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光學工程
光纖傳感應用

如發絲般粗細的玻璃纖維——光纖,從地面深入到幾百米的煤礦礦井之下,即可監測瓦斯濃度、溫度、微震、礦壓等關鍵數據的變化。因為光纖傳感只傳光、不帶任何電能,在煤礦這樣的特殊應用場所,就像一個具備“本質安全”的聽診器,為安全診脈、護航。

1月22日,來濟南參加“光纖和光電子傳感器及其安全應用國際會議”的300多位國內外專家、學者,在兗礦興隆莊礦參觀了煤礦安全生產光纖綜合監測系統工程的應用情況后,為山東團隊開創的光纖傳感煤礦應用“點贊”。

 

煤礦上應用的光纖傳感器

“去年推廣了幾十套,省內外都有。”山東省科學院激光研究所副所長、泰山學者劉統玉說,回國十年,現在終于到了產品成熟化、系列化,同時市場也逐漸具備認識和認可,開始進[[入標準化、產業化推廣的階段。“‘科技興安’是安全生產工作的重大戰略措施。”中國安全生產協會會長趙鐵錘在會上也對此表示肯定。

光纖傳感是一種新技術,在國際上一般應用于航空、航天、軍工、國防等高端領域。2004年,原本從事基礎研究的劉統玉決定回到國內,著手組建山東省光纖傳感技術重點實驗室和山東省光纖傳感工程技術研究中心,進行這一技術的應用探索。劉統玉說,看起來很高端的光纖傳感,其實質就是對人觸覺、嗅覺等的拓展,具有通用性,但其“本質安全”的特質使其應用具有很大的想象空間。

應用是對科研人員最好的褒獎。劉統玉選擇的突破口是煤礦,他決定把光纖傳感嫁接轉化成復雜環境的安全應用。當時,國際上有一些在油田應用的探索,但劉統玉認為中國的油田相對較少,可能暫時支撐不了新技術的市場發育,但煤是中國的基礎性能源,煤礦很多,而且對于煤礦來說安全是底線,“要求高、舍得投入”。

這一關鍵方向的確定及探索,最終使其帶領團隊成功開創了光纖傳感網絡在礦山安全綜合監測預警應用的研究及產業化。據介紹,從2007年開始投向應用后,產品逐漸定型、熟化,現已形成面向礦山安全應用環境的光纖傳感器系列、井下光纖監測綜合分站以及礦山安全綜合監控和應急信息系統,建立了面向礦山和能源領域的安全生產光纖傳感物聯網技術體系。目前已在兗礦、淄礦、新礦、棗礦、臨沂、中煤、北京首云鐵礦、萊蕪鐵礦等100余座煤礦和金屬礦山成功地進行了示范性應用。有20余項新產品通過產品認證,牽頭及參與制定了3項國家標準。同時,部分產品已逐步在澳大利亞、英國開始推廣,提升了我國礦山安全技術領域的國際影響力。

 

據了解,在此之前,煤礦安全監測主要采用傳統的電子類傳感器,在危險或密閉區域布設困難,易造成安全監控盲區;電源中斷時,應急通信和對災情信息的數據采集和傳輸系統會陷入癱瘓。此外,傳感器可靠性差、壽命短、維護工作量大、監控系統在信號采集及傳輸線路中受電磁場干擾嚴重。更重要的是,利用電能傳導,其本身也是“安全隱患”。

光纖傳感改變了這一切。光纖是一種透明的玻璃纖維絲,基本成分是石英。傳感以光波為信息載體,只傳光,不導電,不受電磁場的作用,對電磁干擾、工業干擾也有很強的抵御能力。此外,光纖傳感絕緣、耐高溫、耐腐蝕,特別適合在易燃易爆、高溫、高壓、潮濕、強電磁場、強腐蝕性等極端惡劣條件下應用。光纖傳感器還比傳統的傳感器在組網和傳輸距離方面更具優勢,特別是可以在一根光纖上串聯多個相同或不同類型的傳感器,實現多點監測,很容易實現整個礦山的傳感分布,實現較大空間范圍的連續監測。

“煤礦使用的甲烷傳感器,以前電子的一周必須要校對一次,總擔心準不準確的問題。光纖就不一樣了!我們現在定的標準是6個月檢校一次,但在標準化之前,最早安裝的一臺運行了3年半都不需要校對、依然準確。”劉統玉說。

雖然光纖傳感投資成本要較傳統方式高出近半,但仍具有很強的市場競爭力。十年來,該團隊先后主持完成了近10項國家“863”、科技支撐和國際科技合作項目及近百項省市級科技攻關課題,取得發明專利40余項,其中有多項科研成果填補了國內空白,達到了國際領先水平。

而在電力及石油領域,劉統玉團隊也獲得了突破性成果,自主研制成功了國內首個可在高溫高壓油井下使用的傳感器,研發出達到國際領先水平的智能油井多參數綜合監測系統,該系統在油氣資源開采過程中,實時在線監測油井下的溫度和壓力變化,通過調整采油工藝參數,可提升油氣采收率5%—10%以上。

“光纖傳感應用絕不僅僅只是想象。”劉統玉說。記者從省科技廳獲悉,光纖和光電子傳感器及其安全應用已列入山東推進科技創新的重點領域。

 


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