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0 引 言

为了满足煤矿现场复杂的工作环境以及高强度的煤炭运输作业，实现煤矿发展日趋高效化以及自动化的要求，带式输送机已成为现代煤矿生产机电一体化技术与装备中不可或缺的装置[1-4]。与传统的运输设备相比，带式输送机有输送距离更长、运输量更大，而且能够长时间连续地进行运输工作等优点，使其更适合在煤矿现场工作。然而，由于工作环境复杂且长时间连续的运行，带式输送机会因如滚筒打滑、托辊故障、煤粉自燃和外界意外火源等诱发火灾[5-9]，严重事故会对工人人身安全以及社会财产造成很大破坏。目前应用于带式输送机火灾监测比较普遍的技术有烟雾、一氧化碳浓度、红外热成像技术以及热敏电缆等技术[10-14]，均存在监测漏区，无法有效实现对长达数十千米的煤矿井下带式输送机沿线的火情进行分布式连续监测。随着通信技术的发展，光纤作为一种无源的信号传输以及传感介质，近年来吸引了大量研究人员，由于其作为传感介质时具有体积小、质量小、抗电磁干扰等优势，以光纤为传感和传输介质，为诸多长距离复杂环境的安全监测提供了新思路[15-19]。鉴于此，笔者提出一种煤矿带式输送机沿线火灾分布式光纤传感检测方法，用于对煤矿带式输送机沿线火灾的早期预警。该方案采用光纤作为温度传感器及信号传输介质，进行煤矿带式输送机沿线的温度分布式监测，将传感光缆紧贴煤矿带式输送机沿线铺设，从而实现整个煤矿带式输送机沿线的分布式连续监测，该方法可克服现有带式输送机火灾监测技术监测覆盖范围小、连续性不强的缺陷。

1 光纤传感检测技术原理

煤矿带式输送机长时间连续运行会因滚筒打滑、托辊故障等引起沿线局部升温。采用光纤温度传感检测方法监测煤矿带式输送机沿线温度分布情况，其主要依据拉曼散射光的温敏特性和光时域反射技术。光在光纤中传输时会产生散射现象，其中拉曼散射光具备温敏特性。依据拉曼anti-Stokes和Stokes散射光对应的温度调制函数RAS(T)和RST(T)可以实现温度的传感测量[20]。

(1)

(2)

式中：h为普朗克常量；Δv为石英光纤分子的声子频率，即拉曼频移，也是一个常量；T为绝对温度；K为玻尔兹曼常量。

为消除光纤弯折、断裂熔接等突变损耗因子以及容易受温度影响的光电响应因子，引入参考光纤环。采集经传感光纤返回的拉曼anti-Stokes后向散射信号与Stokes后向散射信号，并通过2路信号光强的比值来解调带式输送机沿线的温度。因此，带式输送机沿线位于距离为L位置处的温度为

(3)

式中：TC0和T0分别为定标时参考光纤环的温度和定标时整条传感光纤所处的环境温度；TC为测量时参考光纤环的温度；A的表达式见式(4)。

(4)

式中：UAS(L0)和UST(L0)分别为定标时参考光纤环上L0处的拉曼anti-Stokes与Stokes后向散射信号强度；UAS(L)和UST(L)分别为定标时传感光纤环上L处的拉曼anti-Stokes与Stokes后向散射信号强度；UAS(L01)和UST(L01)分别为测量时参考光纤环上L0处的拉曼anti-Stokes与Stokes后向散射信号强度；UAS(L1)和UST(L1)分别为测量时传感光纤环上L处的拉曼anti-Stokes与Stokes后向散射信号强度。

依据光时域反射技术(OTDR)实现对带式输送机沿线的定位功能。OTDR是利用光纤中传输的光与光纤粒子发生作用产生的瑞利散射现象，或在光纤末端由于介质不同产生的菲涅尔反射现象，而研制的一种光电一体化的长距离精密测距仪器。OTDR将光脉冲注入光纤后，由于光纤本身材料的性质以及光纤熔接头、光纤弯曲、光纤连接器、光纤断裂等事件而产生菲涅尔反射、瑞利散射。其中一部分反射和散射光在光纤中沿着相同的路径返回到光脉冲注入端。通过计算探测器探测返回信号的时间与入射光脉冲注入的时间差值t，结合光脉冲在光纤中的传输速度即可得出上述事件点与光脉冲注入端之间的距离U为

(5)

其中：c为真空中的光速；neff为光纤的有效折射率；c/neff为光在光纤中的传播速度。从上述描述可以明显看出，采用OTDR能够很方便地获得整条光纤沿线各个位置的损耗情况。

采用对拉曼anti-Stokes后向散射光进行探测，根据它在光纤中的飞行时间可以计算出各个散射点距光纤首端的距离，结合拉曼anti-Stokes散射光的温敏特性，实现整条光纤沿线各个点的温度信息测量和定位。

2 光纤传感测量系统设计

基于上述理论分析，设计了光纤传感测量系统，该系统分为电路和光路2个部分，如图1所示。其中电路部分包括光电探测模块、FPGA高速数据采集模块、定标光纤盒测温模块等，光路部分包括脉冲激光器模块、波分复用耦合滤波模块和传感光纤等。

脉冲激光器模块工作状态由上位机软件通过串口进行控制，用来控制输出不同脉宽和输出功率的脉冲，激光器输出的光脉冲经波分复用耦合滤波模块入射至传感光纤中，定标光纤盒内置温度探头测量其内部参考光纤环的温度TC0和TC，通过串口传输给上位机。

图1 光纤传感测量系统
Fig.1 Optical fiber sensing measurement system

探测光在传感光纤中会激发出若干不同波长且光功率微弱的后向散射光，并沿传感光纤返回至波分复用耦合滤波模块，经滤波处理后分别输出温敏特性不同的拉曼anti-Stokes散射光信号以及拉曼Stokes散射光信号，其中拉曼anti-Stokes散射光信号对温度敏感特性优于拉曼Stokes散射光信号。2种微弱的散射光信号经光电探测模块放大并转换为相应的电信号，然后由FPGA高速数据采集卡进行电信号采集，其中采集卡的触发信号由脉冲激光器模块提供，且与光脉冲在时序同步。最后采集到的2路电信号传输至上位机进行标定和温度解调运算。

3 数据处理及试验分析

为了解决采集到的拉曼anti-Stokes和Stokes散射光信号强度比较微弱，采集信号的信噪比较差的问题，提出一种融合累加平均和小波降噪的数据处理方法来提升信号的信噪比，同时也可以改善检测装置响应的实时性。其中累加平均是为了去除信号中的白噪声，笔者采用的边累加边平均方法，其特点是累加的过程伴随着采集的过程结束而结束，占内存空间少且节省时间；小波降噪是为了去除信号的高频噪声，其主要过程包括小波分解、阈值处理和小波重构。提升信噪比综合方案如图2所示。

采用该方法分别进行了4组对比试验，其结果如图3所示。

图2 提升信噪比综合方案
Fig.2 Signal to noise ratio enhancement scheme

图3 去噪结果对比
Fig.3 Comparison of denoising result

小波降噪后温度解调的结果。如图3a和图3b所示，对比10 km温度传感测量范围内采用10 000次累加平均得到的散射曲线与采用1 000次累加平均得到的散射曲线，图3b的散射曲线毛刺幅值更低曲线更平滑，由此可以认为通过增加累加平均的次数方案的测温精度也得到了明显的提升；图3c与图3d所示，对比散射信号经1 000次累加平均运算后做小波降噪处理与做10 000次累加平均后做小波降噪处理所得到的温度解调结果，发现其信噪比有显著提升，因此增加信号的累计平均次数并做小波降噪处理后anti-Stokes信噪比得到了显著的提升。

后续试验中均采用10 000次累加平均融合小波降噪的方法解调获得温度曲线，针对长度分别为1.4、2.6、3.5、5.6、8.8、10.5 km的传感光纤进行多次重复性测量，获得了该预警方案的温度响应时间，如图4所示。

不同传感距离下的响应时间如图4所示，从图4可知，随着传感距离的增加，由于采集的数据量增长，方案的响应时间也呈现出上升趋势。在长度约为2 km的传感范围内，响应时间约为1 s；而在长度约为10 km的传感范围内，响应时间约为2 s。由此可以说明该方案可以实现带式输送机沿线温度快速响应的特性。

图4 不同传感距离下的响应时间
Fig.4 Response time at different sensing distances

针对该方案温度测量范围的性能，采用高温烘箱提供恒定的高温热源，采用10 km长的传感光纤，在8.55 km处绕制光纤环置于烘箱内部进行温度测量，设置温度为10～190 ℃，温度梯度为20 ℃。温度测量结果如图5所示。从图5可知，在10～190 ℃温度测量范围内，传感器测量性能稳定。

图5 测温范围试验结果
Fig.5 Test results of temperature measurement range

由于本次试验采用的是普通多模光纤，若针对更高温度的测量可以考虑采用特种耐高温的传感光纤，如聚酰亚胺涂覆光纤可以耐300 ℃高温。不同标定位置下所做的定位误差如图6所示。为了进行定位性能测试，分别对8组已知标定位置为1 298、2 508、4 350、5 567、6 785、7 997、9 211、11 210 m处进行温度测量，将定位结果与标定值进行比较后得到定位精度结果。在8次试验中，该测量方案的定位误差均不超过2 m，所以可以认为在10 km监测范围内该方案定位误差不超过2 m。

图6 定位误差试验结果
Fig.6 Test results of positioning error

为了验证此方案多点同时响应的特性，试验中分别在1 559、2 550和3 576 m处绕制3 m长的光纤环，将3个光纤环同时置于恒温水浴槽中进行试验。试验时设置恒温水浴槽温度为45 ℃，试验测量结果如图7所示。从图7可知，3个光纤环探测的结果一致，表明该方案可实现多点同时响应的特性。

图7 多点同时响应试验结果
Fig.7 Test results of multi-point simultaneous response

4 结 论

针对煤矿长距离带式输送机长时间连续运行存在潜在火灾的问题，提出了一种煤矿带式输送机沿线光纤传感检测方法。通过使用一种融合累加平均和小波降噪的数据处理方法有效提升了信号的信噪比，同时改善了响应的实时性。该方法可实现多点温度变化的同时响应预警；在长度约为2 km的传感范围内，传感装置的响应时间约为1 s；在长度约为10 km的传感范围内，该方案响应时间约为2 s；定位误差不超过2 m；测温范围可达190 ℃。

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