矿山安全光纤传感.

矿山安全光纤传感综合监测预警系统山东省科学院山东微感光电子有限公司刘统玉汇报提纲煤矿安全行业背景1矿山安全光纤传感监测预警解决方案236425矿用光纤传感器技术创新总结一、煤矿安全行业背景煤炭是我国最主要的一次能源，约占电能总额70％；2012年煤炭产量36.5亿吨，占世界总产量的45％以上；050010001500200025003000350040001948195819681978198819982008煤炭年产量/百万吨一、煤矿安全行业背景01000200030004000500060007000800019491954195919641969197419791984198919941999200420092014煤炭事故死亡人数近年来实施科技兴安战略，煤矿安全生产持续好转，事故和死亡人数逐年下降；然而，2012年依然死亡1300余人；煤炭生产依然属于高危行业！4煤矿死亡人数事故分类统计（2003~2008）死亡率居高不下的原因和条件死亡率居高不下的原因和条件瓦斯瓦斯42.96%42.96%机电机电1.70%1.70%运输运输8.70%8.70%顶板顶板33.10%33.10%放炮放炮1.20%1.20%水害水害8.00%8.00%火灾火灾1.00%1.00%其它其它3.10%3.10%20012001年全国煤矿死亡事故按事故性质统计所占比例年全国煤矿死亡事故按事故性质统计所占比例煤矿存在瓦斯、顶板、水、火、粉尘等主要灾害：一、煤矿安全行业背景瓦斯和顶板事故死亡人数占75%以上；随着煤炭往深部开采，冲击地压灾害逐年增加；机电设备故障可导致火灾、爆炸等次生灾害。我国煤矿生产条件极其复杂，灾害监测预警是世界难题，安全监测监控是重要手段，传感器技术是关键!一、煤矿安全行业背景一、煤矿安全行业背景目前煤矿安全监控主要存在以下问题：1、瓦斯传感器可靠性差、标校周期短，响应时间长，受电磁场干扰，导致系统误报；2、由于传感器需要供电，对采空区等主要危险源存在监测盲区；3、当煤矿井下发生灾变、监控分站及传感器断电时，安全监控系统瘫痪，影响科学快速施救。因此，迫切需要传感器技术创、矿山安全监控技术升级！光纤传感器使用光纤作为传感元件，光纤不但用来传输信息而且采集信息。在光纤内传输的激光其特性受外部温度、压力、气体等影响而发生改变，通过测量激光波长等参数，实现对多种物理、化学量的精确检测。具有下列独特优势：不带电、本质安全，不受电磁场干扰，长期稳定、可靠性高；容量大，便于多点、多参数、远距离在线监测；性价比高，维护成本低。一、煤矿安全行业背景二、矿用光纤传感技术创新4、微小光信号检测－创新分布式温度、应变监测3、光纤／激光光谱分析－创新多种气体传感器1、光纤微结构－创新矿用物理量传感器系列产品2、激光波长精密检测－创新大容量安全监控分站ReflectionOpticalfibreTransmissionIlluminationb光纤光栅是光纤纤芯内部沿轴向周期性反射微结构（1mm长度含有约1000个等间距微型反射镜），是一个反射型的窄带滤波器。当其温度、应变等发生变化时，反射波长发生改变。1）核心器件-光纤光栅1.光纤微结构－创新矿用物理量传感器系列产品2）矿用光纤温度传感器光纤温度传感器1.光纤光栅物理量传感器矿用光纤温度传感器，可用于供电设备、电缆接头、机电装备状态在线监测预警；铠装光缆、钢桶型温度传感器可用于采空区温度在线监测。技术优势：漂移小、长期稳定；可用于实时在线监测。采用窄带半导体激光器频率跟踪技术进行解调。3）矿用光纤振动传感器在实现高检测灵敏度的同时，成功地消除了温度、应变等环境因素影响。-3.0-2.0-1.00.01.02.03.04.0020406080100Time(ms)Outputsignal(v)光纤振动／微震传感器1.光纤光栅物理量传感器4）矿用光纤顶板离层仪光纤顶板离层仪矿用光纤顶板离层仪通过内部精密的机械结构将位移转化为光纤光栅传感敏感元件波长的变化，从而进行位移的监测。技术优势：漂移小、长期稳定；可用于实时在线监测。1.光纤光栅物理量传感器5）光纤矿压传感器光纤矿压传感器.光纤矿压传感器基于光纤光栅原理设计，通过悬臂梁结构，将矿压转化为光纤光栅波长的变化。技术优势：采用温度补偿技术，提高了稳定性。光纤锚杆应力传感器1.光纤光栅物理量传感器矿用光纤水位传感器是一种光纤光栅型传感器，当水位变化时，传感器底部的弹性膜片受压力变化，该形变转化为光纤光栅波长的变化。采用双光栅设计实现对水位、温度两个参数的测量。1.光纤光栅物理量传感器6）矿用光纤水压传感器7）光纤无源声音传感器光纤麦克风利用声波对传感器反射光强度的调制实现对声音的检测；灵敏度高，抗电磁干扰；可用于应急人员定位和无外接电源应急通信。1.光纤光栅物理量传感器2.激光波长精密检测－创新大容量安全监控分站矿用光纤光栅传感器井下分站可连接近300个不同的光纤传感器（温度、位移、水位、振动等），覆盖10km以上。传统电子分站最多连接16个传感器，仅覆盖2km。DBR后反射镜相位增益光输出控制电路/波长监测分束器耦合器耦合器耦合器探测器信号处理宽带光源L不同浓度吸收归一化图0.911.11.21.31.41.51653.551653.601653.651653.701653.751653.801653.85幅值0.20%0.50%1%3%0%光纤甲烷气体传感器3.光纤／激光光谱分析－创新气体传感器激光经过气室发射后，产生气体吸收光谱；由于不存在化学反应，气体浓度测量精确稳定，无须频繁标校。光纤甲烷气体传感器－连续三年稳定运行无维护3.光纤／激光光谱分析－创新气体传感器创新解决了电子传感器可靠性差瓶颈！多种气体传感器根据多个被测气体的吸收光谱，优化光源组合。多种气体检测仪器采用同一个传输光纤和探头结构，实现对CO、O2、CO2,乙烯、乙烷、乙炔等多种气体检测。3.光纤／激光光谱分析－创新气体传感器散射效应－可检测数十公里内铠装光缆上各个点的温度、应变测温光缆测温主机分布式温度检测4.微小光信号检测－创新分布式温度、应变监测三、矿山安全光纤传感监控预警解决方案4、光纤超大容量－实现设备状态监测预警2、光纤多参数传感－提升瓦斯安全标本综合监控预警1、光纤无源传感－消除矿山灾害监测盲区，提升安全预警能力5、光纤传感网络－创新矿山断电应急决策支持能力6、光纤传感无电－提升尾矿库坝安全监测抗雷击能力3、光纤多参数－矿山微震、矿压综合监测预警22基于光纤分布式温度和标志性气体在线监测，建立了煤炭自燃预测预报系统。多模测温光缆光纤温度、气体监测分站以太网交换机工作面回风进风煤柱CH4、CO传感器组分布式测温分站CH4、CO传感器组CH4、CO传感器组1光纤无源传感－消除煤炭发火采空区监控盲区兖矿集团东滩煤矿1305工作面采空区温度监测采空区分布式温度监测数据。对于高瓦斯、瓦斯突出矿井通过对巷道瓦斯涌出量、环境温度、煤层瓦斯压力、矿压实时综合监测及变化趋势分析，建立瓦斯监测预警系统。242多参数传感－光纤瓦斯压力、瓦斯涌出量、矿压、温度综合监测预警 光纤微震传感器实现矿区全覆盖，提升冲击地压灾害监测能力。25兖矿集团兴隆庄煤矿光纤微震监测波形光纤微震监测震源定位与能量图示3多参数传感－光纤微震、矿压综合监测预警26光纤温度、振动传感网络实现煤矿机电设备（压风、水泵、运输、供电等）状态监测系统；通过温度、振动频谱及烈度特征分析，实现了设备故障预警。压风机正常运行（左图）及故障状态（右图）振动时频图山能新汶赵官煤矿压风机光纤振动传感器安装图4、光纤超大容量－实现设备状态监测预警光纤矿山机电设备安全状态监测系统光纤温度、振动监测网络•铠装光缆敷设在皮带托滚下、或槽钢内皮带机光纤分布式温度、振动监测轴承滚筒槽钢29首创了以井下光纤温度、有害气体、语音等传感器为基础的应急信息决策支持系统；实现了在井下断电情况下对灾情信息的实时监测，为科学高效组织施救提供了技术支撑。应急信息及通信系统拓扑结构光纤无源瓦斯、语音传感器用于避难硐室光纤甲烷传感器光纤电话5、光纤传感网络－创新矿山断电应急决策支持能力6、光纤传感－提升尾矿库坝安全监测抗雷击能力基于光纤渗压、位移、库水位、干滩长度传感器建立尾矿库综合监测预警系统。矿用光纤传感技术创新，实现了无电源、本质安全、远程、多参数、分布式、高精度、高可靠测量；利用激光替代电流电压，光缆替代电缆，光纤传感替代电子传感技术变革，减少了煤矿监测盲区；全面提升了对瓦斯、煤炭发火、顶板、冲地地压、设备故障等主要安全隐患监控能力，实现重大技术跨越！四.总结矿山安全光纤传感综合监测预警技术已在兖矿集团、山能集团、中煤、同煤、龙煤、平煤、陕煤、焦煤、吉煤、开滦等能源集团50多个煤矿和100多个非煤矿山尾矿库推广应用，有效保障了矿井的安全高效生产，取得了较大的社会和经济效益。光纤传感也将有力拉动智慧矿山及信息化与矿山安全生产融合，为产业技术提升提供重要技术支撑。四.总结