光纤温度传感器在煤矿井下温度测量系统中的应用

关键词： 环境恶劣 温度 工作面 煤矿

煤矿井下环境恶劣, 容易发生各种危险, 为了保证煤矿的安全生产, 需要适时监测了解煤矿井下的各种情况, 其中包括温度、压力、瓦斯、风速、距离等。其中对矿井各个关键点和采煤工作面的温度进行适时监测是保证煤矿安全生产的重要监测项目。另外煤矿井下经常要用到超声波测距, 为了保证距离测量的准确度, 也要求对矿井内温度进行准确的测量。温度测量的传统方法是采用热电耦的方法, 这种方法反映速度慢、测量误差大, 安装调试复杂, 且不便于远距离传输。本文利用光纤温度传感器来实现对煤矿井下温度的智能测量, 分布式光纤温度传感器具有抗电磁场干扰、工作频率宽、动态范围大等特点, 能够连续不间断地测量光纤沿线各点的温度, 适用于需要大范围多点测量的应用场合, 并可以获得较高的测量精度。同时, 由于这种光纤传感技术采用的是普通光纤, 工程造价成本较低、耐腐蚀性较强, 所以, 在煤矿开采、石油勘探等工作环境较为恶劣、监控距离较长的施工环境中, 具有广泛的应用前景。

1 分布式光纤温度传感系统的原理

光纤中的Raman散射理论的研究为分布式光纤温度传感器奠定了传感的理论基础, 对传感器系统光源的选用、传感光纤的选取和信号处理系统的设计也都起着非常重要的作用。

1.1 光时域反射技术

光时域反射技术经常用于光学通信领域中评价光纤、光缆和耦合器的性能。

光时域反射计一般包括激光光源、连接被测光纤的耦合器、光学接收器、数据采集、信号处理、测量控制和结果显示部分。它的工作原理和雷达的工作原理相似:当一束窄的光脉冲通过定向耦合器进入光纤中, 由于光纤中存在折射率的微光不均匀性, 因此在光脉冲的传播过程中会连续产生瑞利背向散射, 背向散射回到入射端所需的时间相应于光脉冲在光纤中所走的距离为:

式中c是真空中的光速, n是折射率, f是采样频率。

由此式可以知道, 在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向散射光。所以说用OTDR技术可以确定光纤处的损耗、光纤故障点、断点位置, 对测量点进行定位。

1.2 分布式光纤温度传感系统的结构与解调原理

分布式Anti-Stokes Raman与Rayleigh背向散射比型光纤传感系统结构如图1所示。

该系统包括光学部分、信号采集和处理部分。光学部分由脉冲驱动电源、光纤定向耦合器、传感光纤、光学分光器件等组成。信号处理部分由光电检测、信号放大、数据采集等组成。

Anti-Stokes Raman与Rayleigh背向散射比的解调方法是采用光纤的Rayleigh散射OTDR曲线来解调Anti-Stokes Raman的OTDR曲线。

Anti-Stokes Raman散射与Rayleigh散射光子数的比值为:

设0T为已知的起始温度, 而通常情况下, Ra yleigh散射的温度效应较弱, 与Ram an背向散射的温度效应相比可忽略, 即φR (T=) φR (T0) 则

由式 (2) 对温度求偏微商, 得到相对温度灵敏度为

在实际测量时, 式 (3) 中与光子数比值相应的信号电平的比值在实验中可测到, 起始温度为己知, 则从式 (2) 可确定光纤上各点的温度。定位的方法就是用测到得各个点的值来模拟一条曲线, 用这条曲线来解调出所测得温度。与传统方法相比, 该方法提高了系统的相对温度灵敏度, 也提高了系统的测温精度, 扩展了系统的功能, 降低了系统的成本。与Anti-Stokes背向散射解调方法相比, 有相同的相对温度灵敏度, 且系统的稳定性和可靠性好。作为一种双通道测量方法, 比较实用。

2 系统设计与测试结果

针对煤矿井下的特殊情况, 可以设计如下的现场设备安装系统图, 如图2所示。

在安装的过程中, 我们将分布式光线传感检测设备放到被测点, 对被测点实施实时测量。光路部分采用脉冲激光发生器, 它能产生间隔为12.2ns的1320nm波长的脉冲光。通过1个光耦合器分离反射回来的散射光, 其中反射回来的Raman散射光被光电二极管检测到。反射信号被放大和调制后, 通过高速的A/D转换, 送到计算机采样处理。因为Raman散射光与温度相关, 所以可以通过电压的变化, 求得温度的变化。

测量传感系统的温度解析度为1℃, 空间解析度为1.5M;扫频光源的输出功率为3MW, 大于Raman散射2.45W的功率要求。测试结果如图3所示, 在加热区, 测量温度出现明显的变化, 该变化与人工测试结果基本吻合。

3 结论分析

本方案采用分布式光纤温度传感系统对煤矿井下温度进行测量, 获取并分析了相关的参数。该方案最大的优势就是采用一套检测装置对光纤所能到达的所有地方的温度进行测量, 光纤本身被作为传感器使用。该测温系统与传统的热电耦测温模式相比, 具有系统简单、投资成本低、易于现场施工等特点, 由于光纤本身具有本质安全防爆、抗电磁干扰、耐腐蚀等特性, 所以适宜在煤炭行业推广应用。

摘要：本文利用光纤温度传感器来实现对煤矿井下温度的智能测量, 着重讨论了光纤温度传感器的原理、特点以及它的使用方法。通过获取测量中的温度参数并与实测的数值进行比较, 检验了基于分布式温度测量系统在生产现场的可行性。

关键词：光纤温度传感器,煤矿,温度测量

参考文献

[1] 李芙玲, 郭红.煤矿井下智能温度测量系统的研究[J].煤矿机械, 2007, 28 (8) :97～99.

[2] 徐健, 马宾.分布式光纤温度传感系统在煤矿冻结表土段温度测量中的应用[J].工矿自动化, 2007, 4.

[3] 王慧文, 江先进, 赵长明, 等.光纤传感技术与应用[M].北京:国防工业出版社, 2001.

[4] 张良瑞.在红点区域的红外测温中光纤传感器的应用[J].陕西科技大学学报, 2003.

[5] 付建伟, 肖立志, 张元中.油气井永久性光纤传感器的应用及其进展[J].地球物理学进展, 2004.