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光学工程
光纤传感应用

如发丝般粗细的玻璃纤维——光纤,从地面深入到几百米的煤矿矿井之下,即可监测瓦斯浓度、温度、微震、矿压等关键数据的变化。因为光纤传感只传光、不带任何电能,在煤矿这样的特殊应用场所,就像一个具备“本质安全”的听诊器,为安全诊脉、护航。

1月22日,来济南参加“光纤和光电子传感器及其安全应用国际会议”的300多位国内外专家、学者,在兖矿兴隆庄矿参观了煤矿安全生产光纤综合监测系统工程的应用情况后,为山东团队开创的光纤传感煤矿应用“点赞”。

 

煤矿上应用的光纤传感器

“去年推广了几十套,省内外都有。”山东省科学院激光研究所副所长、泰山学者刘统玉说,回国十年,现在终于到了产品成熟化、系列化,同时市场也逐渐具备认识和认可,开始进[[入标准化、产业化推广的阶段。“‘科技兴安’是安全生产工作的重大战略措施。”中国安全生产协会会长赵铁锤在会上也对此表示肯定。

光纤传感是一种新技术,在国际上一般应用于航空、航天、军工、国防等高端领域。2004年,原本从事基础研究的刘统玉决定回到国内,着手组建山东省光纤传感技术重点实验室和山东省光纤传感工程技术研究中心,进行这一技术的应用探索。刘统玉说,看起来很高端的光纤传感,其实质就是对人触觉、嗅觉等的拓展,具有通用性,但其“本质安全”的特质使其应用具有很大的想象空间。

应用是对科研人员最好的褒奖。刘统玉选择的突破口是煤矿,他决定把光纤传感嫁接转化成复杂环境的安全应用。当时,国际上有一些在油田应用的探索,但刘统玉认为中国的油田相对较少,可能暂时支撑不了新技术的市场发育,但煤是中国的基础性能源,煤矿很多,而且对于煤矿来说安全是底线,“要求高、舍得投入”。

这一关键方向的确定及探索,最终使其带领团队成功开创了光纤传感网络在矿山安全综合监测预警应用的研究及产业化。据介绍,从2007年开始投向应用后,产品逐渐定型、熟化,现已形成面向矿山安全应用环境的光纤传感器系列、井下光纤监测综合分站以及矿山安全综合监控和应急信息系统,建立了面向矿山和能源领域的安全生产光纤传感物联网技术体系。目前已在兖矿、淄矿、新矿、枣矿、临沂、中煤、北京首云铁矿、莱芜铁矿等100余座煤矿和金属矿山成功地进行了示范性应用。有20余项新产品通过产品认证,牵头及参与制定了3项国家标准。同时,部分产品已逐步在澳大利亚、英国开始推广,提升了我国矿山安全技术领域的国际影响力。

 

据了解,在此之前,煤矿安全监测主要采用传统的电子类传感器,在危险或密闭区域布设困难,易造成安全监控盲区;电源中断时,应急通信和对灾情信息的数据采集和传输系统会陷入瘫痪。此外,传感器可靠性差、寿命短、维护工作量大、监控系统在信号采集及传输线路中受电磁场干扰严重。更重要的是,利用电能传导,其本身也是“安全隐患”。

光纤传感改变了这一切。光纤是一种透明的玻璃纤维丝,基本成分是石英。传感以光波为信息载体,只传光,不导电,不受电磁场的作用,对电磁干扰、工业干扰也有很强的抵御能力。此外,光纤传感绝缘、耐高温、耐腐蚀,特别适合在易燃易爆、高温、高压、潮湿、强电磁场、强腐蚀性等极端恶劣条件下应用。光纤传感器还比传统的传感器在组网和传输距离方面更具优势,特别是可以在一根光纤上串联多个相同或不同类型的传感器,实现多点监测,很容易实现整个矿山的传感分布,实现较大空间范围的连续监测。

“煤矿使用的甲烷传感器,以前电子的一周必须要校对一次,总担心准不准确的问题。光纤就不一样了!我们现在定的标准是6个月检校一次,但在标准化之前,最早安装的一台运行了3年半都不需要校对、依然准确。”刘统玉说。

虽然光纤传感投资成本要较传统方式高出近半,但仍具有很强的市场竞争力。十年来,该团队先后主持完成了近10项国家“863”、科技支撑和国际科技合作项目及近百项省市级科技攻关课题,取得发明专利40余项,其中有多项科研成果填补了国内空白,达到了国际领先水平。

而在电力及石油领域,刘统玉团队也获得了突破性成果,自主研制成功了国内首个可在高温高压油井下使用的传感器,研发出达到国际领先水平的智能油井多参数综合监测系统,该系统在油气资源开采过程中,实时在线监测油井下的温度和压力变化,通过调整采油工艺参数,可提升油气采收率5%—10%以上。

“光纤传感应用绝不仅仅只是想象。”刘统玉说。记者从省科技厅获悉,光纤和光电子传感器及其安全应用已列入山东推进科技创新的重点领域。

 


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