專利名稱：一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種礦井報(bào)警系統(tǒng)，具體講是一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系 統(tǒng)，屬礦井報(bào)警技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
煤礦有兩種主要開采方式.一種是地下開采，一種是露天開采。對于埋藏較深的 煤炭，一般采用地下開采的方法，與露天開采相比其開采特殊的作業(yè)特點(diǎn)主要是作業(yè)環(huán)境 差，空間較??；地質(zhì)條件多變，經(jīng)常受到火、水、瓦斯、煤塵、頂板等災(zāi)害的威脅；生產(chǎn)工藝復(fù) 雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大等。我國是世界最大的產(chǎn)煤國，煤礦開采大多屬于地下開采，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年我國產(chǎn)煤 總量為十六億六千萬噸，占全球的33. 2%，但是礦難死亡人數(shù)高達(dá)6027人，占全世界礦難 死亡總?cè)藬?shù)的80%，加重了我國在國際上的負(fù)面形象事故的發(fā)生是不可避免的，所以事故 的預(yù)測和發(fā)生事故后的應(yīng)急救援工作對于盡可能減少事故的發(fā)生和事故造成的人員傷亡 和財(cái)產(chǎn)損失極為重要。此前國內(nèi)遇到災(zāi)害發(fā)生只是憑經(jīng)驗(yàn)實(shí)施井下救援。近幾年，國內(nèi)也有很多的學(xué)者 和專家致力于應(yīng)急救援的研究。例如(1)煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)，煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急輔助決策 系統(tǒng)是以大量應(yīng)急信息為主要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以應(yīng)急信息管理和災(zāi)害評估為主要功能。煤礦瓦 斯爆炸事故應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)選擇B/S模式，主要的命令執(zhí)行、數(shù)據(jù)計(jì)算都在服務(wù)器端完 成，應(yīng)用程序安裝在服務(wù)器端，客戶端不用安裝應(yīng)用程序，所有的日常操作可通過瀏覽器來 完成。系統(tǒng)由兩個(gè)主要功能模塊構(gòu)成，即應(yīng)急信息管理模塊和災(zāi)害評估模塊。該系統(tǒng)，對提 高煤礦瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援水平具有重要作用。采用計(jì)算機(jī)評估瓦斯爆炸事故，可以有 效避免指揮人員的錯(cuò)誤決策，使瓦斯爆炸事故應(yīng)急救援決策科學(xué)化。通過計(jì)算機(jī)來管理應(yīng) 急信息和評估事故災(zāi)害，可以大量減少應(yīng)急人員的勞動(dòng)量，有助于提高應(yīng)急救援的工作效 率。事故應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)能夠縮短事故應(yīng)急救援決策的響應(yīng)時(shí)間，提高事故應(yīng)急救援的 有效性和可靠性，能夠最大程度降低事故損失，從而使該系統(tǒng)具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。(2)我國已采用互聯(lián)網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(WrebGIS)技術(shù)開發(fā)出基于瀏覽器的數(shù)字地 圖搶險(xiǎn)救援預(yù)案編制技術(shù)。該項(xiàng)研究解決了網(wǎng)絡(luò)數(shù)字地圖制作難題，能夠直接在屏幕數(shù)字 電子地圖上編制生成搶險(xiǎn)救援圖層，救援圖層可通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)搶險(xiǎn)救災(zāi)調(diào) 度圖形化管理，為建立網(wǎng)絡(luò)化搶險(xiǎn)救災(zāi)調(diào)度指揮系統(tǒng)提供了核心技術(shù)支持。目前國外的煤礦救援系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面1)含有通信模塊的救援頭罩包括呼吸裝置、防毒裝置和通信裝置。2)各種傳感器感知地震信號(hào)、火光報(bào)警、井下的溫度、濕度以及各種氣體的濃度 等，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳給指揮中心。3)救援鉆探技術(shù)雙鉆頭作業(yè)，先打一個(gè)探測通道使得探測儀器和緊急救生物品 到達(dá)事故地層，再打一條救援通道，把受困礦工救出來。
4)井下避難所井下的堅(jiān)固防護(hù)區(qū)，離工人工作地點(diǎn)相距90 125碼，內(nèi)有緊急 救生物品和通信裝置。一旦發(fā)生事故，工人可躲避其中，等待救援。5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煤礦安全工程中的發(fā)展與應(yīng)用。具體來說，美國礦山井下救援 設(shè)備和技術(shù)有①快速部署系統(tǒng)例如，用于探測地下巖層運(yùn)動(dòng)的地震感測系統(tǒng)和用于探測井下 被困礦工發(fā)出的信號(hào)的電磁感測系統(tǒng)。這些系統(tǒng)有的采用了先進(jìn)科技，有的還處于研發(fā)階 段。②呼吸器美國礦山救護(hù)隊(duì)目前使用Draeger和Biomarine呼吸器。③自給式自救器按礦山安全健康局規(guī)定給礦工提供1小時(shí)的氧氣，供井下緊急 逃生之用。目前，自給式自救器依靠兩種技術(shù)，一種利用化學(xué)反應(yīng)制氧，另一種則使用壓縮氧氣。④通訊設(shè)備現(xiàn)有系統(tǒng)包括礦用手持無線報(bào)話機(jī)、采用細(xì)電纜傳導(dǎo)信號(hào)一的手持 無線報(bào)話機(jī)、傳呼機(jī)、聲能電話、泄漏饋線系統(tǒng)，以及利用井下已有電纜作為無線信號(hào)載體 的感應(yīng)耦合無線通訊系統(tǒng)等等。由作者何敏、吳煒、徐偉所寫的“分子機(jī)器在礦井救援通信 應(yīng)用探討”一文[見 < 科技信息 > 〇科教視野〇2007年第19期第31頁]公開的技術(shù)即 屬于此列。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足和缺陷，本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵傳感的礦 井報(bào)警系統(tǒng)，以準(zhǔn)確的得知被困礦井下工人的具體位置，并及時(shí)爭取救援時(shí)間。本發(fā)明的技術(shù)方案是按以下方式實(shí)現(xiàn)的一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系統(tǒng)，包括980nm泵浦源、WDM、鉺纖、隔離器、 1*2耦合器、光開關(guān)、光纖光柵和波長解調(diào)儀，其特征在于980nm泵浦源通過普通光纖連接 WDM的980nm輸入端，WDM的980nm和1550nm的混合輸出端連接鉺纖的輸入端，這樣980nm 的光就通過WDM和鉺纖輸出了 1550nm的光；鉺纖的輸出端連接隔離器的輸入端，隔離器的 輸出端經(jīng)普通光纖連接到1*2耦合器的輸入端，1*2耦合器的一個(gè)輸出端經(jīng)普通光纖連接 到光開關(guān)；光開關(guān)包括4-8個(gè)輸出端，其中每個(gè)輸出端連接18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵；1*2耦 合器的與輸入端同側(cè)的另一端經(jīng)普通光纖和波長解調(diào)儀相連接，使得從鉺纖輸出的1550nm 的光經(jīng)隔離器、1*2耦合器和光開關(guān)進(jìn)入每一路的18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵，又經(jīng)每一路串聯(lián) 的光纖光柵返回到光開關(guān)和1*2耦合器，然后進(jìn)入波長解調(diào)儀，由波長解調(diào)儀對返回的光 信號(hào)進(jìn)行識(shí)別判斷。所述的光纖光柵是用具有彈性的銅片封裝的長條形的銅片中間帶有溝槽，光纖 光柵平直的位于溝槽中并用M2Bond 610膠將其固定，封裝光纖光柵的銅片被置于塑料盒 內(nèi)，塑料盒上帶有按鈕，按鈕下面和銅片相貼合，按下按鈕時(shí)銅片連同光纖光柵就會(huì)發(fā)生應(yīng)變。上述每個(gè)光纖光柵都標(biāo)有號(hào)碼，并且每個(gè)光纖光柵都有自己確定的位置，各個(gè)光 纖光柵返回的光就通過光開關(guān)和1*2耦合器進(jìn)入波長解調(diào)儀并被記憶，光纖光柵發(fā)生應(yīng)變 可以改變反射的光的波長，當(dāng)?shù)V井下工人按下銅片封裝的光纖光柵時(shí)，光纖光柵發(fā)生應(yīng)變， 發(fā)射的光的波長會(huì)發(fā)生改變，發(fā)射的光通過波長解調(diào)儀的處理，會(huì)引起報(bào)警，通過報(bào)警光纖光柵的序號(hào)，得出礦井下工人的報(bào)警位置。本發(fā)明氣體檢測系統(tǒng)在使用時(shí)，將各個(gè)用銅片封裝的光纖光柵放在確定位置，每 個(gè)光纖光柵預(yù)先標(biāo)上號(hào)碼，并要把位置和序號(hào)都記錄下來，以至于光纖光柵報(bào)警的時(shí)候能 及時(shí)知道它的確切位置，進(jìn)而確定礦工的位置，為救援爭取時(shí)間。礦工按下銅片時(shí)，由于光 纖光柵發(fā)生形變，其反射回來的光的波長會(huì)發(fā)生改變，通過波長解調(diào)器的處理，會(huì)發(fā)生報(bào) 警，根據(jù)光纖光柵的位置進(jìn)而確定礦工的位置，以進(jìn)行救援。上述波長解調(diào)儀是通用的BaySpec解調(diào)儀。本發(fā)明的具體作用原理如下980泵浦源(1)發(fā)出980nm的光從WDM(2)的允許 980nm波段通過的一端進(jìn)入，從WDM(2)的允許980nm波段和1550nm波段通過的混合端輸 出，再經(jīng)過一段鉺纖(3)，從鉺纖(3)輸出的波長變?yōu)?550nm，從鉺纖(3)輸出后進(jìn)入隔離 器(4)，隔離器(4)與1*2耦合器(5)的輸入端相連，1*2耦合器(5)的一個(gè)輸出端連接光 開關(guān)(6)的輸入端，這樣光就通過隔離器(4)，1*2耦合器(5)和光開關(guān)(6)后被分成多路， 每一路與18個(gè)串聯(lián)且安有銅片的光線光柵相連，1*2耦合器(5)的與輸入端同向的另一 端連接波長解調(diào)儀(7)。Bragg光纖光柵(FBG)是最近幾年發(fā)展最為迅速的一種新型的光 纖無源器件，光纖光柵的反射或透射峰的波長與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯折射率有 關(guān)，而外界溫度或應(yīng)變的變化會(huì)影響光纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯折射率，從而引起 光纖光柵的反射或透射峰波長的變化。溫度和應(yīng)變是光纖光柵能夠直接傳感測量的兩個(gè)最 基本的物理量，它們構(gòu)成了其它各種物理量傳感的基礎(chǔ)，光纖光柵(FBG)是一種反射式光 纖濾波器件，通常采用紫外線干涉條紋照射一段10mm長的裸光纖，在纖芯產(chǎn)生折射率周期 調(diào)制，在布拉格波長上，在光波導(dǎo)內(nèi)傳播的前向?qū)?huì)耦合到后向放射模式，形成布拉格反 射。反射一個(gè)中心波長與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光，對于特定的空間折射率調(diào)
制周期A和纖芯有效折射率nrff，布拉格波長為、=2、A (1)A B為光柵的布拉格波長，neff為光柵的有效折射率(折射率調(diào)制幅度大小的平均 效應(yīng))，A為光柵條紋周期(折射率調(diào)制的空間周期)。由式(1)可以看出nrff與A的改變均會(huì)引起反射光波長的改變。而光纖光柵的 溫度和應(yīng)變會(huì)引起~ 與A的改變，礦井工人按下銅片，與銅片連接的光纖光柵會(huì)發(fā)生應(yīng) 變，會(huì)造成光纖光柵反射的波長發(fā)生改變，反射的光經(jīng)過光開關(guān)(6)和1*2耦合器(5)進(jìn)入 波長解調(diào)儀(7)，通過波長解調(diào)儀(7)的處理會(huì)引起報(bào)警，通過報(bào)警的光纖光柵的序號(hào)確定 光纖光柵的位置，進(jìn)而確定礦井工人的位置。本發(fā)明具有以下的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明通過光纖光柵進(jìn)行傳感，能抗輻射，抗腐蝕，不受 環(huán)境的影響，在高溫惡劣的環(huán)境也可以運(yùn)行，能方便的使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串 接多個(gè)光纖Bragg光柵，測量的點(diǎn)會(huì)比較多，傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，安裝起來比較方 便，精確度也比較高，比較靈敏，響應(yīng)時(shí)間比較短，能及時(shí)得到報(bào)警信號(hào)，爭取救援時(shí)間。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中1、980泵浦源，2、WDM，3、鉺纖，4、隔離器，5、1*2耦合器，6、光開關(guān)，7、波長解
調(diào)儀，8、普通光纖，9、普通光纖，10、普通光纖，11、普通光纖，12、光纖光柵。圖2是本發(fā)明系統(tǒng)中光纖光柵的銅片封裝示意圖。
其中13、銅片，14、溝槽，15、塑料盒，16、按鈕，17光纖，18、銅片固定底座。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例1 本發(fā)明實(shí)施例如系統(tǒng)圖1所示包括980nm泵浦源1、WDM2、鉺纖3、隔離器4、1*2 耦合器5、光開關(guān)6、光纖光柵12和波長解調(diào)儀7，其特征在于980nm泵浦源1通過普通光 纖8連接WDM2的980nm輸入端，WDM2的980nm和1550nm的混合輸出端連接鉺纖3的輸入 端，這樣980nm的光就通過WDM2和鉺纖3輸出了 1550nm的光；鉺纖3的輸出端連接隔離器 4的輸入端，隔離器4的輸出端經(jīng)普通光纖9連接到1*2耦合器5的輸入端，1*2耦合器5 的一個(gè)輸出端經(jīng)普通光纖10連接到光開關(guān)6 ；光開關(guān)6包括4個(gè)輸出端，其中每個(gè)輸出端 連接18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵12 ；1*2耦合器6的與輸入端同側(cè)的另一端經(jīng)普通光纖11和波 長解調(diào)儀7相連接，使得從鉺纖3輸出的1550nm的光經(jīng)隔離器4、1*2耦合器5和光開關(guān)6 進(jìn)入每一路的18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵12，又經(jīng)每一路串聯(lián)的光纖光柵12返回到光開關(guān)6和 1*2耦合器5，然后進(jìn)入波長解調(diào)儀7，由波長解調(diào)儀7對返回的光信號(hào)進(jìn)行識(shí)別判斷。所述的光纖光柵12是用具有彈性的銅片13封裝的長條形的銅片13中間帶有溝 槽14，光纖光柵12平直的位于溝槽14中并用M2Bond 610膠將其固定，封裝光纖光柵12的 銅片13被置于塑料盒15內(nèi)，并被固定在塑料盒15內(nèi)的銅片固定底座18上，塑料盒15上 帶有按鈕16，按鈕16下面和銅片13相貼合，按下按鈕16時(shí)銅片13連同光纖光柵12就會(huì) 發(fā)生應(yīng)變。實(shí)施例2 和實(shí)施例1相同，只是光開關(guān)6包括8個(gè)輸出端。
權(quán)利要求
1.一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系統(tǒng)，包括980nm泵浦源、WDM、鉺纖、隔離器、1*2 耦合器、光開關(guān)、光纖光柵和波長解調(diào)儀，其特征在于980nm泵浦源通過普通光纖連接WDM 的980nm輸入端，WDM的980nm和1550nm的混合輸出端連接鉺纖的輸入端，這樣980nm的 光就通過WDM和鉺纖輸出了 1550nm的光；鉺纖的輸出端連接隔離器的輸入端，隔離器的輸 出端經(jīng)普通光纖連接到1*2耦合器的輸入端，1*2耦合器的一個(gè)輸出端經(jīng)普通光纖連接到 光開關(guān)；光開關(guān)包括4-8個(gè)輸出端，其中每個(gè)輸出端連接18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵；1*2耦合器 的與輸入端同側(cè)的另一端經(jīng)普通光纖和波長解調(diào)儀相連接，使得從鉺纖輸出的1550nm的 光經(jīng)隔離器、1*2耦合器和光開關(guān)進(jìn)入每一路的18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵，又經(jīng)每一路串聯(lián)的 光纖光柵返回到光開關(guān)和1*2耦合器，然后進(jìn)入波長解調(diào)儀，由波長解調(diào)儀對返回的光信 號(hào)進(jìn)行識(shí)別判斷。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系統(tǒng)，其特征在于所述的光 纖光柵是用具有彈性的銅片封裝的長條形的銅片中間帶有溝槽，光纖光柵平直的位于溝 槽中并用M2Bond 610膠將其固定，封裝光纖光柵的銅片被置于塑料盒內(nèi)，塑料盒上帶有按 鈕，按鈕下面和銅片相貼合，按下按鈕時(shí)銅片連同光纖光柵就會(huì)發(fā)生應(yīng)變。
全文摘要
一種基于光纖光柵傳感的礦井報(bào)警系統(tǒng)，屬礦井報(bào)警技術(shù)領(lǐng)域。包括980nm泵浦源、光開關(guān)、光纖光柵等，980nm泵浦源連接WDM，WDM連接鉺纖；鉺纖連接隔離器，隔離器連接到1*2耦合器，1*2耦合器輸出端連接光開關(guān)，另一端和波長解調(diào)儀相連；光開關(guān)有4-8個(gè)輸出端，每個(gè)輸出端連接18個(gè)串聯(lián)的光纖光柵。每個(gè)光纖光柵由銅片封裝，都標(biāo)有號(hào)碼，并有自己的確定位置，當(dāng)按下封裝光纖光柵的銅片時(shí)，光纖光柵發(fā)生應(yīng)變，光波長改變引起報(bào)警，本發(fā)明具有抗輻射、抗腐蝕、抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，測量點(diǎn)多，傳感探頭結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，安裝起來比較方便，精確度也比較高，比較靈敏，響應(yīng)時(shí)間比較短，能及時(shí)得到報(bào)警信號(hào)，爭取救援時(shí)間。
文檔編號(hào)G02B6/293GK102003211SQ201010505328
公開日2011年4月6日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者常恒泰 申請人:常恒泰