專(zhuān)利名稱(chēng)：一種本質(zhì)安全的全光纖井下監(jiān)測(cè)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及礦井下的監(jiān)測(cè)設(shè)備，尤其涉及一種其井下部分不包含任何電子元器件、無(wú)需電能供應(yīng)因而本質(zhì)安全的全光纖井下監(jiān)測(cè)設(shè)備，可應(yīng)用于所有礦井，尤其是易燃易爆環(huán)境下礦井的安全生產(chǎn)和事故搶救領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)期以來(lái)，以煤礦為典型代表的地下礦井，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，經(jīng)常受到瓦斯、水、 火、煤塵、塌方等災(zāi)害的威脅，再加上技術(shù)裝備水平相對(duì)落后、職工隊(duì)伍素質(zhì)普遍不高、安全管理不足，導(dǎo)致各種事故頻發(fā)，對(duì)井下工作人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。如何有效監(jiān)測(cè)井下各種系統(tǒng)的正常運(yùn)作和環(huán)境中的危險(xiǎn)信息，以及礦難發(fā)生后進(jìn)行及時(shí)有效的救援，已成為礦井安全生產(chǎn)最重要的任務(wù)?，F(xiàn)有的井下監(jiān)測(cè)設(shè)備，無(wú)論是傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，還是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，均由電子元器件組成，其運(yùn)行需要電力供應(yīng)，這些電子元器件在井下惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行，不可避免的產(chǎn)生短路、電火花、局部發(fā)熱等現(xiàn)象，這樣的井下監(jiān)測(cè)設(shè)備本身就帶有先天的安全隱患，尤其是在瓦斯氣體濃度較高的區(qū)域，更具危險(xiǎn)性。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有井下監(jiān)測(cè)設(shè)備的上述缺陷，本實(shí)用新型的目的是提供一種其井下部分不包含任何電子元器件、無(wú)需電能供應(yīng)因而本質(zhì)安全的全光纖井下監(jiān)測(cè)設(shè)備。本實(shí)用新型為了解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是一種本質(zhì)安全的全光纖井下監(jiān)測(cè)設(shè)備，由監(jiān)測(cè)終端、傳輸光纜和全光纖傳感終端組成，監(jiān)測(cè)終端位于井上，全光纖傳感終端位于井下，傳輸光纜連接監(jiān)測(cè)終端和全光纖傳感終端，其特征在于所述全光纖傳感終端由光預(yù)處理模塊和傳感裸光纖組成，所述光預(yù)處理模塊由兩個(gè)光纖耦合器通過(guò)兩段光纖跳線(xiàn)并列連接而成，其中一段光纖跳線(xiàn)上連接有光纖延遲線(xiàn)，光預(yù)處理模塊一端連接至傳輸光纜，另一端連接傳感裸光纖，傳感裸光纖末端連接有一反射鏡。其特征在于所述監(jiān)測(cè)終端由光源模塊構(gòu)成輸出組件，光源模塊連接至傳輸光纜的輸入端，由檢測(cè)和放大模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊組成輸入組件， 傳輸光纜的輸出端連接檢測(cè)和放大模塊，檢測(cè)和放大模塊依次連接數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊。其特征在于，所述傳感裸光纖由纖芯、包層、涂覆層組成。將監(jiān)測(cè)終端放置在井上的監(jiān)測(cè)機(jī)房中；將傳輸光纜一端連接監(jiān)測(cè)終端，另一端進(jìn)入井下，在井下需要監(jiān)測(cè)的地點(diǎn)剝開(kāi)傳輸光纜，引出光纖，連接到全光纖傳感終端；在全光纖傳感終端中包含一段傳感裸光纖，根據(jù)所監(jiān)測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況，將傳感裸光纖盤(pán)繞成線(xiàn)圈后懸掛或附著在不易觸碰到的地點(diǎn)。本實(shí)用新型的工作機(jī)理是監(jiān)測(cè)終端通過(guò)傳輸光纜向全光纖傳感終端發(fā)射光信號(hào)；井下環(huán)境中產(chǎn)生的各種動(dòng)態(tài)信息，通過(guò)各種媒介，對(duì)傳感裸光纖形成擾動(dòng)，從而引起傳感裸光纖內(nèi)部光程的微小變化；全光纖傳感終端通過(guò)傳輸光纜，將這種光程變化的光信號(hào)回傳到監(jiān)測(cè)終端，在監(jiān)測(cè)終端內(nèi)部完成光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)采集、分析處理、顯示與報(bào)警等功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各種動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本實(shí)用新型中，所述的井下環(huán)境中產(chǎn)生的各種動(dòng)態(tài)信息，是指各種能夠使傳感裸光纖產(chǎn)生隨時(shí)間變化的微小幾何形變的信息，包括但不局限于井下人員說(shuō)話(huà)、走路、敲擊墻壁、地震波、水流等產(chǎn)生的聲波、振動(dòng)、沖擊波等。本實(shí)用新型中，所述的各種媒介，是指井下的空氣、土層、水等，通過(guò)這些媒介，能夠?qū)h(huán)境中的各種動(dòng)態(tài)信息傳遞到懸掛在空氣中、放置于水下、或者附著在墻壁上的傳感裸光纖。本實(shí)用新型中，所述的擾動(dòng)，是指?jìng)鞲新愎饫w產(chǎn)生的隨時(shí)間變化的微小幾何形變。與已有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1.本質(zhì)安全。本實(shí)用新型中在井下的部分全部由無(wú)源光纖器件組成，不具有引起危險(xiǎn)的物理基礎(chǔ)，在工作時(shí)無(wú)電流通過(guò)，不輻射電磁波，也不受電磁干擾，不會(huì)產(chǎn)生電火花、 漏電、短路、發(fā)熱等現(xiàn)象，可長(zhǎng)期工作在高密度的瓦斯氣體中而不具有危險(xiǎn)性。在要求極其嚴(yán)格的條件下，本系統(tǒng)在井下的部分還可做到不含任何金屬成分。2.綠色節(jié)能，低碳環(huán)保，尤其適用于大型礦井。本實(shí)用新型中僅在井上的監(jiān)測(cè)終端需要低功率的電能供應(yīng)，井下部分全部通過(guò)光纖器件傳輸光能，能量損耗極小，可在井下長(zhǎng)達(dá)數(shù)十公里的范圍內(nèi)無(wú)需外界能源供應(yīng)而長(zhǎng)期運(yùn)行。3.適用環(huán)境廣。本實(shí)用新型在井下的部分全部由無(wú)源光纖器件組成，可在潮濕、水下、高溫、腐蝕等各種惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。4.同時(shí)具有安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)和事故后輔助救援的功能。本實(shí)用新型在平時(shí)可對(duì)井下人員的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在透水、塌方等事故后，即使全光纖傳感終端被掩埋，井下人員仍然可以通過(guò)敲打土石等方式向井上的監(jiān)測(cè)終端單向傳遞信息。5.和光通信系統(tǒng)相結(jié)合。本實(shí)用新型中可通過(guò)共用傳輸光纜部分，和井下的各種基于光纜通信的其他系統(tǒng)復(fù)合適用。

圖1是本實(shí)用新型的系統(tǒng)簡(jiǎn)圖；圖2是本實(shí)用新型中監(jiān)測(cè)終端的結(jié)構(gòu)示意圖，其中實(shí)體箭頭為光路方向，中空箭頭為電路方向；圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的全光纖傳感終端的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，10.監(jiān)測(cè)終端，20.傳輸光纜，30.全光纖傳感終端，11.光源模塊，12.檢測(cè)和放大模塊，13.數(shù)據(jù)采集模塊，14.數(shù)據(jù)處理模塊，15.顯示模塊，31.光預(yù)處理模塊，32.傳感裸光纖，33.反射鏡，311. 2X2光纖耦合器，312. 2X2光纖耦合器，313.光纖延遲線(xiàn)，314. 光纖跳線(xiàn)，315.光纖跳線(xiàn)。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。一種本質(zhì)安全的全光纖井下監(jiān)測(cè)設(shè)備，由監(jiān)測(cè)終端、傳輸光纜和全光纖傳感終端組成，監(jiān)測(cè)終端位于井上，全光纖傳感終端位于井下，傳輸光纜連接監(jiān)測(cè)終端和全光纖傳感終端，其特征在于所述全光纖傳感終端由光預(yù)處理模塊和傳感裸光纖組成，所述光預(yù)處理模塊由兩個(gè)光纖耦合器通過(guò)兩段光纖跳線(xiàn)并列連接而成，其中一段光纖跳線(xiàn)上連接有光纖延遲線(xiàn)，光預(yù)處理模塊一端連接至傳輸光纜，另一端連接傳感裸光纖，傳感裸光纖末端連接有一反射鏡。其特征在于所述監(jiān)測(cè)終端由光源模塊構(gòu)成輸出組件，光源模塊連接至傳輸光纜的輸入端，由檢測(cè)和放大模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊組成輸入組件， 傳輸光纜的輸出端連接檢測(cè)和放大模塊，檢測(cè)和放大模塊依次連接數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊。其特征在于，所述傳感裸光纖由纖芯、包層、涂覆層組成。如圖1所示，所述本質(zhì)安全的全光纖井下監(jiān)測(cè)設(shè)備由監(jiān)測(cè)終端10、傳輸光纜20和全光纖傳感終端30三部分組成，其中，監(jiān)測(cè)終端10位于井上，全光纖傳感終端30位于井下，傳輸光纜20連接監(jiān)測(cè)終端10和全光纖傳感終端30，位于井下的全光纖傳感終端30無(wú)需電力供應(yīng)。實(shí)施例結(jié)合圖2和圖3，本實(shí)施例包括監(jiān)測(cè)終端10、傳輸光纜20、全光纖傳感終端30，傳輸光纜20兩端分別連接監(jiān)測(cè)終端10和全光纖傳感終端30。監(jiān)測(cè)終端10如圖2所示，其中包括光源模塊11、檢測(cè)和放大模塊12、數(shù)據(jù)采集模塊13、數(shù)據(jù)處理模塊14、顯示模塊15 ；全光纖傳感終端30如圖3，其中包括光預(yù)處理模塊31、傳感裸光纖32、反射鏡33 ；光預(yù)處理模塊31中包括2 X 2光纖耦合器311、2 X 2光纖耦合器312、光纖延遲線(xiàn)313、光纖跳線(xiàn)314、光纖跳線(xiàn)315，其中光纖跳線(xiàn)314、315連接2X2光纖耦合器311和2X2光纖耦合器312，光纖延遲線(xiàn)313制作在光纖跳線(xiàn)314上。應(yīng)用本實(shí)用新型時(shí)，將監(jiān)測(cè)終端10放置于井上的安全監(jiān)控中心，由電力供應(yīng)，傳輸光纜20 —端連接井上的監(jiān)測(cè)終端10，另一端深入井下，并根據(jù)井下的具體情況進(jìn)行分支。在井下需要監(jiān)測(cè)的地點(diǎn)，將傳輸光纜20剝開(kāi)，弓I出兩芯光纖(分別發(fā)射和接受光信號(hào))， 接入全光纖傳感終端30。本實(shí)施例的光路特征是寬光譜的光源模塊11發(fā)出的連續(xù)光波，通過(guò)傳輸光纜20 進(jìn)入全光纖傳感終端30中。在全光纖傳感終端30中，光能量被2 X 2光纖耦合器311分為 2個(gè)光分量，其中進(jìn)入跳線(xiàn)315的光分量直接進(jìn)入2 X 2光纖耦合器312中；進(jìn)入跳線(xiàn)314的光分量經(jīng)過(guò)光纖延遲線(xiàn)313，產(chǎn)生了延時(shí)τ后，再進(jìn)入2X2光纖耦合器312 ；跳線(xiàn)314、315 中的兩個(gè)光分量在2X2光纖耦合器312中合并后進(jìn)入傳感裸光纖32，因此，在傳感裸光纖 32內(nèi)部傳播的是兩個(gè)具有時(shí)間差τ的光分量，這兩個(gè)光分量經(jīng)過(guò)一定距離的向前傳播后， 遇到傳感裸光纖32末端的反射鏡33，被反射后沿傳感裸光纖32原路向后傳播，至2X2光纖耦合器312后，原來(lái)具有時(shí)間差τ的兩個(gè)光分量被再次分光后分別通過(guò)具有光纖延遲線(xiàn) 313的跳線(xiàn)314和沒(méi)有延時(shí)的跳線(xiàn)315，并進(jìn)入2 X 2光纖耦合器311中合并，合并后進(jìn)入傳輸光纜20，并通過(guò)傳輸光纜20回到監(jiān)測(cè)終端10中。光預(yù)處理模塊31在本實(shí)施例中起到分離傳感系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)的作用。光預(yù)處理模塊31 —端連接的傳感裸光纖32，能夠感知周?chē)h(huán)境中的動(dòng)態(tài)信息，起到傳感的作用；當(dāng)光分量往返兩次通過(guò)光預(yù)處理模塊31時(shí)，經(jīng)過(guò)分束、合束、延遲等光學(xué)預(yù)處理作用，之后再回到光預(yù)處理模塊31另一端的傳輸光纜20，此時(shí)傳輸光纜20僅僅起到傳輸光信號(hào)的作用， 其內(nèi)部的光信號(hào)不再受周?chē)h(huán)境中各種動(dòng)態(tài)信息的影響。[0031]在全光纖傳感終端30中一共產(chǎn)生如下的4個(gè)光分量(a)向前傳播時(shí)具有延時(shí) τ，向后返回時(shí)沒(méi)有延時(shí)；(b)向前傳播時(shí)沒(méi)有延時(shí)，向后返回時(shí)具有延時(shí)τ ； (c)向前傳播和向后返回都沒(méi)有延時(shí)；(d)向前傳播和向后返回都具有延時(shí)τ。因?yàn)楣庠茨K11采用寬光譜光源，使得光波的相干長(zhǎng)度小于光纖延遲線(xiàn)313的長(zhǎng)度，因次，上述4個(gè)光分量中，只有光分量(a)和(b)滿(mǎn)足相干條件，產(chǎn)生干涉后的光波進(jìn)入檢測(cè)與放大模塊12，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)后依次進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊13、數(shù)據(jù)處理模塊14、和顯示模塊15中。本實(shí)施例的工作機(jī)理如下全光纖傳感終端30周?chē)h(huán)境中的各種動(dòng)態(tài)信息，可看作是對(duì)傳感裸光纖32的擾動(dòng)，從而對(duì)傳感裸光纖32中傳播光的光程進(jìn)行調(diào)制。例如，聲波在空氣中的傳播將引起空氣環(huán)境聲壓改變，聲壓改變將引起作為彈性體的裸光纖的幾何形狀的微小變化；又如，在墻壁中傳播的機(jī)械波，也會(huì)引起附著在其上的裸光纖幾何形狀的變化。根據(jù)光纖的彈光效應(yīng)， 這些擾動(dòng)將導(dǎo)致光纖長(zhǎng)度和折射率的微小變化，從而使得光纖內(nèi)部傳輸?shù)墓猓诮?jīng)過(guò)傳感裸光纖32的時(shí)候走過(guò)的光程隨時(shí)間而變化。在周?chē)h(huán)境沒(méi)有對(duì)傳感裸光纖32產(chǎn)生擾動(dòng)的情況下，光分量(a)和(b)在經(jīng)過(guò)傳感裸光纖32后，走過(guò)的光程完全相同。當(dāng)有擾動(dòng)產(chǎn)生的時(shí)候，定義這種由于外界擾動(dòng)形成的光程變化量為L(zhǎng)(t)，則L(t) 與擾動(dòng)成正比關(guān)系。光分量(a)和(b)在經(jīng)過(guò)傳感裸光纖32時(shí)具有時(shí)間差τ，所形成的光程差為L(zhǎng)(t+ x)-L(t)。根據(jù)全光纖干涉系統(tǒng)的工作原理，這個(gè)光程差的變化在干涉系統(tǒng)中
形成的干涉相位可表示為
λ W (1)其中，i；⑷表示擾動(dòng)引起的光程變化率，與光纖的彈光特性有關(guān)，λ為光的
dt
波長(zhǎng)，τ為光纖延遲線(xiàn)313引起的時(shí)間延遲。濾除掉直流成分后，最終在監(jiān)測(cè)終端10中探
測(cè)到的對(duì)應(yīng)光信號(hào)分量為
l{t) = I0 cos[^(i)](2)根據(jù)式⑴和式⑵可求得反映擾動(dòng)速率的物理量L' (t)，通過(guò)積分運(yùn)算，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)全光纖傳感終端30周?chē)h(huán)境中動(dòng)態(tài)信息的真實(shí)還原。在監(jiān)測(cè)終端10中，返回的光信號(hào)首先進(jìn)入檢測(cè)與放大模塊12，對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、低噪聲放大、高通濾波等處理，轉(zhuǎn)化成適合運(yùn)算處理器采集和運(yùn)算的電信號(hào)；在數(shù)據(jù)采集模塊13中完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、高速數(shù)據(jù)采集等功能；在數(shù)據(jù)處理模塊14中完成信息解調(diào)還原、頻譜變換、模式識(shí)別、智能分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能；最終在顯示模塊15中對(duì)各種監(jiān)測(cè)到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、定位和報(bào)警(預(yù)警)。在監(jiān)測(cè)終端10中包含必要的軟件系統(tǒng)。前面提供了對(duì)較佳實(shí)施例的描述，以使本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員可使用或利用本實(shí)用新型。對(duì)這些實(shí)施例的各種修改對(duì)本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的，可把這里所述的總的原理應(yīng)用到其他實(shí)施例而不使用創(chuàng)造性。因而，本實(shí)用新型將不限于這里所示的實(shí)施例，而應(yīng)依據(jù)符合這里所揭示的原理和新特性的最寬范圍。
權(quán)利要求1.一種本質(zhì)安全的全光纖井下監(jiān)測(cè)設(shè)備，由監(jiān)測(cè)終端、傳輸光纜和全光纖傳感終端組成，監(jiān)測(cè)終端位于井上，全光纖傳感終端位于井下，傳輸光纜連接監(jiān)測(cè)終端和全光纖傳感終端，其特征在于所述全光纖傳感終端由光預(yù)處理模塊和傳感裸光纖組成，所述光預(yù)處理模塊由兩個(gè)光纖耦合器通過(guò)兩段光纖跳線(xiàn)并列連接而成，其中一段光纖跳線(xiàn)上連接有光纖延遲線(xiàn)，光預(yù)處理模塊一端連接至傳輸光纜，另一端連接傳感裸光纖，傳感裸光纖末端連接有一反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種本質(zhì)安全的全光纖井下監(jiān)測(cè)設(shè)備，其特征在于所述監(jiān)測(cè)終端由光源模塊構(gòu)成輸出組件，光源模塊連接至傳輸光纜的輸入端，由檢測(cè)和放大模塊、 數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊組成輸入組件，傳輸光纜的輸出端連接檢測(cè)和放大模塊，檢測(cè)和放大模塊依次連接數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種本質(zhì)安全的全光纖井下監(jiān)測(cè)設(shè)備，其特征在于，所述傳感裸光纖由纖芯、包層、涂覆層組成。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種本質(zhì)安全的全光纖井下監(jiān)測(cè)設(shè)備，由放置在井上的監(jiān)測(cè)終端、井下的全光纖傳感終端和連接兩者的傳輸光纜三部分組成，其中在井下的部分全部由光纖無(wú)源器件組成，不含任何電子元器件，無(wú)需電能供應(yīng)，不輻射電磁波，本質(zhì)安全。本實(shí)用新型利用全光纖傳感終端中的傳感裸光纖對(duì)周?chē)h(huán)境中的各種動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行傳感，利用傳輸光纜將這些信息采集并返回井上，最終由監(jiān)測(cè)終端分析處理后真實(shí)還原，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下各種動(dòng)態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和對(duì)異常信息的識(shí)別、定位、預(yù)警功能，適用于各種礦井，尤其是易燃易爆環(huán)境下礦井的安全生產(chǎn)和事故搶救領(lǐng)域。
文檔編號(hào)E21F17/18GK201963359SQ201020679288
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者唐璜, 賈波, 趙棟 申請(qǐng)人:上海杰蜀光電科技有限公司