基于布拉格的矿下漏水检测系统的设计
毕业设计说明书
基于布拉格的矿下漏水
检测系统的设计
学生姓名：学号：10051041
学院：信息与通信工程学院
专业：光电信息工程
指导教师：李仰军
2014 年6 月
中北大学2014届毕业设计说明书
基于布拉格的矿下漏水检测系统的设计
摘要
摘要正文：本论文提出了一种新型的矿下漏水检测系统，正是基于光纤布拉格光栅中心波长随温度变化而改变的特性，即利用布拉格光栅传感系统从整体上实现温度的实时监测。
本课题以检测温度变化为主，在实验基础上对光栅进行温度标定，通过实验检测到温度的变化，利用origin软件画出温度随时间变化，从而检测出温度的改变，起到提前警示的作用。
关键字：光纤布拉格光栅，矿下漏水，温度检测
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Water Leakage mine detection system
Abstract
This paper presents a model of mine Water Leakage detection system, it is a characteristic that varies with the temperature change based on the central fiber Bragg grating wavelength, real-time monitoring of the Prague grating sensing system to realize the temperature on the whole.
This topic to detect temperature changes, on the basis of experiment of grating temperature calibration. By changing the experimental detection of the temperature, the use of Origin software to draw temperature change with time, so as to detect the temperature change, plays the role of early warning.
Key words:Fiber Bragg grating,The mine Water Leakage,Temperature detection
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目录
1 绪论 (1)
1.1 矿下漏水背景 (1)
1.2 国内外发展现状 (2)
1.2.1 国内外矿井安全发展现状 (2)
1.2.2 国内外光纤光栅发展现状 (4)
2 光纤光栅温度传感技术 (6)
2.1 温度传感技术 (6)
2.1.1 温度传感技术基本理论 (6)
2.1.2 温度传感器分类 (7)
2.2 光纤光栅传感技术 (7)
2.2.1 基本原理 (8)
2.2.2 性能指标 (11)
2.2.3 加工工艺 (11)
2.3 光纤光栅温度传感技术 (13)
3 系统整体设计 (15)
3.1 系统组成 (15)
3.2 系统设计 (15)
3.3 系统的器件选择 (16)
3.3.1 光纤布拉格光栅 (16)
3.3.2 解调仪 (17)
4 实验设计 (19)
4.1 温度标定 (19)
4.2 实验测量及数据分析 (20)
5 实验结果分析 (277)
6 总结与展望 (288)
参考文献 (30)
致谢 (311)
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1 绪论
1.1 矿下漏水背景
煤炭是我国社会主义现代化建设和人们日常生活所需要的重要资源，煤炭工业是我国的基础工业，在国民经济发展中起举足轻重的作用，2014年国务院总理李克强在全国人大会议上作政府工作报告，提出中国煤炭占能源消费总量比重约为70%。据中国煤炭工业协会统计数据显示，2013年全国煤炭产量完成37亿吨左右，煤炭消费量36.1亿吨左右。煤炭行业的安全与否决定着煤炭行业是否能稳定、持续、高速的发展。而我国特殊的地质地理环境，决定了我国煤矿地质条件与其他国家相比，更加复杂。由于煤炭开采属于地下作业，恶劣的生产环境，复杂的生产过程，伴随着水、火、瓦斯、煤尘和冒顶等多种灾害的威胁。这决定了煤矿安全问题的重要性、复杂性。因此，煤矿安全问题历来就是关系到煤矿职工身心健康和生命安全、关系国家经济不受损失的头等大事。煤矿生产经营中，经常受到水资源的危害，一旦出现水灾，就会影响矿井的正常生产运营，给整个生产系统带来不同程度的破坏，甚至造成人员伤亡。因此，做好矿井的防治水工作非常重要]1[。
矿井水灾的分类与发生条件：一：矿井水灾的分类。地面水以及地下水通过相关通道流入矿井，在涌入矿井的水流量超过一定量的时候，尤其是在超过矿井最大排水量的状况下，就会造成矿井水灾。从矿井水灾的整体表现来看，主要存在以下两种情况:（1）地表水水灾形成。在煤矿附近存在有相应的河流、湖泊、水库、水渠等一些蓄水的工程，尤其是在自然雨季雨水量充沛的情况下，造成水位上涨，超过矿井井口标高涌入到煤矿井下，或者通过煤矿裂缝、断层等而渗入到煤矿井下，造成水灾的出现。这种地表水灾由于地表水涌入凶猛，伴随有泥石流等现象，如果防备技术不当，就会造成淹井等现象。（2）孔隙水水灾形。在孔隙水的形成上，尤其是在当煤层被松散而且含水的流沙层、砂砾层、粘土层覆盖的情况下，在开采水平井下的操作过程中，煤岩柱留设不够，就会造成冒裂带进入到松散层。在开采前对水文条件的整体观察不够清晰，没有按照含水层下回采条件留设煤柱，造成回采之后水分、砂石馈入煤矿井下。此外，在没有按照严格规定的情况下超额出煤，或在煤岩柱中开拓巷道、硐室，影响整个煤层的完整性，由于年久渗水的原因，造成
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冲积层水以及流砂、泥沙的馈人，造成煤矿井巷的堵塞，形成空隙水灾的发生。二：矿井水灾发生的条件。（1）构造断裂带与接触带。矿区含煤地层中存有数量不等的断裂构造，它不仅使断裂附近岩石破碎、位移，也使地层失去完整性，从而成为各种充水水源涌入矿井的通道。地层的假整合或不整合的接触带，由于空隙发育，当它与水源靠近时，也可能成为地下水进入矿井的通道。（2）采矿造成的裂隙通道。煤层开采后，采空区上方的岩层因下部被采空而失去平衡，相应地产生矿山压力，从而对采场产生破坏作用，必然引起顶部岩体的开裂，垮落和移动塌落的岩块直到充满采空区为止，而上部岩层的移动常达到地表，根据采空区上方的岩层变形和破坏情况的不同，可划分为三带，三带之中的冒落带，裂隙带就是矿井充水的良好通道]2[。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国内外矿井安全发展现状
目前，作为世界上最大的煤炭生产和消费国的中国，在较长历史时期内，仍保持发展态势。但是，在我们瞻望煤炭工业持续高速发展美好前景的同时，一直困扰着我国的煤矿企业的问题，即煤矿的安全生产问题的问题是：中国的煤炭产量占世界总产量的三分之一，同时煤矿安全事故死亡人数占70%。据国家安全监察局统计，1990～2010年的21年间，全国共生产煤炭126.83亿吨，同时死亡人数为66196人，平均百万吨死亡率高达5.22，特别重大事故127起。2000年以后，能源形势发生转变，世界对煤炭资源的急剧需求为煤炭行业的发展带来新的活力。经过十几年的发展，我国煤炭工业整体呈现繁荣并将继续持续发展趋势，然而与此相对应的安全问题仍然不容乐观]3[。
矿井水害是我国煤矿安全生产的主要灾害之一，仅次于瓦斯事故]4[。矿井水来源于地表水和地下水，这些水源可能通过各种通道和岩层裂缝渗透进入矿井。当进入矿井的水超过其正常排水能力时，就会酿成水灾。2001-2010年共发生540起透水事故，死亡3039人。平均每年发生54起。从历年的数据来看，我国每年发生的透水事故逐渐减少，死亡人数也随之减少。这与国家加强煤矿水害防治工作是分不开的。频繁发生的透水事故，在次数上仅次于瓦斯和顶板事故，而在死亡人数上仅
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次于瓦斯事故，其所造的经济损失则高居榜首。因此，煤矿的水害防治工作显得非常紧迫和必要]5[。
目前已经有很多的防治水灾各项基础工作在实施中。针对煤矿企业的具体生产经营环境，制定煤矿企业中长期防治水的规划以及季度、年度防治水工作计划，建立组织机构，采取对策措施，对于每一类矿井都要采用适用的防治水措施，做好各项基础工作。查明矿井或采区水文地质情况时，对于矿井的物探、钻探、化探等先进适用技术的运用，要有明细的管理办法，并在具体的开采过程中，要重视物理技术在煤矿水灾中的整体应用。通过采用现代化的综合技术进行实地勘察，要对煤矿周边的水文地质条件、地表水、水流量的涌入等情况进行详细的调查，并査明落差大于5m的断层及富水性地质层，这样，能更好地进行矿井水灾的有效防治,减少灾害的出现。另外需强化雨季的安全隐患排查。在认真做好井下开采的同时，对于水灾害的防治也要坚持“预测预报、有疑必探、先探后掘、先治后采”的原则，落实“防、堵、疏、排、截”五项综合治理措施，尤其是在雨季到来的时候,要更加做好各项防范工作。对洪水可能淹没的废弃老窑井口必须按规定填实封死，或在井口浇注一个大于井筒断面的坚实的钢筋混凝土盖板，严防地表水倒灌井下导致淹井。雨季要安排专人负责对本井田范围及可能波及的周边废弃老窑、地面塌陷坑、采动裂隙，以及可能影响矿井安全的水库、湖泊、河流、涵闸、堤防工程等重点部位进行巡视检查，特别是接到暴雨灾害预警信息和警报后要实施24小时不间断巡视]6[。同时，构建全方位的隐患排查机制，形成及时撤出井下人员的管理制度，发现洪水可能造成淹井情况，要立刻停产，防止事故的发生，减少对人员健康的影响。除此之外，制定完善的水灾害应急预案。在强化煤矿井下水灾害的措施运用上，要构建全方位的应急预案，建立区域抢险排水基地，并及时增设各种排水设备，定期对各种设备进行检修，保证设备运转正常，提高抢险救灾的能力。同时，还要加强各方面的技能知识培训，结合煤矿生产经营中的典型水灾害例子，加强对员工的水灾防治知识培训，提高整体综合技能，制定并不断完善矿井水害应急预案，开展应急预案的演练，使职工掌握逃生的路线。煤矿企业发生透水后，要立即启动矿井水害应急预案，并按规定及时上报有关部门，积极开展救援工作。
国外加紧了从安全生产事故的方面研究:(1)William Graebener揭示了为什么煤
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矿会付出血的代价而政府对此无能为力，从多个角度分析了各利益集团在煤矿安全生产中的行为动机。(2)J.C．Groombridge提出煤矿应实行安全案例来加强企业安全管理。(3)Craig A. Olson(1981)通过实证分析证实了风险与生命的估计价值成反比。
(4)Julie Graham和Don M. Shakow(1990)文章质疑新古典补偿性工资差异理论。根据来自劳工市场和来自二级市场两组劳工样本进行比较进行回归性分析，发现劳工市场的工人工资的变化直接与职业死亡的概率相关，而二级市场的工人没有发现在这样的性质。(5)William P.Jennigs and Albert Kingderman(2003)运用1992年至1999年劳工统计局的数据，检验了职业死亡率的变化和小时工资的变化之间的关系。
(6)George R.Neumann评估了美国在1969年出台的健康与安全法案，表明：由于分配给安全生产更多的资源，使得事故发生率和可测量的采煤生产率下降了。（7)1999年英国标准协会（BSI），挪威船级社（DNV）等13个组织提出了职业安全卫生评价标准，OHSAS18001《职业安全卫生管理体系——规范》、OHSAS18002《职业安全卫生管理体系——ORSAS18001实施指南》。主要为：危害辨识、评价和控制，注意职工在生产过程中职业安全卫生状况，使员工安全卫生的权益受到保障。（8)Len Pearson、Nick Mabbott研究矿工的疲劳问题，针对不同人采取不同的管理方法，避免事故再次发生。
1.2.2 国内外光纤光栅发展现状
光纤光栅是一种新型的光无源器件。它利用光纤材料的光敏特性，在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，从而改变或控制光在该区域的传播行为方式]7[。
1978年加拿大的Hill首次观察到掺锗光纤因光诱导产生光栅的效应。他们利用488mm氩离子激光照射掺锗光纤，在光纤中产生驻波干涉条纹，造成纤芯折射率沿轴向的周期性分布。从而制成了世界上第一支被称为“Hill光栅”的光纤光栅，开创了光栅光纤研究与应用的先河。此后，由于写入效率低等因素的影响，一段时间内发展进度缓慢。直到1989年，Meltz等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术，此技术不仅有效的提高了光纤光栅的写入效率，而且通过改变两束相干光的夹角对光纤光栅波长进行调控，为光纤光栅的实用化开辟提供了可能。1993年，Hill 等人提出了相位掩模写入技术，放宽了对写入光源相干性的要求，使其制作更加灵
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活，批量生产成为可能。
此后，各国对光纤光栅研究迅速开展起来，光纤光栅制作不断取得新的进展。随着研究的不断深入，它的优点也逐渐体现出来：质轻、径细、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、信号衰减小、集信息传感与传输于一体，可以解决常规检测技术难以完全胜任的测量问题，被广泛应用于医学、生物、电力工业、化学、环境、军事和智能结构等领域。近年来，近年来，光纤光栅优越的传感性能以及波长识别技术的发展掀起了用其作为力学量(主要是应变与温度)传感的热点。如用于土木工程结构的健康监测，智能结构与系统结构损伤探测等]8[。
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2 光纤光栅温度传感技术
2.1 温度传感技术
2.1.1 温度传感技术基本理论
现代信息通信技术主要包括计算机技术、通信技术和传感器技术。在这其中计算机和通信技术发展迅猛，技术也比较成熟，而由于传感应用技术需要使用的模拟技术还处在研发阶段，很多技术上的问题仍没有解决，传感器应用技术还急待发展。但传感器技术在现代科技中占有重要的地位，世界上已经有很多的国家将传感器技术作为现代科技的关键技术之一。传感器实质上是一种功能块，可将非电量转换为电量的器件，其作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。传感器有至关重要的作用，对原始参数进行精确可靠的测量，实现信号转换和信息处理，实现最佳数据的显示和控制，是实现测试与自动系统的首要环节]9[。
各种传感器中应用范围最广、数量最多的就是温度传感器，其重要程度位居首位。温度传感器的发展大致经历了以下三个时期：第一个时期为包含敏感元件的传统的分立式温度传感器，其作用是能够完成非电量到电量之间转换；第二时期称作模拟集成温度传感器/控制器；最后第三时期为智能温度传感器。时至今日，国际上的新型温度传感器正全面化从模拟式向数字式发展，其发展的方向大致可分为智能化、集成化及网络化。按是否与被测介质接触而分类，温度传感器可分为接触式与非接触式温度传感器两大类。其中，接触式温度传感器的测温元件和被测对象保持良好的热接触，基于热传导与对流原理，测温元件与被测对象达到热平衡，这个示值即称为被测量对象的温度。由于接触式温度传感器可以和被测物体直接接触测量温度，所以这种测量方法不仅精确度较高，而且也可测量物体内部的温度。但其不再适用于运动的和热容量比较小的、对感温元件产生腐蚀作用的被测对象的测量，原因是将会产生比较大的误差。而相对的非接触测温是基于辐射热交换原理，测温元件与被测对象互不接触。此种测温方法的主要优势是既可以测量运动状态的小目标，又可测量热容量小或变化迅速的物体，同时也可测量温度场内的温度分布，但是受环境因素的影响较大]10[。
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2.1.2 温度传感器分类
温度传感器大致可分为以下几类：
（1）热电偶传感器。它可与被测对象直接接触，避免了中间介质对其精度的影响可从－200℃～1300℃进行连续测量，铁，镍，铬等特殊的热电偶最低可测到-270℃，钨，铼等耐高温传感器最高可测得2800℃。优点是：结构简单，制作方便，测温范围宽。
（2）模拟集成温度传感器。基于硅半导体集成工艺，所以又可称作硅传感器或者单片集成温度传感器。其原理是将温度传感器集成在一个芯片上，完成温度测量与模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是不仅功能单一、体积小、微功耗、测温误差小，而且响应速度快、传输距离远等。
（3）光纤传感器。优点是：灵敏度高、可以制成任意几何形状、可以制造传感各种不同物理信息的器件、可以用于高压等恶劣环境。缺点是：制作工艺相对复杂，价格高，不易达到较高精度，难以大面积推广应用。
（4）智能温度传感器。智能温度传感器是计算机技术、微电子技术与自动测试技术（ATE）的结合体。其内部包含温度传感器、信号处理器、存储器（或寄存器）、A/D传感器和接口电路，部分产品还带多路选择器、随机存取存储器（RAM）、中央控制器（CPU）和只读存储器（ROM）该种传感器不仅能输出适配各种微控制器的温度数据和相关的温度控制量，并且由软件来实现其测试功能]11[。
2.2 光纤光栅传感技术
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而制成的光传导工具。光纤的结构非常简单，其内部的纤芯是由折射率比周围包层略高的光学材料制作而成，由于折射率不同而引起全内反射，改变光线的方向，引导其在纤芯内传播]12[，如图2.1所示。
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图2.1 光纤纤芯结构及导光原理
纤芯和包层的折射率差并不需要很大，实际上，只要大约1%就可以了。在光纤包层的外围，还有一些用于保护光纤的层面和结构，如图2.1所示。不同类型的光纤的纤芯和包层的几何尺寸差别很大。用于高清晰度传像光纤的芯径小、包层薄，传输高功率的照明光纤则一般有更粗的纤芯和细薄的包层。相比较而言，用于通信的光纤则是厚包层和小芯径。通信光纤的标准包层直径是125μm 。塑料涂覆层的直径约为250μm ，其作用是保护光纤内部的玻璃表面，防止刮痕或其他机械损伤。由于出现时间先后的不同和原理的差别，光纤光栅大致可以分为两大类，即光纤布拉格光栅（fiber Bragg grating ，FBG ）和长周期光纤光栅（long-period fiber grating ，LPFG ）。早期的光纤光栅主要是光纤布拉格光栅（短周期光纤光栅），1996年出现了长周期光纤光栅，并迅速得到发展。一般，前者的周期在微米量级（光波长量级），后者的周期分布较宽，在几十微米到几百微米之间。长周期光纤光栅传感器分析较复杂，而且本论文中使用的是光纤布拉格光栅，所以只讨论光纤布拉格光栅传感器。 2.2.1 基本原理
早在光纤光栅以前，就把在平面光波导中沿光传播方向制作的多层介质结构（这种结构称为光栅）的反射称为布拉格反射，相应的光栅称为布拉格光栅]13[。光纤中光栅的反射事实上也是一种层状介质的反射，因此把光纤中沿轴向分布的多
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层介质结构称为光纤布拉格光栅。结构如图2.2
所示。
图2.2 光纤光栅的结构
由于周期性折射率的扰动会对仅会对较窄的一段光谱产生影响（典型的光谱宽度为0.05—0.3nm ），因此，当带宽光波在光栅中传输时，入射光将在相应频率上反射回来其余的透射光波则几乎不受影响，这样光纤光栅实际上就起到了光波反射镜的作用。光谱特性示意图如图2.3所示。根据光纤耦合模理论，当带宽光在FBG 中传播时，就会产生模式耦合，满足反射公式2-1的光被反射：
2-1
式中：错误！未找到引用源。为FBG 的中心波长,错误！未找到引用源。为光纤光栅的有效折射率,
为光纤光栅的周期
。
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图2.3 布拉格光纤光栅光谱特性示意图
当光纤光栅受轴向应力或温度的变化时，光纤光栅的eff n 错误！未找到引用源。和Λ都会发生变化所以FBG 对应力和温度都是敏感的]14[。应力对波长漂移的影响分为两部分：1：弹光效应影响光栅的错误！未找到引用源。;2：应变影响Λ。温度对波长漂移的影响同样也可分为两部分：1：热光效应影响错误！未找到引用源。;2：热膨胀系数影响Λ。由弹性力学可知，光纤光栅中心波长的漂移错误！未找到引用源。随温度和轴向应力的变化可表示为：
错误！未找到引用源。()[]()t p p p n B e f f B ?++?
??
???+--=?βαλεμλ121112221 2-2
两边同时除以B λ得：
()[]()t p p p n eff B
B
?++?
??
???+--=?βαεμλλ1211122
21 2-3 式中错误！未找到引用源。11p ,错误！未找到引用源。 为材料的弹光系数；错误！
未找到引用源。 为光纤材料的泊松比；))(1(T ?Λ?Λ=α为热光系数；
))(1(T n n eff eff ??=β为热膨胀系数；ε为轴向应变；错误！未找到引用源。为温度变
化量。令()[]12111222
p p p n p eff
e +-=
μ 2-4
则2-2式可写为:
()()t p e B
B
?++-=?βαελλ1 2-5
因此，温度变化引起的光纤光栅反射波长移动可表示为：
t B
B
?+=?)(βαλλ 2-6
t B B ??+?=?)(βαλλ 2-7
2-7式为光纤光栅波长变化和温度变化的关系，它可以方便的将波长数据的变
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量处理成温度的变量。光纤材料确定后，光纤光栅对温度的传感特性系数可以确定为与材料系数相关的常数，保证了光纤光栅作为温度传感器有很好的线性输出。2.2.2 性能指标
光纤光栅传感器的性能指标包括传感器波长、传感器带宽、反射率、边模抑制、传感器的长度]15[。
传感器波长就是光纤布拉格光栅反射谱中尖峰的中心波长。其尖峰波长随着应变和温度的变化而持续变化；传感器带宽则是指光纤布拉格光栅反射峰所对应着的带宽。测量的精度越高，则其带宽越小，但根据实际的制作工艺水平，最合理带宽值应该在0.2nm~0.3nm之间，所以实际应用中通常取0.25nm；传感光栅的长度决定了测量点的精确程度，理论上测量点越精确，光栅的长度越小，若0.25nm的带宽，应使用物理长度为10mm传感器光栅，这个长度普遍适用。光纤光栅的带宽越窄，反射率越高，光栅性能就会更加稳定，同时加大测量系统的光功率，相应的测量距离就越长；当光栅反射率大于90%时，应将边模抑制比控制到15dB以上，理想情况下可高于20dB。
2.2.3 加工工艺
驻波法及光纤表面损伤刻蚀法都是光纤光栅制作方法，但由于成栅条件苛刻，所以成品率不高，使用很受限制。目前主要的成栅技术有下列几种]16[：（1）横向干涉法。此方法是利用双光束干涉生成干涉条纹，然后对光纤曝光以形成光纤光栅。其工作结构示意图如图2.4所示，入射紫外光波的长是244nm，经分光镜分两束，经全反射后相交在光纤上，产生干涉场，正弦分布相间的干涉条纹形成。经过一定时间，于光纤纤芯内生成和干涉条纹相同折射率分布的变化，于是正弦分布的体光栅被写入。这种方法的好处是：纵向驻波法对反射波长有限制，这种写入光栅的方法打破了这种限制，各波段都能被合理利用。操作方法简便，中心波的改变通过改变两束光的夹角或者旋转光纤放置来实现，而且若是将光纤以一定弧度放置在相干场中，就可得到Chirped型光纤光栅。不足是：这种方法对光源的空间相干性与时间相干性要求很高；要想获得准确的中心发射波长，对光路调整的精度要求很高；全息相干法需有一定的曝光时间，光路在该时间内必须有良好的
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防振性能，主要是为了避免波长量级的扰动造成光路的错位，
对相干效果有不好的影响。
图2.4 全息干涉法制作光纤光栅原理图
（2）相位掩膜成栅技术。相位掩膜成栅技术图2.5所示。使用一个相位掩膜器（相位母版）是这种方法的关键，该掩膜器是在石英硅衬底上刻周期为Λ的相位光栅，全息曝光或者电子束蚀刻结合反应离子束蚀刻技术可以制成。对衍射光束进行分离可以用相位掩膜器。理想的相位掩膜器可以使相位光栅的零级衍射为零，正负级衍射最大。因此，当相位掩膜器接受紫外光垂直照射时，紧靠掩膜器后面（微米数量级）即获得节距为Λ/2的光栅衍射的图样，于是在位于掩膜器之后的紫外光敏光纤上生成节距为Λ/2的光纤布拉格光栅。
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图2.5 相位母板制作光纤光栅原理图
入射光波长对相位掩膜光栅衍射图样周期没有影响，相位掩膜光栅与相位光栅的节距有关，所以这种方法对光源相干性要求不高，于是可提高光栅的质量与成栅的效率。这种方法的不足之处是制作掩膜比较复杂。低相干光源和相位掩膜版制作光纤光栅也是非常重要的方法，光栅耦合截面的控制还可以通过相位掩膜与扫描曝光技术相结合来实现，来制成特殊结构的光栅。该方法有利的缩减了光纤光栅的制作过程，所以它有很好的发展前景。
（3）逐点写入法。此类写入光栅条纹的方法是通过光束经柱面镜聚焦形成细长条后在光纤侧面上的曝光。逐点写入光栅条纹的意思是写入一个光栅条纹后，光纤以纳米级精度移动一个光栅的节距。它可以用在光纤拉制进程中，用激光脉冲一个个输入，达到规模化生产，不过这种方法有一定的技术难度，而且对传动机构和电机的精度要求非常高。 2.3 光纤光栅温度传感技术
温度是国际单位制中最基本物理量之一，不仅是工农业生产和科研工作中需要经常控制和测量的主要参数，同时也是与人们日常生活息息相关的一个重要物理量
]
17[。目前，比较常用的电类温度传感器是热敏电阻温度传感器和热电偶温度传感
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器。传统的相关传感器极易受外界电磁场的干扰，会因为测量距离、辐射系数黑度系数等影响导致测量精度。光纤光栅温度传感器不仅具有普通光纤温度传感器的优点，它还有一些特点：不仅易与光纤连接、光谱特性好、损耗低和可靠性高等特点，而且用波长编码传感的信息，且波长参量不因光源功率的波动和连接或耦合损耗而受到影响。由于在一根光纤中可连续制作若干光栅，使所得光栅阵列轻巧、柔软，并结合时分复用和波分复用技术，便于分布式传感元件的埋入材料和结构内部或粘贴在其表面，可多点测量温度。
温度是直接影响光纤光栅波长变化的参数，所以人们经常直接将裸光纤光栅作为温度传感器使用，虽然裸光纤光栅的线性度比较好，但灵敏度低，所以光纤光栅温度传感器也需要进行封装。封装技术的主要作用是保护脆弱的光纤光栅和增敏，实验与实际应用中需要光纤光栅能够具有较强的机械强度和较长的使用寿命，同时通过一定的封装技术提高光纤光栅的灵敏度。普通的光纤光栅其温度灵敏度只有0.010nm/℃左右，这样对于工作波长在1550nm的光纤光栅来说，测量100℃的温度范围波长变化仅为1nm。在实际测量中，如果应用分辨率为l pm的解码仪进行测量可获得较高的分辨率，而采用分辨率为0. 06nm的光谱分析仪进行测量，其分辨率仅为6度，根本满足不了实际测量的需要。目前比较常用的封装方式主要有基片式、管式和聚合物封装方式等]18[。
由于光纤布拉格光栅温度传感器的诸多优点，使之在一些特殊的传感测量领域得到重视和应用]19[。随着光纤传感器的普及和推广，光纤光栅传感技术在各个领域都有了广泛的应用。本文正是将光纤光栅温度传感器应用于测量矿井温度。
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3.1 系统组成
本次利用光纤布拉格光栅温度传感器测量矿井工作表层的温度，通过测量漂移中心波长计算相应温度，从而测出温度的改变量，达到检测的目的，如图3.1所示。
图3.1 温度检测系统组成图
3.2 系统设计
实验中使用一个简易的矿井模型来模拟矿井，中间用纸片模拟工作层面。在纸片下部分粘贴光栅，如图3.2所示。
图3.2 实验系统设计图
中北大学2014届毕业设计说明书
第 16 页 共 31 页 图3.2中，整体为矿井模型，上半部分棕色为模拟矿层（实为沙土），中央红色部分为模拟工作面（实为圆形A4纸片，用胶带和矿井壁粘贴），绿色部分为粘贴在纸片上的光栅，虚线部分为开口，方便光栅的连接。 3.3 系统的器件选择
温度计，矿井模型（扩口纸杯，上口内径7cm ，下底面内径5cm ，高7cm ，侧面挖一个洞口2*2cm ），工作面模型（两片直径6cm 的圆形A4纸片），沙土若干，较低温度的水（实测约为18℃），温度较高的水（实测约为40℃），天平，量杯。 3.3.1 光纤布拉格光栅
本次实验所用到的光纤上的光栅都是经过封装的，如图3.3所示。本次实验室是对温度的测量。防止外部应力对FBG 的影响，封装形式是在FBG 上套上金属管，FBG 两头用环氧树脂粘住]20[。
图3.3 封装好的光纤布拉格光栅
3.3.2 解调仪
本次试验解调仪中有自带光源耦合器]21[，包含宽带光源，耦合器，解调仪三部分。
（1）带宽光源。光源是将电流信号变换为光功率信号，即实现电—光转换的光学器件，它输出的光功率信号能够方便地在光纤中进行传输。目前，在光纤光栅传感系统中，常用的光源主要有：半导体发光二极管LED 、半导体激光器LD 、分布反馈半导体激光器DFB ﹑放大自发辐射光源ASE 和其他掺杂不同浓度、不同种类的稀土离子的光源。
非相关光源半导体发光二极管LED ，其工作过程主要是自发辐射过程。发光