面向井下環(huán)境參量的光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

吳瑞勇

(太原學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系,太原 030051)

引 言

煤礦災(zāi)害主要包括瓦斯爆炸、煤塵濃度、滲水、火災(zāi)以及塌方[1-3]。瓦斯與煤塵主要靠氣體傳感設(shè)備監(jiān)控，水災(zāi)主要靠探水設(shè)備監(jiān)控，火災(zāi)主要靠溫度傳感設(shè)備監(jiān)控，塌方主要靠土壓計(jì)等監(jiān)控。其中，坍塌和火災(zāi)由于其不易準(zhǔn)確預(yù)警從而成為最常見(jiàn)的災(zāi)害[4]，因?yàn)槿粝雽?shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)警往往需要大范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)能力。一方面，坍塌主要是拱頂壓力持續(xù)增加超過(guò)支撐閾值導(dǎo)致的，故具有持續(xù)、穩(wěn)定等應(yīng)力監(jiān)測(cè)能力是預(yù)防該類災(zāi)害的關(guān)鍵[5]；另一方面，火災(zāi)如果能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)就能有效防止擴(kuò)散及滅火，而實(shí)際上往往是因?yàn)楝F(xiàn)有溫度傳感器無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作在濕度很高的開(kāi)采層[6]，同時(shí)，考慮用電安全也無(wú)法大范圍鋪設(shè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)[7]。

針對(duì)塌方災(zāi)害而言現(xiàn)有的井下監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有土壓計(jì)[8]、應(yīng)變片探測(cè)器[9]等，土壓計(jì)在井下環(huán)境可穩(wěn)定使用，但監(jiān)測(cè)范圍十分有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)測(cè)，以點(diǎn)概面的測(cè)試數(shù)據(jù)往往存在漏檢的風(fēng)險(xiǎn)[10]；應(yīng)變片探測(cè)器價(jià)格便宜、可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)，但其容易受到環(huán)境影響，需要經(jīng)常標(biāo)定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[11]。針對(duì)火災(zāi)而言,主要監(jiān)測(cè)設(shè)備有熱釋電溫度傳感器[12]，其體積小、成本低，但易受濕度影響，每隔一段時(shí)間需進(jìn)行標(biāo)定。與此同時(shí)，這些電子傳感器件最大的安全隱患是有源，有造成火災(zāi)爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，基于光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)具有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)源、不受濕度影響、測(cè)試范圍廣且可多參量檢測(cè)的特點(diǎn)[13-16]。不僅如此，光纖網(wǎng)絡(luò)更容易實(shí)現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的對(duì)接，完成井下設(shè)備數(shù)據(jù)交互、物理層與應(yīng)用層之間數(shù)據(jù)交互，構(gòu)成井下實(shí)時(shí)監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)[17-18]。

為了解決井下高濕度、大型機(jī)械振動(dòng)等惡劣環(huán)境對(duì)探測(cè)器帶來(lái)的干擾及有源安全隱患，本文中研究了基于FBG的井下多參量傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)包含一種新型的FBG封裝結(jié)構(gòu)以及差分消振數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)了高精度、長(zhǎng)時(shí)效、高穩(wěn)定的井下環(huán)境參量監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

1 光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)

光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)[19]如圖1所示。針對(duì)井下測(cè)控系統(tǒng)而言，應(yīng)用層主要指監(jiān)控預(yù)警平臺(tái)，其承擔(dān)著對(duì)應(yīng)變、溫度等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)及對(duì)支撐強(qiáng)度、火災(zāi)等風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警，同時(shí)與互聯(lián)網(wǎng)對(duì)接實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程管理中心的數(shù)據(jù)交互；網(wǎng)絡(luò)層是連接傳感單元與監(jiān)控平臺(tái)的硬件平臺(tái)；感知層為應(yīng)變傳感FBG和溫度傳感FBG。

Fig.1 Optical fiber sensing internet of things

圖1中雙向箭頭指基于光纖完成的數(shù)據(jù)交互，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)由此完成從傳感器到應(yīng)用平臺(tái)的數(shù)據(jù)互換。系統(tǒng)感知層是覆蓋在井下各個(gè)巷道的光纖傳感監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。共分為兩個(gè)部分:一部分是光纖光柵應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)，其主要是用于巷道支撐位置的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)，從而為支撐風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供有效數(shù)據(jù)；另一部分是光纖光柵溫度傳感網(wǎng)絡(luò)，其主要是用于巷道、開(kāi)采層等位置的溫度監(jiān)測(cè)，獲取實(shí)時(shí)溫度變化信息，從而識(shí)別由于火災(zāi)而引起的溫度異常。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層提供數(shù)據(jù)處理及物理層與應(yīng)用層的數(shù)據(jù)交互控制，因?yàn)樵诟兄獙拥膫鞲悬c(diǎn)位非常多，數(shù)據(jù)量很大，所以不能把處理系統(tǒng)完全放在巷道等終端位置，故利用光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)將所有測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到網(wǎng)絡(luò)層后，由網(wǎng)絡(luò)層的計(jì)算系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，由數(shù)據(jù)庫(kù)保存并上傳必要的井下環(huán)境參量信息。系統(tǒng)應(yīng)用層是由軟界面構(gòu)成的控制平臺(tái)，是為上位機(jī)中用戶控制提供可視化操作界面的。

2 巷道內(nèi)測(cè)試點(diǎn)布局設(shè)計(jì)

2.1 光纖傳感網(wǎng)絡(luò)分布設(shè)計(jì)

如圖2所示，為了顯示基于FBG的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的分布結(jié)構(gòu)，將巷道劃分了3個(gè)截面，其中在巷道拱起段中45°和60°的固定錨位置上安裝FBG傳感器，因?yàn)樵撐恢每梢院芎玫乇O(jiān)測(cè)圍巖拱頂壓力分布。利用分布在固定錨上的FBG可以實(shí)時(shí)采集拱段的應(yīng)力場(chǎng)分布，從而為坍塌風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供預(yù)警數(shù)據(jù)。

Fig.2 Schematic diagram of optical fiber sensor network layout

2.2 新型FBG封裝設(shè)計(jì)

基于FBG的應(yīng)力監(jiān)測(cè)需要解決兩個(gè)問(wèn)題:一是溫度變化對(duì)應(yīng)力監(jiān)測(cè)的交叉敏感；二是開(kāi)采層大型機(jī)械振動(dòng)引入的噪聲對(duì)FBG應(yīng)力監(jiān)測(cè)的影響。為此設(shè)計(jì)了新型的FBG封裝結(jié)構(gòu)，采用兩個(gè)不同F(xiàn)BG完成應(yīng)力與溫度數(shù)據(jù)的獲取，同時(shí)將兩組信號(hào)做互相關(guān)運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)噪聲的差分消除，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Fig.3 The novel packaging structure of FBG

FBG1與拱段固定錨緊接，從而可以通過(guò)FBG1獲取測(cè)試點(diǎn)應(yīng)力值，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。FBG2與FBG1均在保護(hù)外殼中，認(rèn)為其溫度一致，但由于FBG2采用單端固定的方式，所以當(dāng)圍巖應(yīng)力發(fā)生改變時(shí)不影響FBG2，由此可知，F(xiàn)BG2可用于溫度標(biāo)定。

2.3 參量解算

FBG的波長(zhǎng)偏移量Δλ解算函數(shù)為：

(1)

式中，λ0為初始波長(zhǎng)(FBG1的回波);ε為FBG的應(yīng)變量產(chǎn)生的應(yīng)變，其與應(yīng)力F(F=kε,k為應(yīng)變系數(shù))成正比；ΔT為溫度變化量；Pε為彈光系數(shù);αf和ξ分別為對(duì)應(yīng)不同光頻率f的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)[20];k,Pε,αf和ξ均為常數(shù);λ0即為中心波長(zhǎng);Δλ為波長(zhǎng)偏移量，由解調(diào)儀[21]解出。由上式可知，僅有溫度與應(yīng)力為未知量，又因?yàn)镕BG2為單懸臂，無(wú)應(yīng)力干擾，故其ε=0，則溫度可由FBG2解算得到，滿足下式：

(2)

式中，ΔλFBG2為由FBG2解算得到的波長(zhǎng)偏移量值。將(2)式代入(1)式，再利用FBG1的波長(zhǎng)偏移量就能求出F，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與溫度的解耦。

針對(duì)測(cè)試過(guò)程中存在振動(dòng)干擾，采用差分運(yùn)算的方式進(jìn)行抵消處理。由于振動(dòng)在FBG1和FBG2中均存在，并且在時(shí)間上是一致的，所以對(duì)兩個(gè)FBG的回波數(shù)據(jù)做傅里葉變換，將兩組信號(hào)的頻域信息做互相關(guān)運(yùn)算，從而將具有明顯振動(dòng)周期存在的光譜波動(dòng)找出，并將其對(duì)應(yīng)的光譜相互抵消，就能最大程度地消減由于振動(dòng)造成的干擾了。則光功率譜G有：

(3)

式中，t為時(shí)間，λ為波長(zhǎng)，A(t)為t時(shí)刻的功率值。然后對(duì)兩個(gè)FBG的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，互相關(guān)函數(shù)有：

(4)

然后將相關(guān)度高的波長(zhǎng)波動(dòng)位置數(shù)據(jù)組成集合，從而依據(jù)集合剔除由于振動(dòng)引入的應(yīng)力測(cè)試值變動(dòng)。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)搭建及測(cè)試環(huán)境

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，在太原西山煤礦南礦區(qū)某一非工作狀態(tài)的巷道中進(jìn)行了環(huán)境參量監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)測(cè)井下平均溫度21.4℃，相對(duì)濕度69%，巷道內(nèi)本身沒(méi)有開(kāi)采設(shè)備工作，但臨近巷道有開(kāi)采作業(yè)，存在明顯振動(dòng)噪聲。并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連，使辦公區(qū)域的主機(jī)可以直接巡檢開(kāi)采層環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

Fig.4 Experimental test system

3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

在同一個(gè)拱形截面中(如圖2所示)，采用4個(gè)FBG可以分別獲取拱段兩側(cè)的壓力分布。以一側(cè)為例，兩個(gè)FBG應(yīng)力傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就能夠判斷出拱段位置上是否存在應(yīng)力異常變化，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。由于數(shù)據(jù)具有一定的線性特征，故測(cè)試時(shí)可采用可測(cè)區(qū)間內(nèi)兩個(gè)測(cè)試值完成測(cè)試曲線的標(biāo)定，標(biāo)定后壓力F與FBG的回波波長(zhǎng)λ的函數(shù)可表示為:

F=C(λ45°-λ60°)

(5)

式中，C表示土體壓力系數(shù)(kPa/nm)，λ45°和λ60°表示FBG在45°和60°的回波波長(zhǎng)。

實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)時(shí)間為96h，共計(jì)4d的測(cè)試數(shù)據(jù)，期間第1天中有2次相鄰開(kāi)采層的爆破、第2天中有2次在更遠(yuǎn)一些的巷道的爆破以及第4天有1次另一個(gè)稍遠(yuǎn)的巷道的爆破。依據(jù)FBG測(cè)試回波信號(hào)反演的壓力變化曲線如圖5所示。

Fig.5 Data of soil pressure change obtained from FBG inversion

由土體壓力數(shù)據(jù)可知，在9：00～10:00之間及15:00～16:00之間相鄰開(kāi)采層的爆破引起的應(yīng)變傳感FBG明顯的波動(dòng)，分別導(dǎo)致45°測(cè)試點(diǎn)位置應(yīng)力最大值為949kPa和863kPa，60°測(cè)試點(diǎn)位置應(yīng)力最大值為757kPa和653kPa。兩個(gè)FBG測(cè)試曲線的變化時(shí)間及振幅差基本相同。系統(tǒng)通過(guò)差分計(jì)算完成應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)中對(duì)爆破振動(dòng)造成的響應(yīng)誤差的消除。

3.3 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

將用于溫度傳感的FBG的數(shù)據(jù)采集至處理系統(tǒng)，依據(jù)(3)式和(4)式將具有相關(guān)度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值的波長(zhǎng)偏移數(shù)據(jù)濾除后，再將整個(gè)時(shí)間段的波長(zhǎng)進(jìn)行溫度反演，反演后溫度波動(dòng)如圖6所示。

Fig.6 Data of temperature change after filtering out vibration noise

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布可以看出，在96h的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，巷道內(nèi)溫度變化很小。整個(gè)過(guò)程溫度測(cè)試精度為0.5℃，溫度最大值為21.7℃，最小值為21.0℃。相比之下，在未經(jīng)振動(dòng)差分濾噪的溫度測(cè)試數(shù)據(jù)中，計(jì)算獲得的溫度最大值為49.8℃，最小值為12.4℃，顯然計(jì)算值與實(shí)際情況不符，說(shuō)明未濾波的條件下振動(dòng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)影響明顯。而未經(jīng)差分濾噪的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)是由于測(cè)試過(guò)程中相鄰開(kāi)采層爆破產(chǎn)生的振動(dòng)導(dǎo)致的，可見(jiàn)，本差分算法在應(yīng)變、溫度與振動(dòng)的解耦方面具有明顯效果。

4 結(jié) 論

針對(duì)井下高濕度、強(qiáng)振動(dòng)等復(fù)雜環(huán)境條件，設(shè)計(jì)了一種無(wú)源、緊湊型光纖傳感物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力和溫度信息雙解調(diào)，同時(shí)利用互相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)噪聲的差分消除。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，應(yīng)變、溫度測(cè)試結(jié)果符合實(shí)際值，振動(dòng)噪聲誤差被有效抑制，驗(yàn)證了其在井下復(fù)雜環(huán)境中具有更好的適應(yīng)性。