摘 要：溫度是影響采礦安全的一個(gè)重要因素，礦井中的瓦斯如遇明火易發(fā)生爆炸，直接關(guān)系著井下煤礦工人的生命健康安全，故對(duì)于礦井中環(huán)境溫度的監(jiān)測(cè)是十分必要的。常用測(cè)溫儀器主要分為紅外測(cè)溫儀器、電子測(cè)溫儀器以及新興的光纖測(cè)溫儀器。在礦井中，因開采的需要，設(shè)備種類復(fù)雜多樣，各種電磁信號(hào)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾；井下通風(fēng)有限，水汽濕重，一些金屬儀器很容易被生銹腐蝕。而光纖測(cè)溫儀器有優(yōu)良的抗干擾、耐腐蝕、反應(yīng)靈敏等特性，在礦井之中有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光纖光柵；煤礦安全；溫度監(jiān)測(cè)；光纖傳感器

中圖分類號(hào)：TN253 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）13-0171-05

Research on Mining FBG Temperature Sensing System

MA Zhongtian， REN Dong

（School of Electronics and Information Engineering， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin 150022， China）

Abstract： Temperature is an important factor affecting the mining safety. The gas in the mine is prone to explosion if there is an open fire， which is directly related to the life， health and safety of the underground coal miners. Therefore， it is necessary to monitor the environmental temperature in the mines. The commonly used temperature thermometers are mainly divided into infrared thermometer， electronic thermometer and the newly optical fiber thermometer. In the mine， due to the need of mining， the equipment type is complex and diverse， and various electromagnetic signals will produce strong electromagnetic interference. The underground ventilation is limited， water vapor is very wet， and some metal instruments are easy to be rusty and corroded. The optical fiber thermometer has excellent anti-interference， corrosion resistance， sensitive response and other characteristics， which has a good application prospect in the mine.

Keywords： FBG; mining safety; temperature monitoring; optical fiber sensor

0 引 言

光纖最早由華人科學(xué)家高錕先生發(fā)明，高錕先生在1966年發(fā)表了一篇題名為《光頻率介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》[1]的文章，文章中創(chuàng)新性地提出了光纖傳輸理論，論證了其可行性，并對(duì)光纖的制造做出了設(shè)計(jì)。由于高錕先生對(duì)于光纖通信領(lǐng)域做出了杰出的貢獻(xiàn)，2009年被授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。光纖光柵最早是被用來研究光波導(dǎo)材料的光敏特性的，加拿大科學(xué)家Hill等在研究摻鍺光纖光敏性的實(shí)驗(yàn)[2]中，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種光纖光柵的模塊。光在通過光纖光柵后，其頻率成分會(huì)發(fā)生變化，用成分變化來反應(yīng)材料的光敏特性。而這種可以靈敏地反映外界因素變化的特性在工程領(lǐng)域很有應(yīng)用價(jià)值。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

光纖光柵技術(shù)經(jīng)過40多年的發(fā)展，已取得了許多重大成就，從理論研究到初步應(yīng)用探索，再到廣泛實(shí)際應(yīng)用，光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)逐漸突顯出來，近些年來的一些科學(xué)研究也都相關(guān)于一些較為深入的實(shí)際應(yīng)用。2014年，Duraibabu團(tuán)隊(duì)將光纖光柵傳感器安裝于水下機(jī)器裝備中，用來檢測(cè)海洋中海水的壓力和溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[3]。Chen等將光纖光柵溫度傳感器和壓力傳感器安裝在鐵路干線上集電弓上，收集集電弓的受力狀況，以及表層溫度，并探究了這些參數(shù)和流過集電弓電流之間的關(guān)系[4]。Massari等人利用光纖光柵器件設(shè)計(jì)出了一款可以靈敏地感知拉伸和溫度的變化觸覺感知機(jī)械手，用于輔助機(jī)器進(jìn)行學(xué)習(xí)，成品機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)將物品抓取，并判斷物品的尺寸大小、材質(zhì)等特性[5]。Presti等人用光纖光柵發(fā)明了一種柔性可穿戴設(shè)備心率監(jiān)測(cè)儀，通過綁扎的方式穿戴于人的胸前監(jiān)測(cè)人的呼吸和心跳，該發(fā)明突破了傳統(tǒng)電子設(shè)備限制，具有很強(qiáng)的抗干擾能力，測(cè)量十分精準(zhǔn)，很有臨床應(yīng)用前景[6]。MADAN等人通過改變光纖光柵包層的涂覆材料設(shè)計(jì)出了一款可用于碳鋼管的高溫測(cè)溫裝置，他們分別嘗試了化學(xué)耐高溫材料和黃金兩種材料，均取得了較好應(yīng)用效果，最高測(cè)溫可測(cè)500 ℃，靈敏度達(dá)28 pm/℃ [7-8]。

我們國(guó)家近年來在光纖光柵應(yīng)用領(lǐng)域勢(shì)頭十足，取得了豐碩的成果。北京交通大學(xué)的Liu等人使用光纖光柵溫度傳感器對(duì)高溫超導(dǎo)材料進(jìn)行了測(cè)溫研究，在77～293 K的溫度范圍內(nèi)，分別對(duì)裸光纖和使用金或銀作涂覆材料的光纖的溫度特性進(jìn)行了比較分析[9]。彭軍等人使用光纖光柵溫度傳感器來測(cè)量電池分立部件在使用時(shí)的溫度，根據(jù)這些溫度數(shù)據(jù)來監(jiān)測(cè)電池的安全狀態(tài)[10]。李五一等人設(shè)計(jì)了一種應(yīng)變解耦增敏式FBG溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)載荷譜飛行實(shí)測(cè)中溫度參數(shù)的精確測(cè)量[11]。武漢理工大學(xué)的王宇琦等人設(shè)計(jì)出了一種基于拉斯塔光纖光柵的準(zhǔn)分布溫鹽傳感器，該傳感器以一種精巧的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了溫度和鹽度的同時(shí)并實(shí)時(shí)的測(cè)量，并大幅度減小了兩種信號(hào)的相互干擾[12]。韓國(guó)慶將光纖光柵溫度傳感技術(shù)應(yīng)用于大型數(shù)據(jù)中心溫控監(jiān)測(cè)中，大大提升了溫度監(jiān)測(cè)的效率[13]。朱緒保等人研究并設(shè)計(jì)了一種新型的光纖光柵溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦中巖土溫度的監(jiān)測(cè)[14]。夏翔等人提出了一種基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法的光纖光柵傳感器波長(zhǎng)峰值檢測(cè)方法，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到了光纖光柵解調(diào)技術(shù)中[15]。光纖光柵器件目前正處于應(yīng)用的熱潮中，各種新式發(fā)明將不斷涌現(xiàn)。

2 光纖光柵測(cè)溫原理

2.1 光纖原理

1）折射定律。如圖1所示，光線穿過一種介質(zhì)n1進(jìn)入到另一種介質(zhì)n2中時(shí)，在兩介質(zhì)的交界面處產(chǎn)生折射現(xiàn)象。若入射角為θin，折射角為θout，則四者之間的關(guān)系滿足斯涅爾定律：

式中介質(zhì)n1與n2均為常數(shù)，設(shè)一常數(shù)C = n2 / n1，故有：

當(dāng)C＜1時(shí)，即光線從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)中時(shí)，θin有最大值，最大值θc = arc sin C。

2）全反射現(xiàn)象。當(dāng)光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，隨著入射角的增大，折射角也在增大，至90°時(shí)，若繼續(xù)增加入射角，光線將不再發(fā)生折射，而全部反射回原介質(zhì)中。該現(xiàn)象稱為全反射，入射角的最大值θc稱為臨界角。

3）光纖傳輸。光線以一定角度輸入纖芯，傳至纖芯和包層的交界面上時(shí)，若光線的入射角大于臨界角θc，發(fā)生全反射，在一次又一次的全反射中，信號(hào)實(shí)現(xiàn)了在光纖中的傳輸，例如圖2中光線③所示。

2.2 光纖光柵原理

在一條標(biāo)準(zhǔn)的光纖中，纖芯為分布均勻石英材料，其折射率處處相等，是一個(gè)固定的常數(shù)。但是通過一些物理的手段（如紫外線照射等），可以改變石英材料的折射率。利用這些方法，在一條標(biāo)準(zhǔn)的光纖上等距地刻上幾個(gè)不同于整體折射率的細(xì)長(zhǎng)條，形成的柵狀結(jié)構(gòu)便是光柵，相鄰的細(xì)長(zhǎng)條間的距離是光柵的周期Λ。光線在傳輸過程中，光柵會(huì)將一定頻率成分的光線濾除反射回去，而溫度會(huì)影響到具體濾除的光線的頻率成分。

1）光柵回波定理。如圖3所示，光線在穿過周期為Λ的光柵時(shí)，其部分頻率成分在經(jīng)過該結(jié)構(gòu)后被反射回去，反射回去的光線稱為回波，剩余頻率成分光線穿過光柵后繼續(xù)向前傳播?；夭úㄩL(zhǎng)λB滿足光柵回波定理：

λB = 2neff Λ （3）

neff為光纖纖芯有效折射率。Λ為光柵的周期。

2）光纖光柵測(cè)溫原理。當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，回波的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生偏移。影響該過程的因素主要有兩個(gè)，分別為光纖的熱光系數(shù)ξ和熱膨脹系數(shù)α，在溫度變化過程中，波長(zhǎng)偏移量ΔλB滿足：

ΔλB = λB （ξ + α）ΔT （4）

3 煤礦溫度傳感器特性指標(biāo)

3.1 煤的自燃

在煤礦開采作業(yè)過程中，煤的自燃是一個(gè)重大的安全隱患，直接關(guān)系著采礦工人的生命健康安全。因此對(duì)于煤自燃機(jī)理的研究以及基于自燃機(jī)理而研究的發(fā)火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究工作是十分必要的?；\統(tǒng)上劃分，煤的自燃過程主要分為三個(gè)階段：潛伏期、自熱期和燃燒期。

潛伏期里煤的氧化十分緩慢，熱量變化不明顯，不適合溫度監(jiān)測(cè)的建設(shè)。煤經(jīng)過準(zhǔn)備期的熱量積聚以及其他燃燒所需條件準(zhǔn)備，一旦自身溫度超過自熱的臨界溫度，煤溫將急劇上升直至達(dá)到著火點(diǎn)進(jìn)入到燃燒階段。煤的臨界溫度一般在60～80 ℃的范圍內(nèi)，是煤自燃的一個(gè)關(guān)鍵溫度，控制好該溫度可以大大降低于煤的自燃起火風(fēng)險(xiǎn)。煤在達(dá)到著火點(diǎn)后發(fā)火，開始燃燒進(jìn)入燃燒期。

一個(gè)煤自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)建應(yīng)構(gòu)建在臨界溫度附近，即保證煤溫在60～80 ℃的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。達(dá)到臨界溫度，迅速預(yù)警，對(duì)于溫度方面可以采取相關(guān)降溫措施，溫度下至臨界溫度以下，起火便基本被控制了。相較之下自熱期的監(jiān)測(cè)控制更加高效，只需在60～80 ℃的范圍內(nèi)降低溫度，而且也易于實(shí)現(xiàn)；一旦進(jìn)入燃燒期，一般煤炭的著火點(diǎn)都高于300 ℃，不僅火勢(shì)難以控制極大威脅到工人的生命安全，而且后期滅火成本的投入，煤的損失都要遠(yuǎn)高于自熱期的控制。

因此如果要使用光纖光柵傳感器進(jìn)行自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警，60～80 ℃必須在其量程范圍之內(nèi)，而且要達(dá)到精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的要求。

3.2 礦區(qū)作業(yè)溫度監(jiān)測(cè)要求

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行煤炭行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，礦區(qū)的工作溫度在-5～40 ℃之間，所用溫度傳感器測(cè)量范圍為-20～60 ℃，顯示和輸出的誤差要控制在±2.5%以內(nèi)。溫度傳感器在水中響應(yīng)時(shí)間要小于10 s。在朱緒保等人研究的礦用材料模型光纖光柵溫度傳感器中[14]，其升/降溫響應(yīng)時(shí)間達(dá)到1.7 s/℃左右，測(cè)量范圍為15～50 ℃，靈敏度達(dá)6.996 pm/℃。

4 光纖光柵溫度傳感器系統(tǒng)

4.1 光纖光柵傳感器系統(tǒng)

光纖光柵傳感器系統(tǒng)可分為三個(gè)部分：光纖光柵傳感器、傳輸光纖、光柵解調(diào)器，如圖4所示。光纖光柵傳感器可以感知到外界環(huán)境的微弱變化并產(chǎn)生靈敏的響應(yīng)，具體表現(xiàn)為光信號(hào)頻率成分的改變。傳輸光纖為光信號(hào)的傳遞提供媒介，可以將不同的光纖光柵傳感器產(chǎn)生的光信號(hào)匯集整合，傳輸至所需的終端上。光纖光柵解調(diào)器可以對(duì)收到的光信號(hào)進(jìn)行讀取，將傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，顯示為數(shù)字的信號(hào)。完整流程就是變化的光信號(hào)首先光纖光柵傳感器感知外界因素的變化產(chǎn)生變化的光信號(hào)，該光信號(hào)通過傳輸光纖進(jìn)行傳輸，最后在終端使用光柵解調(diào)器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為可讀的信息供分析使用。

4.2 光纖光柵溫度傳感器實(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹Ｒ粋€(gè)溫度傳感的設(shè)計(jì)通常需要變化的物理量與溫度呈較好的線性關(guān)系，只有這樣才能保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，根據(jù)理論分析中式（4）所得，光纖光柵波長(zhǎng)偏移量與溫度呈線性的關(guān)系，為了驗(yàn)證這種線性關(guān)系和探究光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)并進(jìn)行了如下的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)。

2）實(shí)驗(yàn)器材。光纖光柵傳感器、可控溫水浴鍋、光纖光柵解調(diào)器（以及數(shù)據(jù)處理軟件MATLAB）。

3）參數(shù)說明及理論計(jì)算。圖5示為實(shí)驗(yàn)使用的光纖光柵，其中心波長(zhǎng)為λB = 1 549.99 nm，它的材質(zhì)為通用的石英光纖SMF-28，查閱其相關(guān)數(shù)據(jù)[16]計(jì)算后得到式（4）中熱光系數(shù)為ξ = 6.25×10-6 ℃-1，熱膨脹系數(shù)為α = 0.5×10-6 ℃-1。

對(duì)理論分析中式（4）做如下變換：

帶入數(shù)據(jù)得理論值：

4）實(shí)驗(yàn)流程。如圖6可調(diào)節(jié)溫度的水浴鍋，光纖光柵溫度傳感器置于鍋中，用光纖耦合器將光纖光柵溫度傳感器接入光纖光柵解調(diào)器上形成閉合光路，光纖光柵解調(diào)器的數(shù)據(jù)接口接入終端。整個(gè)實(shí)驗(yàn)完整裝置如圖7所示。

先在水浴鍋中加入常溫冷水，設(shè)定初始溫度為24 ℃，接通電源，待水浴鍋溫度穩(wěn)定后，使用光纖光柵解調(diào)器采集反射回的信號(hào)解調(diào)最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至終端，在終端開始采集數(shù)據(jù)，保存記錄24 ℃的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采集完畢后重新設(shè)定水浴鍋溫度，將溫度提升0.5 ℃即至24.5 ℃，同樣，待水浴鍋溫度穩(wěn)定后，采集記錄該溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。重復(fù)以上步驟，溫度每次提升0.5 ℃。

5）實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)通過這種水浴的方式模擬特定的溫度狀況，收集了在24～90 ℃溫度范圍內(nèi)，間隔為0.5 ℃下的光纖光柵實(shí)際波長(zhǎng)偏移量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)整合后，使用MATLAB軟件將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合后得到了如圖8所示的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在24～90 ℃范圍內(nèi)，波長(zhǎng)偏移量與溫度呈較好的線性關(guān)系，實(shí)驗(yàn)得出的曲線斜率為0.010 7與理論值0.010 5誤差很小，其可行性得以驗(yàn)證。對(duì)于煤的自燃監(jiān)測(cè)預(yù)警，該溫度傳感器完全適用，符合煤礦的監(jiān)測(cè)需求。對(duì)于作業(yè)區(qū)，還可以實(shí)現(xiàn)25～40 ℃溫度范圍的溫度監(jiān)測(cè)，而且其靈敏度為10.7 pm/℃，該靈敏度也符合礦用溫度監(jiān)測(cè)。

5 結(jié) 論

光纖光柵傳感器件，以其抗干擾能力強(qiáng)、精度高、反應(yīng)靈敏的特性，在礦井之中很有應(yīng)用前景，在傳感器設(shè)計(jì)方面，基于光柵光纖原理可以設(shè)計(jì)各種傳感器，來滿足礦井中的需求，本文列舉了其作為溫度傳感器的應(yīng)用場(chǎng)景。利用波長(zhǎng)偏移量與光纖拉伸變化的關(guān)系，還可制成各類的力學(xué)傳感器等。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，光纖光柵解調(diào)器發(fā)熱的現(xiàn)象影響解調(diào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。實(shí)際上只要所使用的裝置需要電源供給，發(fā)熱問題是無法避免的。尤其在面向礦井的大規(guī)模光纖光柵系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，解調(diào)系統(tǒng)的散熱問題直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，一個(gè)解調(diào)系統(tǒng)的供電穩(wěn)定和高效散熱是十分重要的，值得進(jìn)一步研究。

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作者簡(jiǎn)介：馬仲甜（1986—），女，漢族，黑龍江哈爾濱人，講師，博士，研究方向：空間光通信穩(wěn)定跟蹤技術(shù)；任棟（2001—），男，漢族，山西朔州人，本科，研究方向：電子通信技術(shù)。