基于VCSEL波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于VCSEL波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测系统及方法，检测系统包括低功耗无线光纤光栅解调仪、光纤光栅顶板状态检测传感模块和无线基站；低功耗煤矿无线顶板状态检测系统在不包括无线基站时的总功耗小于500mW；该检测系统利用低功耗VCSEL光纤光栅波长解调技术和无线传输技术实现低功耗、低成本光纤顶板状态检测，解决传统光纤顶板状态检测系统成本高昂、施工不便、功耗大、无法现场显示的问题。由于VCSEL激光器无需温度控制，因此系统的整体功耗低至500mW以下，极大地提高单个或多个检测点的布设的灵活性。单个或多个检测点的布设的灵活性。单个或多个检测点的布设的灵活性。

【技术实现步骤摘要】
基于VCSEL波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测系统及方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感/光电检测
，尤其涉及一种基于VCSEL光纤光栅波长解调技术的低功耗煤矿无线顶板状态检测系统及方法。

技术介绍

[0002]对煤矿顶板状态进行及时监测，及早发现顶板可能失稳的征兆，以避免冒顶事故的发生，对煤矿安全生产具有重要意义。
[0003]传统机械式顶板状态检测传感器主要靠人工定时测量顶板状态情况，检测误差较大，而且不能实时监测。电子式顶板状态检测系统可以实现在线监测、显示、存储和上传测量的顶板状态数据等功能，已经逐步取代机械式顶板状态检测传感器。由于电子式顶板状态检测系统的功耗低，很容易组建无线传感网络，因此在煤矿中被广泛采用。但是，电子式顶板状态检测传感器主要是基于电位器工作原理，将顶板的相对位移的机械量转变为电位器的旋转电位量，并以电子信号输出，从而达到检测目的。由于煤矿井下的工作环境是高潮湿，多粉尘，当长期工作在这种环境下，电子式顶板状态传感器的电位器动触点，特别是滑触簧片与固定触点电阻体之间容易受潮氧化、锈蚀，使得电位信号的传输不能正常进行，因而产生误报、不报等问题，严重影响顶板状态检测的准确性，成为煤矿安全生产监测的潜在隐患。
[0004]在光纤式顶板状态检测系统中，所检测到的顶板离层位移变化和锚杆受力情况是通过光纤光栅Fiber Bragg Grating(FBG)解调仪检测FBG传感器中心波长的变化量来实现的。光纤传感器与传统电子传感器相比具有可靠性高、不带电、本质安全、抗电磁干扰能力强和易于复用等优点，目前在煤矿井下已有很多成熟应用的案例。但是，在实际应用中，光纤传感器依然存在如下缺点：1) 现场需要布设长距离光缆，对安装和施工提出了挑战；2)井下环境条件恶劣时，顶板冒落的煤块或岩石容易将光缆砸断；3)由于光纤传感模块无源不带电，无法做到在监测现场显示和报警；4)一般矿用传统光纤光栅解调仪的功耗较大，通常在10W以上，井下安装需要厚重的隔爆防护。
[0005]因此，如何克服纯电子式或纯光纤式顶板状态检测传感器的缺点，并保留两者的优点，就是本专利所要解决的技术难题。

技术实现思路

[0006]针对上述电子式和光纤式顶板状态检测系统的存在的问题，本专利技术的目的之一在于提供一种基于Vertical
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cavity surface
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emitting laser(VCSEL)波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测系统，所解决的关键技术问题是利用低功耗的VCSEL光纤光栅波长解调技术，降低光纤光栅解调仪的功耗，使得光纤光栅解调仪可以采用安装在传感器附近的电池供电，从而大大减少光纤式顶板状态检测系统的功耗。利用无线传输技术将解调的顶板位移信息通过一个无线模块传输到无线基站，无线基站再通过井下环网将测量的数据传输到井上调度室，形成一个完整的光纤光栅无线顶板状态检测系统，这样的检测系统即利用了
光纤光栅的优点，也克服了传统光纤光栅解调仪安装在控制室，并依靠长距离光缆传输的工作模式的缺点，使得光纤光栅无线顶板状态检测系统更加适用于煤矿井下实际现场应用。
[0007]本专利技术的目的之二在于提供一种基于VCSEL波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测工作方法。该检测工作过程采用间歇式、指令唤醒式和矿灯唤醒式工作方式，降低系统运行功耗，提高系统随时查询顶板状态信息的灵活性；所述光纤式顶板状态检测系统采用顶板状态检测过程与无线发送过程分时进行，进一步降低系统功耗，实现煤矿无线顶板状态检测的需求。
[0008]本专利技术的目的之一采用如下技术方案实现：一种基于VCSEL波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测系统，包括低功耗无线光纤光栅解调仪、光纤光栅顶板状态检测传感模块和无线基站；所述低功耗煤矿无线顶板状态检测系统在不包括无线基站时的总功耗小于500mW；
[0009]所述低功耗无线光纤光栅解调仪包括低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块、 MCU模块、无线收发模块、声光报警显示模块、光电传感器模块、温度压力检测模块、电源模块；所述MCU模块分别与低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块、无线收发模块、声光报警显示模块、光电传感器模块、温度压力检测模块、电源模块电性连接；所述低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块与所述光纤光栅顶板状态检测传感模块通过光纤或光缆连接；所述电源模块用于为低功耗无线光纤光栅解调仪供电。
[0010]所述光纤光栅顶板状态检测传感模块包括无源光纤光栅顶板离层传感探头和无源光纤光栅锚杆应力传感探头，传感光纤光栅分别设置于所述传感探头内，并通过光纤或光缆与所述低功耗无线光纤光栅解调仪连接。所述无源光纤光栅顶板离层传感探头用于检测深基点和浅基点离层值；所述无源光纤光栅锚杆应力传感探头用于检测锚杆应力值。
[0011]所述无线收发模块用于从无线基站接收读取、查询顶板状态检测数据指令和向无线基站发送顶板状态检测数据。
[0012]所述声光报警显示模块用于现场显示顶板状态检测相关数值以及对顶板状态检测值即将超限时和超限时进行预警提示和报警。
[0013]所述光电传感模块在感应到灯光照射时，就启动显示屏。在实际应用中，当低功耗无线光纤光栅解调仪受到矿灯照射时，显示屏开始现场显示所测数据。
[0014]所述环境温度压力检测模块用于检测当时当地的环境温度和压力，修正光纤光栅的测量结果。
[0015]进一步地，所述低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块包括VCSEL激光器、电流驱动电路、光纤分路器、光电信号探测器、放大电路、采集电路；所述低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块功耗小于100mW。
[0016]进一步地，所述低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块中，所述电流驱动电路产生锯齿波扫描驱动电流，并驱动VCSEL激光器发射扫描波长随电流增大而增加的光束，该光束耦合到光纤内，在周期锯齿波扫描驱动电流的每一个周期内，激光器波长由短增长的变化范围为一个波长扫描范围，扫描波长的范围涵盖光纤光栅中心波长；耦合在光纤中的光束经光纤分路器将光能量均分为到2+N 的输出光路，N≥1，其中2路分别对应进入光电信号探测器和自带参考气室的光电参考探测器并转换为电信号；再通过放大电路放大信号由采集电
路转换成数字信号；其余N路分别经过N个2
×
1光纤耦合器，再通过传输光纤或光缆传递到设置于所述光纤光栅顶板状态检测传感模块中的传感光纤光栅，光束经这些光栅调制反射后经过对应的2
×
1光纤耦合器分别进入对应的光电信号探测器转换为电信号；每一或/和两个光纤光栅组成一个传感检测单元，该传感检测单元设置在无源光纤光栅锚杆应力传感探头或/和无源光纤光栅顶板离层传感探头中。利用低功耗VCSEL光纤光栅解调仪内部的温度压力模块测量温度和压力值；MCU根据采集到的数字信号、温度压力模块的环境温度和压力值，解调出光纤光栅反射波长的变化量，并根据预先标定传感光纤光栅波长随应力或位移变化的关系曲线、波长随温度变化的关系曲线，计算出锚杆应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于VCSEL波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测系统，其特征在于，包括低功耗无线光纤光栅解调仪、光纤光栅顶板状态检测传感模块和无线基站；所述低功耗煤矿无线顶板状态检测系统在不包括无线基站时的总功耗小于500mW；所述低功耗无线光纤光栅解调仪包括低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块、MCU模块、无线收发模块、声光报警显示模块、光电传感器模块、温度压力检测模块、电源模块；所述MCU模块分别与低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块、无线收发模块、声光报警显示模块、光电传感器模块、温度压力检测模块、电源模块电性连接；所述低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块与所述光纤光栅顶板状态检测传感模块通过光纤或光缆连接；所述电源模块用于为低功耗无线光纤光栅解调仪供电。2.如权利要求1所述的基于VCSEL波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测系统，其特征在于，所述光纤光栅顶板状态检测传感模块包括无源光纤光栅顶板离层传感探头和无源光纤光栅锚杆应力传感探头；所述无源光纤光栅顶板离层传感探头用于检测深基点和浅基点离层值；所述无源光纤光栅锚杆应力传感探头用于检测锚杆应力值。3.如权利要求1所述的基于VCSEL波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测系统，其特征在于，所述低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块包括VCSEL激光器、电流驱动电路、光纤分路器、光电信号探测器、放大电路、采集电路；所述低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块功耗小于100mW。4.如权利要求3所述的基于VCSEL波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测系统，其特征在于，所述低功耗VCSEL光纤光栅波长解调模块中，所述电流驱动电路产生锯齿波扫描驱动电流，并驱动VCSEL激光器发射扫描波长随电流增大而增长的光束，该光束耦合到光纤内；在周期锯齿波扫描驱动电流的每一个周期内，激光器波长由短增长的变化范围为一个波长扫描范围，扫描波长的范围涵盖光纤光栅顶板状态检测传感模块中光纤光栅中心波长；耦合在光纤中的光束经光纤分路器将光能量均分到2+N的输出光路，N≥1，其中1路用于检测光源光功率的稳定状态；其中另1路经过参考气室，用于系统光谱自校准和标定；其余N路分别传输至传感光纤光栅；每一或/和两个光纤光栅组成一个传感检测单元，该传感检测单元分别设置在无源光纤光栅锚杆应力传感探头或/和无源光纤光栅顶板离层传感探头中。5.如权利要求4所述的基于VCSEL波长解调的低功耗煤矿无线顶板检测系统，其特征在于，经N个光纤光栅调制反射后进入光电信号探测器转换为电信号；再通过放大电路放大信号由采集电路转换成数字信号；MCU模块根据采集到的数字信号、温度压力模块的环境温度和压力值，解调出光纤光栅反射波长和波长变化量，并根据预先标定传感光纤光栅波长随应力或位移变化的关系曲线、波长随温度变化的关系曲线，计算出锚杆应力值、顶板离层位移量相对和绝对变化量。6.如权利要求3所述的基于VCSEL波长解调的低功耗煤...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨青山，金光贤，刘统玉，宁雅农，曹鲁，
申请(专利权)人：广东感芯激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：