一、傳統電子傳感技術在煤礦應用中存在以下問題
對煤礦潛在的安全隱患進行監測是煤礦安全生產的重要保障手段。目前我國煤礦安全監測仍是以傳統電子,機械方式為主,部分甚至還是靠人工觀測信號。傳統電子傳感技術在煤礦應用中存在以下問題:
1、分布式現場供電難,信號傳輸難,信號易受干擾;
2、系統復雜,每個傳感器都配置現場儀表,現場儀表種類繁多;
3、電子器件抗潮濕、腐蝕能力差,使用有效期短,維護費用較高。
基于光纖光柵原理制造的傳感器通過測量光的波長來測量外界物理量,具有對惡劣環境適應性強、抗電磁干擾能力強、精度高、靈敏度高、易于傳輸、無源本質安全、準分布式測量等優點。光纖光棚優越的內在特性使得傳感器在煤礦井下的惡劣環境下能夠穩定工作。因此,將光纖光柵傳感技術引人煤礦安全監測中具有重要的意義。
二 、光纖光柵傳感技術原理
1、光纖光柵是在光纖的纖芯中通過紫外刻蝕方式形成周期性折射率變化的一段光纖。這樣的結構會反射特定波長的光譜,如圖1所示。寬帶光源入射到光柵后,將反射特定波長的反射光。反射光的中心波長為
λB=2neff 
式中:neff為光纖光柵的有效折射率;
為光柵周期。
2、通過拉伸、壓縮光纖光柵或者改變溫度可以改變光纖光柵的周期A和有效折射率neff從而改變其反射波長λB。光纖光柵中心波長的變化量和應變、溫度的變化量成線性關系。根據這種特性,可將光纖光柵制作成應變傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、加速度傳感器、位移傳感器等。
3、光纖光柵傳感系統由光纖光柵信號處理器和光纖光柵傳感器組成,如圖2所示。光纖光柵信號處理器實時采集各光纖光柵傳感器的波長值,當某個傳感器波長發生變化時,信號處理器通過光柵傳感器波長的變化量推算出相應物理量(溫度、應力等)的改變,從而實現物理量傳感檢測的目的。
二光纖光柵傳感技術優勢分析
基于布拉格光纖光柵(FBG)的傳感器相對于傳統的電子傳感器技術具有很多優勢,具體表現在:
1、適用于嚴苛環境。FBG傳感器完全無源,沒有使用任何電子元件,因此可以工作在低溫及幾百度的極端溫度下,并可在電子傳感器及儀表無法運行的地方長期運行。另外,由于無源,所以FBG傳感器是本質安全防爆的,可工作于各種危險易爆環境下。
2、抗電磁干擾。FBG傳感器無源特性的另一個好處是不受靜電、電磁及無線電頻率源的干擾,可以安裝在電廠、礦井等具有嚴重電子干擾源的場所。
3、傳輸距離遠。由于光纖光柵實質是光纖的一部分,而光纖是效率非常高的信號傳輸載體,所
以,在不用任何中繼的情況下,光纖光柵傳感器的監測距離可達10 km。這種長距離傳輸可以很好解決地傳感器現場信號的傳輸問題。
4、長期穩定性。FBG傳感器對于遠程監控具有長期穩定性。FBG傳感器具有零漂移的特性,可以使用很多年而不需要重新標定,維護成本較低。
5、系統容量大。一條光纖可以串行接入很多FBG傳感器,而一臺多通道解調設備又可同時解調幾十甚至上百條光纖,單套設備可同時監測數千個測點。與傳統的電傳感技術相比,系統成本低,性價比高。
6、多參量傳感。目前基于光纖光柵技術可實現的傳感包括溫度、位移、應力、壓力、加速度、沉降、滲壓、振動、傾斜等多種物理量,而且一套系統可以對上述物理量同時進行實時監測。
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