巷道用阵列式光纤光栅风压传感器装置及其数据传输系统的制作方法

1.本发明属于矿山巷道环境风压长期监测技术领域，具体涉及一种巷道用阵列式光纤光栅风压传感器装置及其数据传输系统。


背景技术：

2.风压传感器是目前工程中一种常用的传感器，广泛应用于隧道、水利、建筑、电力、航空等领域。
3.目前的风压传感器能精确测量单点风压，但大部分都难以做到长期监测和多点监测，且在巷道尤其是回风巷道中长期监测，会使传感器累计灰尘，长期监测效果欠佳，另外，大部分已有的传感技术采用金属应变片测量风压，在风压较小时，其准确度有局限，同时在复杂电磁和声学环境的巷道中，对电阻式传感器、霍尔式传感器、超声波传感器都存在干扰。综上所述，目前缺乏一种能在巷道长期多点监测且稳定性和抗干扰能力强的风压传感器。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种巷道用阵列式光纤光栅风压传感器装置及其数据传输系统，适用于巷道的长期监测和多点监测。
5.本发明采用的技术方案是：一种巷道用阵列式光纤光栅风压传感器装置及其数据传输系统，其特征在于：包括若干个所述风压传感器、一个传感器补偿装置、光纤光栅解调仪、无线模块和远程监控系统，所述风压传感器和传感器补偿装置通过光纤串联后与光纤光栅解调仪的信号输入端光连接；所述光纤光栅解调仪的输出端与无线模块电连接；所述无线模块与远程监控系统无线通信连接；所述传感器补偿装置设置于选取的多个风压传感器之间；所述若干个风压传感器和传感器补偿装置设置于巷道内并沿巷道的延伸方向分布；所有风压传感器均用于向监测光纤光栅解调仪反馈该风压传感器内部器件在其设置位置处的由风压影响产生的变化；所述传感器补偿装置用于向监测光纤光栅解调仪反馈传感器补偿装置内部器件在其设置位置处又除风压之外的环境因素影响产生的变化；所述光纤光栅解调仪用于根据所述若干个风压传感器和传感器补偿装置的反馈信息计算出巷道内当前风压数据以及所述风压传感器和传感器补偿装置的相对位置，并将所述当前风压数据以及所述风压传感器和传感器补偿装置相对位置数据通过无线模块发送至远程监控系统；所述远程监控系统用于显示接收到的当前风压数据以及所述风压传感器和传感器补偿装置的相对位置数据。
6.上述技术方案中，所述风压传感器包括负压腔、正压腔、气密性薄膜、第一皮托管、第二皮托管；其中负压腔和正压腔沿巷道延伸方向同轴设置形成一体化的腔体结构，正压腔设置于负压腔的前端；负压腔和正压腔之间设置有气密性薄膜，所述气密性薄膜分隔为两个腔室；所述第一皮托管设置于正压腔内，所述正压腔通过第一皮托管联通外界空气；所述第一皮托管的延伸方向与负压腔和正压腔的轴线方向相同；所述第二皮托管设置于负压
腔内，所述负压腔通过第二皮托管联通外界空气；所述第二皮托管的延伸方向与负压腔和正压腔的轴线方向垂直；所述气密性薄膜上设置有光纤光栅；所述光纤光栅设置于负压腔内；所述光纤光栅作为风压传感器内部器件通过光纤与光纤光栅解调仪光连接；若干个风压传感器的光纤光栅通过光纤串联后与光栅解调仪的信号输入端光连接。
7.上述技术方案中，所述传感器补偿装置包括负压腔、正压腔、气密性薄膜、光纤光栅、第二皮托管、第三皮托管；其中负压腔和正压腔沿巷道延伸方向同轴设置形成一体化的腔体结构，正压腔设置于负压腔的前端；负压腔和正压腔之间设置有气密性薄膜，所述气密性薄膜分隔为两个腔室；所述传感器补偿装置中的正压腔中设置有第三皮托管，传感器补偿装置中的正压腔通过第三皮托管与外界空气相连通；所述第三皮托管的延伸方向与负压腔和正压腔的轴线方向垂直；所述负压腔内设置有第二皮托管，所述负压腔通过第二皮托管联通外界空气；所述第二皮托管的延伸方向与负压腔和正压腔的轴线方向垂直；所述气密性薄膜上设置有光纤光栅；所述光纤光栅设置于负压腔内；所述传感器补偿装置中的光纤光栅作为传感器补偿装置内部器件通过光纤与光纤光栅解调仪光连接；若干个风压传感器的光纤光栅和传感器补偿装置中的光纤光栅和通过光纤串联后与光栅解调仪的信号输入端光连接。
8.上述技术方案中，所述风压传感器和传感器补偿装置均还包括同轴设置的转向轴承和固定中空杆；转向轴承和固定中空杆的轴线与负压腔和正压腔的轴线方向相垂直；所述固定中空杆固定于巷道内壁上；所述负压腔通过转向轴承与固定中空杆连接并实现转向；所述负压腔、转向轴承和固定中空杆对应配合设置有用于引出光纤的通孔。
9.上述技术方案中，所述风压传感器和传感器补偿装置的负压腔的尾端均设置有尾翼，所述尾翼的通过与连杆与负压腔固定连接；所述连杆的延伸方向与负压腔的轴线方向相同；所述尾翼的翼面竖直设置且与负压腔的轴线在同一平面上；所述尾翼使第一皮托管始终正对风流方向，第二皮托管和第三皮托管始终垂直风流方向；所述尾翼使风压传感器的重心与固定中空杆在同一条垂直线上。
10.上述技术方案中，所述第一皮托管的位于正压腔内部的管口竖直向上延伸；所述第一皮托管的另一端管口沿正压腔的轴线方向延伸至正压腔外部；所述第二皮托管位于负压腔内的管口沿负压腔的轴线方向延伸；所述第二皮托管的另一端管口竖直向下延伸至负压腔腔体壁；所述第三皮托管位于正压腔内的管口沿正压腔的轴线方向延伸；所述第三皮托管的另一端管口竖直向下延伸至正压腔腔体壁。
11.上述技术方案中，所述风压传感器和传感器补偿装置的正压腔和负压腔采用无尘玻璃作为腔体外壳，且表面喷涂有无机纳米硅材料。
12.上述技术方案中，所述风压传感器和传感器补偿装置的正压腔与负压腔之间通过螺纹连接。
13.上述技术方案中，所述风压传感器和传感器补偿装置的气密性薄膜为弹性薄膜；所述风压传感器和传感器补偿装置的正压腔与负压腔相互配合的螺纹结构将气密性薄膜夹设于正压腔和负压腔之间并绷紧；所述光纤光栅粘贴于气密性薄膜中心位置。
14.上述技术方案中，所述光纤光栅解调仪通过各个风压传感器的光纤光栅反射光的返回时间和返回中心波长的变化分别计算所有光纤光栅的位置和所在位置的风压变化，再减去传感器补偿装置的光纤光栅测得的系统误差，得到实际风压变化，所述光纤光栅解调
仪通过传感器补偿装置的光纤光栅反射光的时间长度解算出风压传感器和传感器补偿装置的相对位置。
15.本发明的有益效果是：本发明可避免巷道灰尘、振动、电磁干扰等外界因素对传感器的影响，适用于巷道的长期监测和多点监测。本发明采用无尘玻璃作皮托管和传感器外壳，巷道中灰尘不易粘黏在传感器或皮托管管口，避免长期监测过程中的数据漂移。本发明使用弹性薄膜材料作为基底，避免了爆破振动时传感器内部结构的损坏，通过调节绷紧气密性薄膜的力调整薄膜变形的敏感度。本发明使用阵列式光纤光栅作为敏感元件，光的传播不会受到电磁环境的影响，从原理上避免电磁干扰，阵列式光纤光栅配合解调仪能识别不同距离的光纤光栅，能实现一条光路上的多点监测数据传输。本发明的正压腔和负压腔之间的连接方式便于拆卸和更换气密性薄膜和光纤光栅。本发明的转向轴承支座及固定中空杆的设计便于光纤的引出。其中，风压传感器串联以及数据传输方式便于监测巷道中的风压分布，风压传感器串联方式简单，安装方便。
附图说明
16.图1为本发明阵列式光纤光栅风压传感器装置及其数据传输系统的优选实例的结构示意图。
17.图2为本发明的阵列式光纤光栅风压传感器的优选实例的结构示意图。
18.图3为本发明的阵列式光纤光栅风压传感器的气密性薄膜的优选实例的结构示意图。
19.图4为本发明的传感器补偿装置的优选实例的结构示意图。
20.其中，1-负压腔，2-正压腔，3-气密性薄膜，4-尾翼，5-转向轴承，6-固定中空杆，7-第一皮托管，8-第二皮托管，9-光纤光栅，10-光纤光栅解调仪，11-无线模块，12-第三皮托管，13-风压传感器，14-传感器补偿装置。
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
22.如图1所示，本发明提供了一种巷道用阵列式光纤光栅风压传感器装置及其数据传输系统，包括若干个风压传感器13、一个传感器补偿装置14、光纤光栅解调仪10、无线模块11和远程监控系统，所述风压传感器和传感器补偿装置通过光纤串联后与光纤光栅解调仪10的信号输入端光连接；所述光纤光栅解调仪10的输出端与无线模块11电连接；所述无线模块11与远程监控系统无线通信连接；所述传感器补偿装置设置于选取的两个风压传感器之间；所述若干个风压传感器和传感器补偿装置设置于巷道内并沿巷道的延伸方向分布；所有风压传感器均用于向监测光纤光栅解调仪10反馈该风压传感器内部器件在其设置位置处的由风压影响产生的变化；所述传感器补偿装置用于向监测光纤光栅解调仪10反馈传感器补偿装置内部器件在其设置位置处又除风压之外的环境因素影响产生的变化；所述光纤光栅解调仪10用于根据所述若干个风压传感器和传感器补偿装置的反馈信息计算出巷道内当前风压数据以及所述风压传感器和传感器补偿装置的相对位置，并将所述当前风压数据以及所述风压传感器和传感器补偿装置相对位置数据通过无线模块11发送至远程
监控系统；所述远程监控系统用于显示和存储接收到的当前风压数据以及所述风压传感器和传感器补偿装置的相对位置数据。所述光纤光栅解调仪10有分辨不同距离光纤光栅9的功能模块，能计算光的反射时间，有将反射光信号转化为风压电信号的转换模块，能识别并计算反射光主频的变化。所述远程监控系统通过蜂窝网络、wifi网络等无线网络系统与光纤光栅解调仪10进行数据传输，所述远程监控系统通过html等技术实现，能在任何有互联网的地方实现监控。同一片温度相同的区域只需要一个温度补偿装置。某个温度区域内的温度补偿装置设置于该区域内选取的相邻的两个风压传感器之间。
23.上述技术方案中，所述光纤光栅解调仪10通过各个风压传感器的光纤光栅9反射光的返回时间和返回中心波长的变化分别计算所有光纤光栅9的位置和所在位置的风压变化，再减去传感器补偿装置的光纤光栅9测得的系统误差，得到实际风压变化，所述光纤光栅解调仪10通过传感器补偿装置的光纤光栅9反射光的时间长度解算出风压传感器和传感器补偿装置的相对位置。本数据传输系统使用时，对单一风压传感器进行串联布置，连接成串联风压传感器阵列，可以实现对巷道风压变化的远程监测。
24.如图2所示，所述风压传感器包括负压腔1、正压腔2、气密性薄膜3、第一皮托管7、第二皮托管8；其中负压腔1和正压腔2沿巷道延伸方向同轴设置形成一体化的腔体结构，正压腔2设置于负压腔的前端；负压腔1和正压腔2之间设置有气密性薄膜3，所述气密性薄膜3分隔为两个腔室；所述第一皮托管7设置于正压腔2内，所述正压腔2通过第一皮托管7联通外界空气；所述第一皮托管7的延伸方向与负压腔1和正压腔2的轴线方向相同；所述第二皮托管8设置于负压腔1内，所述负压腔1通过第二皮托管8联通外界空气；所述第二皮托管8的延伸方向与负压腔1和正压腔2的轴线方向垂直；所述气密性薄膜3上设置有光纤光栅9；所述光纤光栅9设置于负压腔1内；所述光纤光栅9作为风压传感器内部器件通过光纤与光纤光栅解调仪10电连接；若干个风压传感器的光纤光栅9通过光纤串联后与光栅解调仪的信号输入端光连接。
25.气密性薄膜3上有光纤光栅9作为敏感元件，在使用过程中，由于第一皮托管7正对风流方向而第二皮托管8垂直于风流，在正压腔2与负压腔1之间形成压力差，由于两腔之间存在气密性薄膜3，气密性薄膜3在两端压力差的作用下，向负压腔1一侧凹陷，气密性薄膜3产生应变，使光纤光栅9获得拉伸应变，通过光纤光栅解调仪10测得光纤光栅9的栅区长度变化，通过栅区长度变化与压力之间的关系计算出风流的动压大小。
26.上述技术方案中，还包括同轴设置的转向轴承5和固定中空杆6；转向轴承5和固定中空杆6的轴线与负压腔1和正压腔2的轴线方向相垂直；所述固定中空杆6固定于巷道内壁上；所述负压腔1通过转向轴承5与固定中空杆6连接并实现转向；所述负压腔1、转向轴承5和固定中空杆6对应配合设置有用于引出光纤的通孔。轴承支座使传感器能左右转向，固定中空杆6用于把传感器固定在巷道，所述轴承支座和中空杆有引出光纤的通孔，共同用于保护数据传输光纤，使光纤穿入和穿出传感器内部
27.上述技术方案中，所述负压腔1的尾端设置有尾翼4，所述尾翼4的通过与连杆与负压腔1固定连接；所述连杆的延伸方向与负压腔1的轴线方向相同；所述尾翼4的翼面竖直设置且与负压腔1的轴线在同一平面上；所述尾翼4使第一皮托管7始终正对风流方向，第二皮托管8始终垂直风流方向；所述尾翼4使风压传感器是重心与固定中空杆6在同一条垂直线上。所述的尾翼4用于控制风压传感器左右转动，所述尾翼4使第一皮托管7始终正对风流方
向，第二皮托管8始终垂直风流方向。
28.所述正压腔2与负压腔1之间通过螺纹连接。螺接位置设有防滑纹，便于安装和更换气密性薄膜3，负压腔1与尾翼4之间焊接，控制传感器重心与固定中空杆6在同一条垂直线上，转向轴承5支座和固定中空杆6设置通孔以便光纤连接外部设施。
29.上述技术方案中，所述第一皮托管7的位于正压腔2内部的管口竖直向上延伸；所述第一皮托管7的另一端管口沿正压腔2的轴线方向延伸至正压腔2外部；第一皮托管7内部管口竖直向上，不使冷凝水或污渍等掉落传感器内部。所述第二皮托管8位于负压腔1内的管口沿正压腔2的轴线方向延伸；所述第二皮托管8的另一端管口竖直向下延伸至负压腔1腔体壁。第二皮托管8管口竖直向下，与风流方向保持垂直时，不使冷凝水或污渍等掉落传感器内部
30.上述技术方案中，所述正压腔2和负压腔1采用无尘玻璃作为腔体外壳，且表面喷涂有无机纳米硅材料。由于使用了无尘玻璃作为传感器制作材料，即使在污风条件下长期监测，皮托管管口也难以堵塞灰尘，监测结果长期可信。作为本发明的优选实例，玻璃涂上一层无机纳米硅，其特点是表面为超亲水涂层且防灰尘好，不依赖阳光照射，在完全无光环境下一样起作用，用于减小巷道内灰尘对传感器精度的影响。
31.上述技术方案中，所述气密性薄膜3为弹性薄膜；所述所述正压腔2与负压腔1相互配合的螺纹结构将气密性薄膜3夹设于正压腔2和负压腔1之间并绷紧；所述光纤光栅9粘贴于气密性薄膜3中心位置。在使用时，调整气密性薄膜3不同的绷紧力度，可调整风压传感器的灵敏度。
32.如图4所示，所述传感器补偿装置用于传感器的温度补偿和长期监测中气密性薄膜3的应力松弛补偿，包括负压腔1、正压腔2、气密性薄膜3、光纤光栅9、第二皮托管8、第三皮托管12、尾翼4、转向轴承5、固定中空杆6；所述传感器补偿装置中的正压腔2中未设置第一皮托管7但设置有第三皮托管12，传感器补偿装置中的正压腔2通过第三皮托管12与外界空气相连通；所述第三皮托管12竖直向下延伸至正压腔2腔体壁；所述第三皮托管12位于正压腔2内的管口沿正压腔2的轴线方向延伸；传感器补偿装置中的其他各部件设置方式与风压传感器相同；所述传感器补偿装置中的光纤光栅9作为传感器补偿装置内部器件通过光纤与光纤光栅解调仪10电连接；若干个风压传感器的光纤光栅9和传感器补偿装置中的光纤光栅9和通过光纤串联后与光栅解调仪的信号输入端光连接。使用时在风流和尾翼4的共同作用下，传感器补偿装置中轴线始终正对风流方向，第二皮托管8和第三皮托管12均垂直于风流方向。正压腔2与负压腔1之间压力相等，气密性薄膜3不会因为风流压力作用而变形进而导致光纤光栅9的栅区长度变化。但是巷道中温度的变化、长期监测的时间、空气中的腐蚀性气体对气密性薄膜3的影响会导致光纤光栅9的栅区长度变化，上述影响因素对述风压传感器和传感器补偿装置的影响相同，因而为了长期监测的准确性，设置如图4所示传感器补偿装置可以直接测量并消除不利因素的影响。
33.本发明公开了一种巷道用阵列式光纤光栅风压传感器装置及其数据传输系统，适用于长期测量一段长巷道中的风压变化情况。与已有的其他风压传感器相比，本发明具有以下创新和优势：适用于巷道中各种恶劣电磁环境、振动环境和污染情况，内部采用弹性气密性薄膜，可变换不同灵敏度适应不同风速的巷道；外部采用无尘玻璃，无灰尘堆积，解决长期监测数据漂移问题；气密性薄膜位于腔体内部，腔体内部无明显气体流动，从而增加了
气密性薄膜和光纤光栅的稳定性和使用寿命；敏感元件采用阵列式光纤光栅，用光作为信息传输介质，不受复杂电磁环境影响，阵列式光纤光栅可以做到多点同时监测且使用同一条光纤的光路，在长距离监测中降低了光纤的损耗，节约了成本；所有电路集中在光纤光栅解调仪中，减小了巷道中的各种振动对传感器的使用寿命的影响；通过多个风压传感器、补偿设施和光纤光栅解调仪的串联和无线模块的的数据传输以及远程监测系统，实现了任意时间、任意地点对巷道风压数据的监测。
34.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包含在本发明的专利保护范围内。