光纤传感技术在矿井安全监测中的应用

1、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

2、:B文章编号:1003-496X（2006）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

3、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%寸, 容易发生爆炸。所 换行以,实时而

4、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（410卩m都有本征吸收,这个波段远远超出了石英光 纤的透射窗口（0.81.7卩r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

5、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：l=IOe-a LC(1)式中,I0为入射光强，伪吸收系数,C为气体浓度丄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

6、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:l=IOexp( a 1+a 2)L(2)式中，al为吸收系数，a2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

7、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。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 ,由此换行 可计算出某处

8、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

9、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。1 978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

10、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，£为轴向应变；伪泊松比；P为光纤光灵敏度系数，对于石英光纤P 取0.22，则入B与£成线性关系。光纤Bragg光栅具有很高的灵敏度在波长为30nm时可达0.64pm/卩£,波长为1310nm时大约为1pm/£在波长1550nm时为1.2pm/卩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

11、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。3.2 OTDR光时域反射)技术OTDR(OpticalTimeDomai nReflect ing检测原理类似于雷达技术。光源发 出的脉冲光进入

12、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 200km 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 换行 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OTDF技术。当前在定位上可达厘米级 但在相邻事件

13、 (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：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GFZPotsdam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

14、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

15、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10a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

16、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0.81.7卩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

17、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。参考文献 : 1 Reviewsofthepresentstatusofopticalfibersensors J.OpticalFiberTechnology,2003(9).2 李 虹监测甲烷浓度的红外吸收法光纤传感器J量子电子 学

18、报,2002(4):355-357.3 王玉田,郭增军,王莉田,等.新型甲烷光纤传感器的研究 J .光 学技术 ,2001(4):342-343.4 田国政 ,孙继平,朱建铭,等.光散射粉尘传感器的尘染补偿方法及 光强分布的研究 J .煤炭学报 ,1997(6):632-636.换行 5 洪 波, 廖延彪,靳 伟，等光纤化的气体传感技术J光与红外,2002(3):193-196.6HillK.O,MorseR,JohnsonD.C.Photosensitivityinopticalfiberwaveguide:applic ationtoreflectionfilterfabrication J.Appl.Phy.Lett.1978(32):647-649. 7 谢 芳,张书练 ,李 岩,等.光纤光栅传感器的波长检测系统及其 理论分析J.光学学报,2002(6):726-730. 8 ChuanLi,Yi-maoZhang,HuiLiu.Distribute