装置活 塞的顶端用连杆和外界相连 , 即可方便测量外部微 位移 。 与此同时 , 因为温度影响的是光纤光栅的反 射波长 , 而对反射波谱宽并无影响 , 所以该装置从原 理上避免了光纤光栅传感中常出现 的交叉敏感问 题 , 提高了测量系统的稳定性 。 3.3 FBG锚杆应力传感器
-Pe)■ε,
(1)
式中 , ■λB为光纤光栅中心波长的移动量 ;αf为光
纤的热膨胀系数 ;ξ为光纤材料的热光系数 ;Pe为光
纤材料的弹光系数 。
FBG的 Bragg波长 λB =2neffΛ。当一宽谱光源 射入光纤 , 经过光纤光栅会有波长为满足布拉格波
长反射条件的光返回 , 其它光将透射 。 反射回的波
将新颖的光纤传感技术应用于煤矿安全领域 , 提出并讨论了光纤压力传感技术在煤矿中的几种可 能的应用方案 , 如对煤车称重 、锚杆应力 、液压及水 位等压力或应力监测等 。 分析表明 , 光纤传感单元 本质安全 、耐腐蚀 、灵敏度高 、使用寿命长 , 非常适用 于煤矿生产环境下的参数检测 。 但目前光纤传感解 调系统成本较高 , 所以尽快开发出价格低廉的光纤 传感解调系统 , 将其应用于煤矿监控中的关键环节 。
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总第 495期 现代矿业 2010年 7月第 7期
栅 , 这就会导致 FBG反射波谱宽的增加 。图 5所示 为装置 中由 外界 压 力 (压 强 )引起 的活 塞位 移和 FBG反射波谱宽的关系曲线 , 而外界压力 (压强 )和 装置中活塞的位移具有线性关系 , 则 FBG反射波谱 宽和外界所施加的压力 (压强 )的关系也可用线性 表示 。
(1.ShenyangBranchofChinaCoalResearchInstitute;2.MineSafetyTechnologyResearchBranch, ChinaCoal ResearchInstitute)
Abstract:Aimatthecurrentexistingproblemsofmineusedsensorsincoalminesafetymonitoring system, suchaslowaccuracy、 poorstability、 lowreliability、 easytobeelectromagneticinterferedandso on, anovelfiber-opticsensingtechnologyisproposedforcoalmineindustry.Severalkindsofapplicationprojectsoffiberpressuresensingtechnologyincoalmineareemphaticallydiscussed, suchaspressureandstresschecklikecoalminetrucksweighing, boltstress, waterlevelandsoon.Theresultsindicatethatduetointrinsicallysafe、 corrosionresistance、 highsensitivity、 longlife, thefibersensingis widelysuitablefortheenvironmentalparametersdetectionofcoalmineproduction, anditprovidestheinnovativeideaandpracticalsolutionforcoalminesafetymonitoringsystem.
戴 峻 赵华玮等 :光纤压力传感器在煤矿中的应用研究 2010年 7月第 7期
2 光纤传感器的基本原理 按照光纤在传感系统中的作用 , 光纤传感器可
以分为功能型和非功能型 。非功能型光纤传感器即 光纤只起传光作用 , 对外界信息的 “感觉 ”功能依靠 其他功能元件完成 。 功能型光纤传感器不仅起传光 作用 , 而且还能感知外部信息的变化 , 此类光纤传感 器又叫光纤 Bragg光栅 (FBG, FiberBraggGrating)传 感器 , 是光纤传感器的主要类型 。 图 1为光纤光栅 (FBG)的结构原理图 。
光纤传感是近几年发展起来的一项新型传感技 术 , 由于其具有本质安全 、耐腐蚀 、漂移小 、灵敏度 高 、使用寿命长并且便于与光纤环网通信系统融合 等一系列独特优势 , 已广泛应用于油井 、电力 、建筑 等高危行业 。 同时 , 光纤传感器也非常适用于煤矿 井下单点或多点多参数检测 , 是煤矿安全监控的理 想选择 。 笔者重点介绍几种煤矿中应用潜力非常巨 大的光纤压力传感器 , 旨在探索和挖掘光纤传感器 在煤矿行业中的潜在应用 。
SerialNo.495 July.2 010
现 代 பைடு நூலகம் 业
MORDENMINING
总 第 495期 2010年 7月第 7期
光纤压力传感器在煤矿中的应用研究
戴 峻
(煤炭科学研究总院沈阳研究院
) (煤炭科学研赵究华总院玮矿 山苗安可全彬技术研究分院
)
摘 要 :针对目前煤矿安全监控系统中传感器存在的检测精度低 、稳定性差 、可靠性差和易受 电磁干扰等问题 , 将新颖的光纤传感技术应用于煤矿行业 。重点讨论了光纤压力传感技术在煤矿 中的几种应用方案 , 如煤车称重 、锚杆应力 、水位等压力应力检测等 。研究结果表明 , 光纤传感本质 安全 、耐腐蚀 、灵敏度高 、使用寿命长 , 非常适用于煤矿生产环境参数检测 , 为改进煤矿安全监控系 统提供了新颖的思路和切实可行的解决方案 。
[ 1] 煤矿安全政策 [ R] .2008中国煤炭工业发展研究报告 , 2008. [ 2] 赵 勇 .光纤光栅及其传感技术 [ M] .北京 :国防工业出版社 ,
2007. [ 3] 刘 柱 .基于光纤 光栅的 动态汽 车称重 系统研 究 [ D] .武汉 :
了一套称重实验装置 , 并对其检测原理进行了详细
的分析 。图 2为其载荷称重试验装置图 。
没有施加载荷作用时 , 光谱仪接收到的光纤光
栅布拉格反射光谱具有单一的反射峰 ;当载荷增加
到一定程度时 , 在光谱仪中看到反射光谱逐渐变宽 、
幅值逐渐减小 , 直至出现两个峰值 , 随外界载荷的增
加 , 反射峰向波长方向移动 , 并伴随着两个反射峰彼
从已有的实验效果来看[ 9] , FBG对锚杆有很好 的动态监测效果 , 能够突出 FBG锚杆传感灵敏度
高 、稳定性好 、测量点灵活 、结构简单和能够在野外 或复杂结构中长期有效监测等优点 。
光纤光栅锚杆传感器目前存在的问题是 :实验 环境中光纤光栅不会发生脱落现象 , 而煤矿中经常 需要把锚杆锚索打入岩层或煤层中 , 此时就对光纤 光栅的铠甲提出了既不影响监测精度又不会使光纤 光栅发生脱落甚至折损的要求 。 4 结 论
Keywords:Fibersensing;Fiberbragggrating;Coalminesafety
1 引 言 近些年中国煤炭行业迅猛发展 , 已成为世界产
煤第一大国 。我国大多煤矿开采条件复杂 , 其安全 问题逐渐成为制约煤炭行业可持续发展的重要因素 之一 , 行业内每年因瓦斯爆炸 、煤矿塌陷等意外造成 的生命和财产损失日益严峻 , 煤矿安全成为了国内 重大的社会和经济问 题[ 1] 。 鉴于国 内煤炭安全问 题频出 , 煤矿安全监控行业也逐渐被人们所重视 , 先 进而可靠的监控技术可以极大的提高和保障煤矿安 全生产能效 , 并且可以预测或预警事故的发生 。
感知 。 而压力 (应力 )在不同场合表示不同的物理
量 , 煤矿中很多和压力 (应力 )有关的参数都可由光
纤光栅传感器感知测量 。
3.1 矿用光纤称重传感器
光纤称 重 传感 器 在 国 内 的研 究 已 有 几 年时 间 [ 3, 4] 。 2009年 , 东北大学赵勇教授等人 [ 5] 基于光
纤在外界径向载荷作用下产生的双折射效应 , 建立
离开 , 进入功率探测器 (PD, PowerDetector), 就可以 实现简单的光纤光栅反射光谱的解调 。
图 2 FBG称重原理图 [ 5]
随着外界载荷的增加 , 两个反射波光功率的差 值变化见图 3。
图 1 光纤光栅的结构原理图
光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为 :
■λB λB
=(αf+ξ)■T+(1
光纤光栅传感技术监测锚杆应力的原理简单 , 通过感知外界锚杆的应力来实现光纤光栅中心波长 的漂移 。首先将光栅顺着锚杆径向水平粘贴在锚杆 的不同部位上 , 当锚杆受到外界的压力 、拉力时 , 粘 贴在锚杆上的 FBG同样受到这些力的影响 , 中心波 长得到改变 , 通过测量中心波长的改变来分析锚杆 受力情况和支护效果 。
如果对光纤光栅轴向施加载荷 , 也可使光纤光 栅的反射波长产生漂移 , 进而测量压力 (应力 )。 如 图 4为光纤光栅测量液压 (或水位 )的传感单元装 置图 。
图 4 双拱型结构 FBG压力传感装置结构和外型图
结合以前的设计理念 [ 6] , 图 4 为用于测量压强 (水位 )新提出和设计的传感结构 。 当上部通道传 入压强时 , 此装置中部活塞向下运动 , 通过触点使得 双拱型悬臂梁发生形变 。此时粘贴在悬臂梁一侧的 FBG会受到径向应力的作用 。 通过有限元 分析悬 臂梁 的受力不均匀 , 从而 FBG变为了啁啾光 纤光
长信号为 λB, 它与光栅周期 Λ和纤芯的有效折射率
neff有关 , 所以光纤光栅反射光中心波长的变化反映
了外界被测信号的变化情况 , 只需要监测出光纤光 栅的反射波长就可以知道外界信号的变化 [ 2] 。
3 光纤光栅压力传感器在煤矿中的应用
压力 (应力 )是光纤光栅传感器的主要检测量
之一 , 压力 (应力 )的变化可被光纤光栅传感器直接
目前所开发出的传感器已解决了煤矿安全生产 中的一些问题 , 但传统的传感技术越来越面临一些
戴 峻 (1968 -), 男 , 辽宁抚顺 人 , 高级 工程师 , 113001 辽 宁省 抚顺市 。
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问题 , 例如 , 用于甲烷检测的热导及催化元件传感器 受到使用寿命和零点及灵敏度漂移的限制 , 不仅使 得传感器的标定和更换非常麻烦 , 而且变相地增加 了设备成本 。 同时 , 催化元件与热导元件极容易受 到环境因素的影响 , 如温度 、湿度 、风速等 , 其稳定性 和准确度也受到了挑战 。
此越发分离 。再通过保偏分束器将两个反射波峰分
图 3 光纤光栅两偏振波长差与载荷关系曲线 [ 5]
这种方法测量载荷的灵敏度可达 5kg, 将此传 感装置应用于煤矿安全生产中的煤车称重 , 其检测 灵敏度足够 。 该实验表明了光纤传感器在煤车称重 系统中应用的可行性 , 并且可以实现静态和动态的 双模式称重 。 该系统具有独特的优点 :光信号传感 、 测量速度快 、灵敏度高 、可实现动态测量 、便于与光 纤通信系统融合 、便于系统升级和扩展 。 3.2 矿用光纤液压传感器
同样的 , 光纤光栅传感器也可用于锚杆 (锚索 ) 应力的测量 。从岩巷到煤巷再到大断面巷道使用锚 杆支护 , 监测锚杆 、了解煤巷煤层和岩层的状况显得 尤为重要 。 通过锚杆受力和光纤光栅特性分析相结 合 , 光纤光栅传感技术对锚杆应力应变的测试的应 用已经越来越多 [ 7, 8] , 为锚杆支 护提供了一种新的 监测方法 。
关键词 :光纤传感 ;光纤布拉格光栅 ;煤炭安全 中图分类号 :TP212.9 文献标识码 :A 文章编号 :1674-6082(2010)07-0048-03
ApplicationStudyofOpticalFiberPressureSensorinCoalMine DaiJun1 ZhaoHuawei2 MiaoKebin2
图 5 活塞位移和 FBG反射波谱宽的关系曲线 [ 6]
该光纤测压装置结构简单新颖 , 使用寿命长 , 而 且稍加改造就可测量其它应力参量 , 如将该装置活 塞的顶端用连杆和外界相连 , 即可方便测量外部微 位移 。 与此同时 , 因为温度影响的是光纤光栅的反 射波长 , 而对反射波谱宽并无影响 , 所以该装置从原 理上避免了光纤光栅传感中常出现 的交叉敏感问 题 , 提高了测量系统的稳定性 。 3.3 FBG锚杆应力传感器
-Pe)■ε,
(1)
式中 , ■λB为光纤光栅中心波长的移动量 ;αf为光
纤的热膨胀系数 ;ξ为光纤材料的热光系数 ;Pe为光
纤材料的弹光系数 。
FBG的 Bragg波长 λB =2neffΛ。当一宽谱光源 射入光纤 , 经过光纤光栅会有波长为满足布拉格波
长反射条件的光返回 , 其它光将透射 。 反射回的波
将新颖的光纤传感技术应用于煤矿安全领域 , 提出并讨论了光纤压力传感技术在煤矿中的几种可 能的应用方案 , 如对煤车称重 、锚杆应力 、液压及水 位等压力或应力监测等 。 分析表明 , 光纤传感单元 本质安全 、耐腐蚀 、灵敏度高 、使用寿命长 , 非常适用 于煤矿生产环境下的参数检测 。 但目前光纤传感解 调系统成本较高 , 所以尽快开发出价格低廉的光纤 传感解调系统 , 将其应用于煤矿监控中的关键环节 。
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总第 495期 现代矿业 2010年 7月第 7期
栅 , 这就会导致 FBG反射波谱宽的增加 。图 5所示 为装置 中由 外界 压 力 (压 强 )引起 的活 塞位 移和 FBG反射波谱宽的关系曲线 , 而外界压力 (压强 )和 装置中活塞的位移具有线性关系 , 则 FBG反射波谱 宽和外界所施加的压力 (压强 )的关系也可用线性 表示 。
(1.ShenyangBranchofChinaCoalResearchInstitute;2.MineSafetyTechnologyResearchBranch, ChinaCoal ResearchInstitute)
Abstract:Aimatthecurrentexistingproblemsofmineusedsensorsincoalminesafetymonitoring system, suchaslowaccuracy、 poorstability、 lowreliability、 easytobeelectromagneticinterferedandso on, anovelfiber-opticsensingtechnologyisproposedforcoalmineindustry.Severalkindsofapplicationprojectsoffiberpressuresensingtechnologyincoalmineareemphaticallydiscussed, suchaspressureandstresschecklikecoalminetrucksweighing, boltstress, waterlevelandsoon.Theresultsindicatethatduetointrinsicallysafe、 corrosionresistance、 highsensitivity、 longlife, thefibersensingis widelysuitablefortheenvironmentalparametersdetectionofcoalmineproduction, anditprovidestheinnovativeideaandpracticalsolutionforcoalminesafetymonitoringsystem.
戴 峻 赵华玮等 :光纤压力传感器在煤矿中的应用研究 2010年 7月第 7期
2 光纤传感器的基本原理 按照光纤在传感系统中的作用 , 光纤传感器可
以分为功能型和非功能型 。非功能型光纤传感器即 光纤只起传光作用 , 对外界信息的 “感觉 ”功能依靠 其他功能元件完成 。 功能型光纤传感器不仅起传光 作用 , 而且还能感知外部信息的变化 , 此类光纤传感 器又叫光纤 Bragg光栅 (FBG, FiberBraggGrating)传 感器 , 是光纤传感器的主要类型 。 图 1为光纤光栅 (FBG)的结构原理图 。
光纤传感是近几年发展起来的一项新型传感技 术 , 由于其具有本质安全 、耐腐蚀 、漂移小 、灵敏度 高 、使用寿命长并且便于与光纤环网通信系统融合 等一系列独特优势 , 已广泛应用于油井 、电力 、建筑 等高危行业 。 同时 , 光纤传感器也非常适用于煤矿 井下单点或多点多参数检测 , 是煤矿安全监控的理 想选择 。 笔者重点介绍几种煤矿中应用潜力非常巨 大的光纤压力传感器 , 旨在探索和挖掘光纤传感器 在煤矿行业中的潜在应用 。
SerialNo.495 July.2 010
现 代 பைடு நூலகம் 业
MORDENMINING
总 第 495期 2010年 7月第 7期
光纤压力传感器在煤矿中的应用研究
戴 峻
(煤炭科学研究总院沈阳研究院
) (煤炭科学研赵究华总院玮矿 山苗安可全彬技术研究分院
)
摘 要 :针对目前煤矿安全监控系统中传感器存在的检测精度低 、稳定性差 、可靠性差和易受 电磁干扰等问题 , 将新颖的光纤传感技术应用于煤矿行业 。重点讨论了光纤压力传感技术在煤矿 中的几种应用方案 , 如煤车称重 、锚杆应力 、水位等压力应力检测等 。研究结果表明 , 光纤传感本质 安全 、耐腐蚀 、灵敏度高 、使用寿命长 , 非常适用于煤矿生产环境参数检测 , 为改进煤矿安全监控系 统提供了新颖的思路和切实可行的解决方案 。