光纤监控（精选7篇）
光纤监控 篇1
随着风电行业的迅猛发展, 风力发电机组由陆地走到海洋[1], 由传统的1.5兆瓦风机发展到6兆瓦风机, 由2007年风电机组装机容量世界第五发展到2011年世界第一, 累计装机容量达到62.7吉瓦。过去几年间爆炸式增长把中国风电产业推上世界第一的位置, 但产业的精细化、成熟度还远没有达到应有的水平, 质量和运行可靠性问题逐渐凸显, 安全事故频发[2、3]。据不完全统计, 从2011年1月到7月底, 国内已经有大约8台风机由于各种不同的原因被火灾彻底烧毁, 所造成的损失更是触目惊心。为了保证风力发电机组的可靠稳定运行, 降低维护成本, 最有效的方法是监控风力发电机组的运行状态[4、5]。近年来, 随着光纤传感技术的快速发展, 光纤传感器其在电力系统中的应用不断出现[6、7]。该风力发电机组火灾监控系统由光纤传感器、视频监控系统、数据处理系统、消防报警控制器和灭火系统构成。光纤传感器实时在线监测风力发电机组的温度信息;数据处理系统存储和处理来自光纤传感器和视频监控系统的数据信息, 并发送控制信息给视频监控系统、消防报警控制器和灭火系统;消防报警控制器实现消防报警功能;灭火系统实现灭火功能。该监控系统实现了风电机组火灾的预警、报警功能;实现了风电机组火灾监控的实时话、快速化和智能化;记录风电机组火灾的发生部位、发生过程, 为分析火灾起因提供依据;实现了风电机组快速灭火, 减少因火灾造成的毁灭性损失。
一、风电机组的火灾特性
我国的风力发电机组一般安装在“三北”地区和东南沿海风力资源储量丰富的地区, 其偏远型性决定了火灾发生时, 消防救援无法及时赶到现场;风电机组一般都安装在几十米的高空, 一旦失火, 无法扑救;风电机组烧毁以后也很难判断着火原因, 一般只能推测风电机组着火原因以及着火点。因此, 风电机组需要一个对火灾具有预警报警功能、记录功能和灭火功能的智能化、快速化的实时在线监控系统。
1.1风电机组的组成
1、叶轮。叶轮是将风能转化为机械能的装置, 由叶片、整流罩、轮毂、叶片调节电机与控制系统等组成。雷击、超负荷运行、控制系统老化使叶片、调剂电机与控制系统成为风电机组火灾发生的隐患部位。2、机舱。机舱是风电机组的核心部位, 由主轴轴承、润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、发电机、提升机、偏航轴承、偏航驱动、机舱底座、照明系统、传输电缆、控制柜等组成。由于机舱空间相对封闭, 高温运行、通风不良、过热老化、润滑油泄露、高速制动等都成了火灾发生的原因。其隐患部位为润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、机舱底座、传输电缆、控制柜等。3、塔架。塔架一般为中空圆柱形, 设有数个平台, 内有爬梯、传输控制电缆, 塔架底层设有变频柜、控制柜等。由于控制柜空间狭小、通风不良、电气元件过热老化击穿, 电缆过流绝缘降低, 使传输控制电缆、变频柜、控制柜等成为其隐患部位。
1.2风电机组的火灾特性
(1) 可燃物种类多, 火灾荷载密度大; (2) 火灾隐患多, 容易发生电气火灾、固体火灾和液体火灾; (3) 通风换气迅速, 火焰蔓延速度快; (4) 容易引起附近建构筑物火灾, 诱发森林火灾和草原火灾; (5) 火灾扑救难度大, 外部救援几无可能, 且火灾坠落物严重威胁救援人员人身安全; (6) 设备价值高, 火灾损失大, 一旦发生火灾, 将造成巨大的直接损失和间接损失。 (7) 风力发电机组多位于偏远山区、丘陵和近海, 消防救援无法及时赶到、救援难度大。 (8) 风电机组火灾起火原因、着火点均无从查起, 同样的火灾事故屡屡发生。因此, 早期火灾的预警、报警、监控和灭火显得无比重要, 必须立足自救、防患于未然。
二、火灾监控系统
由于目前风电机组的火灾报警系统只有报警功能, 当消防人员赶到现场时, 火灾已经无法控制。因此, 需要一个能够对风电机组火灾进行预警、报警、灭火、火灾记录的智能化、快速化的火灾监控系统, 以避免或减少火灾造成的损失。
2.1组成与结构
本文所提出的新型智能化、快速化火灾监控系统主要由光纤传感器、视频监控系统、数据处理系统、消防报警控制器和灭火系统等组成。其中, 光纤传感器主要是耐高温、高灵敏度的特种光缆;视频监控系统主要是具有过程记录、图像识别的摄像系统;数据处理系统主要是采集、处理来自光纤传感器和视频监控系统的数据, 控制消防报警控制器和灭火系统;消防报警控制器和灭火系统主要是实现预警、报警和灭火功能。其主要结构如上图1所示。
2.2工作原理
将光纤传感器敷设在风电机组的叶轮、机舱和塔架中需要监测的设备和环境中, 快速感知其温度信息, 并将携带温度信息的光信号传至数据处理系统;经采集处理后得到温度数据, 将其存储和显示;判断温度是否异常, 如果异常, 数据处理系统将联动火灾报警控制器, 并启动视频监控系统和灭火系统, 由视频监控系统监视火灾发展变化的状况, 由灭火系统将火灾消灭在萌芽状态;数据处理系统将温度数据、图像数据和报警信息通过通信模块传送至远端监控中心, 也可以短信的方式发送给相关责任人, 实现远程监控。
2.3主要功能特点
(1) 分布式监测:将探测光缆沿塔架壁、机舱顶正弦波敷设, 进行环境温度变化实时分布式监测, 无监测盲区。 (2) 分区监测:根据风机结构特点分为三个分区:塔架、机舱、叶轮;据此划分防火分区, 分段防护。 (3) 重点监测:根据风机火灾起因, 对润滑散热系统、齿轮箱、刹车系统、机舱底座、传输电缆、控制柜、调节电机与控制系统、传输控制电缆、变频柜、控制柜等重点监测。 (4) 多级报警:定温报警:60℃、70℃、85℃、105℃、138℃、180℃;差温报警:10℃/min、20℃/min、30℃/min, 可按分区设置报警方式、报警阈值。 (5) 联动控制:利用消防联动控制器联动灭火设备、视频监控设备, 将火灾消灭在早期。
三、结论
该风力发电机组火灾监控系统具备了分布式监测、分区监测、重点监测、多级报警和联动控制等功能特点。它实现了风电机组火灾监控的实时化、快速化、智能化, 具有火灾监测、火情记录和灭火控制功能, 实现了风电机组的故障分析、火灾预警报警和灭火功能。为风力发电机组的火灾监控, 降低火灾造成的损失提供了保证。
摘要：随着风电行业的迅猛发展, 大功率机组不断投入使用, 火灾事故也由此日益频发, 对风机造成了毁灭性的破坏。火灾一旦发生, 放置在机舱和塔筒内的手提灭火器就成了摆设, 因而急需寻求一种智能化、快速化的风电机组火灾监控方案。该系统包含了光纤传感器、视频监控系统、数据处理系统、消防报警控制器和灭火系统, 它实现了实时化、快速化和智能化的风电机组火灾监控, 可实现火情记录、故障分析、火灾预警报警和灭火控制功能。
关键词：风电机组,火灾监控,自动灭火装置,光纤传感
参考文献
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光纤监控 篇2
光纤多业务平台综合了数字视频、音频、通信网络等方面的技术, 是一种集矩阵、网络服务等功能于一体, 实现视频、音频、数据, E1、电话、对讲、报警和视频会议等多种业务传输的光电一体化、网络化、数字化、智能化的多业务传输平台[1,2,3,4]。光纤多业务平台专为专网用户设计, 系统集成了数字通信技术、光通信技术和计算机技术。它采用冗余环状拓扑结构, 具有极高的系统安全性, 支持环型 (自愈) 、相切环、相交环、星型、总线链路型或混合型等组网方式[5]。光纤多业务平台可与安防系统中大部分品牌的矩阵控制系统兼容, 实现系统联网, 通过软件平台实现对整个安防系统的监控和管理[6]。
光纤多业务平台系统主要由前端接入设备、中心交换设备和网管软件组成, 其构架如图1所示。其工作原理是:前端设备通过环型、星型、总线链路型等接入方式, 与中心交换设备进行连接, 由网管软件对整条链路的参数进行配置和管理, 实现各系统联网, 全网信息共享, 后台存储和应用, 资料的存储和检索[7]。
2 光纤多业务平台安防监控系统设计
基于光纤多业务平台架构, 设计了一小学安防监控系统如图2所示。
2.1 闭路电视监控系统设计
2.1.1 总述
视频监控管理功能模块 (光纤多业务平台的一部分) 可对学校56个网络智能视频设备进行实时视频管理, 通过现有计算机网络实现连接, 结构简单, 支持一点看多点、多点看一点、多点看多点等网络观看浏览方式, 通过建立视频监控专用网, 实现最好的视频监控功能。
2.1.2 布点原则
监控系统摄像机的分布, 本着符合安防规范和节省投资的原则。主要考虑的因素有:
(1) 出入口、公共场所、重点要害部位;在校园围墙 (砖路) 、道路、重点部位、在建工程出入口、在建实验室公共场所及停车场等。
(2) 待建工程出入口、公共场所、停车场和待建道路等。
(3) 各前端根据安装位置及观察区域选择不同类型的摄像机, 大范围观测的区域选择全方位球机。
(4) 室外选择日夜型摄像机, 夜晚灯光不足的地方联动灯作为辅助光源。
(5) 有吊顶的安装位置选择吸顶式摄像机 (半球型) 。
(6) 出入口或楼梯处选择枪式定点摄像机。
小学的视频采集点, 大体分为室外、室内两类。对于室外部分, 使用网络数字智能化一体球机, 其内置22倍变焦的黑白/彩色一体化低照度摄像机芯, 可根据室外光线自动切换彩色与黑白模式, 在不同光线下实现视频的采集。
同时球内置全方位云台, 可对大范围场景进行全方位、多角度的巡视监控 (可选择配置高灵敏度拾音器实现被监看点的声音采集) 。对于室内部分, 由于观看范围较小, 基本为定点监看, 采用模拟红外定焦摄像机, 在室内光线不好的低照度情形时自动转换为黑白模式, 保证图像视频的清晰。配合网络视频服务器进行数字化处理, 与本系统综合平台融于一体, 实现远程统一监管、分配、控制。
2.2 传输部分设计
传输部分如同人的脊髓, 是信息的传输通道, 所以此部分一定要做到采用目前成熟先进的技术, 实施对于前端视频、数据信号的无损, 长距离传输。同时, 由于传输部分建设周期长, 铺设量大, 所以传输部分的设计要具备充足的余量满足后期视频, 数据, 音频等扩充需求的平滑扩容[2]。在传输部分, 目前常用的有三种:即同轴传输、光纤传输以及双绞线传输。
同轴传输图像容易受到外界电磁干扰, 图像传输SNR不高, 图像传输距离短 (小于1Km) ;双绞线传输方式则存在以下问题:传输速度不快、稳定性不佳、容易受到干扰、传输容量不大、网络架设以及运行成本高。
因此本方案选择了目前最优性价比的光纤作为传输介质, 采用数字视频光端机来组建整个监控的传输核心 (即光纤多业务平台) 。光纤具备的传输距离远, 传输损耗低, 传输容量大, 可扩充性好的特点对于学校以后局域网以及其余数据的共纤传输的发展需要建立了真正的核心网络, 做到“一次建网, 终身收益”。光纤完全不受到空间各种电磁信号的干扰, 使得传输图像质量高, 稳定, 不受干扰。同时采用数字式视频光端机具有传输距离远 (无中继传输可到100Km) ;传输图像质量高;SNR、DG、DP等指标优异;传输容量大, 单根光纤传输视频达到64路;传输内容丰富, 可以在单纤上实现多路视频、语音、电话、数据以太网信号、E1信号等多种综合信息的同纤、实时、同步传输;传输损耗低;无任何电磁电磁干扰;也真正杜绝了产生对于敏感的生产控制设备的电磁辐射;现场无需何调试特点。
2.3 中心部分设计
中心部分是整个系统的“心脏”和“大脑”, 是实现整个系统功能的指挥中心。其主要的功能有:
(1) 视频信号放大与分配、图像信号的校正与补偿、图像信号的切换、控制、图像信号的记录等, 以完成对被监视场所全面、详细的监视或跟踪监视。
(2) 中心的显示部分一般由几台或多台监视器组成, 其功能是将传送过来的图像一一显示出来。
(3) 通过矩阵将发生报警的这一路信号切换到某一台监视器上, 并通过控制台对它进行遥控跟踪记录。设计采用多画面结合切换显示的方式。当有异常情况发生时, 系统切换到该区域的相关摄像机, 进行实时监看, 并同时进行事前、事中与事后的数码图像存储。根据监控的需要, 也可以随时手动调用需要显示的某个具体监控点的图像进行长时间监看。
3 小结
光纤多业务平台是一种集矩阵、网络服务等功能于一体, 综合了数字视频、音频、通信网络等方面的技术, 实现视频、音频、数据、E1、电话、对讲、报警和视频会议等多种业务传输的光电一体化、网络化、数字化、智能化的多业务传输平台。本文主要介绍了光纤多业务平台的构架, 基于此构架, 设计了一个光纤多业务平台的安防监控系统, 本研究为学校安防提供了一种新型的模式。
摘要：光纤多业务平台是一种集矩阵、网络服务等功能于一体, 综合了数字视频、音频、通信网络等方面的技术, 实现视频、音频、数据、E1、电话、对讲、报警和视频会议等多种业务传输的光电一体化、网络化、数字化、智能化的多业务传输平台。本文主要介绍了光纤多业务平台的构架, 设计了一个基于光纤多业务平台的安防监控系统。
关键词：光纤,安防,多业务平台
参考文献
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光纤监控 篇3
健康监控的目的是为了减少维护费用和增加使用寿命[1]。飞行器健康监控系统(VHM)[2]可以将先进的传感、驱动元件集成在飞行器的系统中,利用构成的传感器网络对被监控系统的工作状态进行实时监测,并根据获取的信号进行状态评估或故障诊断,提供相关系统的完好状态信息或故障预警。落实到飞机的结构系统,其健康状态的监控和管理尤为重要。其原因就是:结构系统是飞机的平台,承载其他系统,且布置及载荷形势多样且变化复杂。美国空军专门立项研究结构健康监控(SHM)[3]。
开展飞行器健康技术研究,除了保障飞行器安全可靠的运行,对于减少地面工作人员的工作量,增强飞行员的操控具有十分重要的意义。目前,我国军用飞机的种类不断增加,型号不断更新,随之而来的问题便是:老龄飞机的延寿;新型飞机的维护[4]。从系统管理、发展战略的角度出发,探索和试验军用飞机的健康监控技术具有十分重要的意义。
国外开展飞行器健康监控研究的主要有美国加拿大、欧洲等国家和地区,一些健康监控系统已经在实际飞行器上得到了初步验证和应用[5,6,7,8]。例如:从整机水平来看,较为引人注目的是F-35战斗机上装备的先进的机载预测与状态管理(PHM)系统,PHM系统采用先进的传感器,借助各种算法和智能模型来预测、监控和管理飞机的工作状态[9]。
本文阐述国内外在健康监控领域的研究发展以及光纤技术的最新进展,并初步展望和探讨光线技术在我国军用飞机健康监控中的应用。
1飞机结构健康监控研究的进展
飞行器结构健康监控系统通过将先进的传感/驱动元件集成在飞行器的结构中,构成的网络对结构的损伤、疲劳、冲击、缺陷、等情况进行实时检测[10,11]。飞行器结构健康监控系统的研究旨在通过对重要结构健康信息(如应力、应变、温度、损伤缺陷等)的在线监测和分析[12]。主要研究内容包括:先进的传感/驱动网络的构成与集成、信息的采集与传输、先进的信息处理技术、结构失效的建模与仿真等[13]。
目前,对于重要结构健康监控采用直接的方式监控,并对结构健康状态做出评估。这种监控是一种全局的和实时在线监控方式,有别于传统无损检测(NDT)采用的局部和离线检测方法[14]。它可以利用结构损伤状态和损伤征兆之间的关系,监测重要构件的应变、振动模态以及声发射等信息的变化,通过信息处理、计算分析和损伤模式识别等途径判断损伤的性质、位置和程度[15]。目前而言,所谓的飞行器结构健康监控,往往是指这种监控方式。它是一门综合性技术,具有多学科属性,研究内容涉及到结构动力学、信息技术、传感器技术、优化设计等多个领域。损伤监控从技术上可以分为基于振动模态分析和基于试验信号处理两大类方法[16]。
2光纤技术的发展及现状
近年来,国内外对光纤光栅传感器和各种应用的研究作了大量的工作。美国海军研究实验室、多伦多大学航天工程系、美国BlueRoadResearch,分别在桥梁、建筑物和飞机的机翼内部来检测内部结构的应力分布和健康状态[17,18,19,20]。美国在波音777跟踪符合载量的温度、应力、应变物理变化的实验中,应用光纤布拉格光栅技术取得了显著成果。
表1例举了一些典型的光纤光栅传感器的研究状况[21]。
3光纤技术在军用飞机结构健康监控中应用的研究
近年来光纤技术得到了广泛的使用和推广,并且促使光纤传感器技术突飞猛进。这为军用飞机的健康监控研究提供了重要支持。美国海军在F—18战斗机垂直安定面上进行了光纤传感器的健康监控验证性试验[22]。
3.1健康监控系统应用在军用飞机上的突出问题
军用飞机相对于商业和民用飞机在设计上存在有很大的不同,从而导致在健康监控的研究上与建筑、机械等领域的研究存在有很大的不同。具体体现在以下几点:
(1)严格的空载重量要求:除飞行性能的要求外,军用飞机还有装载武器和航空电子设备的具体要求指标,以及完成作战任务的要求[23]。因此,军用飞机对于空载的重量有着严格的控制。对于新型军用飞机的设计而言,传感器的选用和布局可以通过全局重量控制得到权衡和解决[24];然而对于已经服役的飞机,传感器的选用和布局就必须最大限度的满足重量要求。
(2)重心控制要求:飞机重心位置与飞机的操纵安定性及气动载荷密切相关,当然对飞机的飞行性能也有影响[24]。因此,传感器的布置必须满足飞机的重心位置。
(3)结构强度要求:军用飞机的结构强度是根据战术技术要求确定的,直接决定了结构传力形式,结构的选材,形成可靠而重量最轻的结构方案[25]。传感器的布置和通信是连通式的,因此对于传感器的布置不能影响和破坏飞机原有的结构强度,并且传感器自身必须具有满足飞机战术要求的强度。
(4)可靠性要求:可靠性的定义为“产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定的功能的能力”[26]。军用飞机的可靠性的要求标准有着更高的要求。在此前提下,不但从系统角度要求机载健康监控系统具有与飞机相符的可靠性标准,而从局部上也要求传感器等元件达到符合的可靠标准。
(5)维修性要求:由于出勤的高频率、服役地区的差异、执行任务的复杂,军用飞机对于维修性有更高的要求[27]。作为新系统运作在飞机平台上的健康监控系统,其本省也要求具有良好的维修性因此,可维修的角度上传感器的布置需尽量简单精确,且传感器的维修窗口应不影响机体气动布局。
3.2光纤技术应用在军用飞机上的可能
光纤光栅是近几年来发展最迅速的光纤无源器件之一[28]。光纤布拉格光栅(FBG),具有许多独特的优点,越来越致力于将其应用于各种物理量的传感[29,30]。
光纤技术应用在对军用飞机健康监控上具有以下优势:
(1)测量的内容丰富:据统计,利用光纤光栅传感器可以测量的物理、化学量包括温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流电压、磁场、频率、振动、PH值等50多个[31,32]。
(2)自身特性优越:与普通的机械、电子类传感器相比,光纤传感器具有(1)质量轻、体积小。普通光纤外径为250μm,最细的传感管线直径仅为35～40μm,可在结构表面安装或者埋入结构体内部,对结构的影响小,测量结果使结构参数更加真实的反映。(2)灵敏度高。光纤传感器采用光测量的技术手段,分辨率可达到波长尺度的纳米量级。(3)耐腐蚀。光纤表面的涂覆层是由高分子材料做成,耐环境或结构中酸碱等化学成分腐蚀的能力强,适用于结构的长期监测。(4)传输频率带宽。通常系统的调节带宽为载波频率的百分之几,光波的频率较传统的射频或者微波的频率高几个数量级,有利于实现时分或者频分多路复用,可进行大量信息的实时测量。(5)抗电磁干扰。光信息的传播在光纤中不会与电磁场产生作用,因此信息在传输中具有很强的抗电磁干扰能力。(6)分布式测量。分布式或者准分布式测量,能够用一根光纤测量机构上空间多于或者无限多自由度的参数分布,大大节约成本与重量。
如表2列举了当前应变传感元件性能在应变测量中的比较[34]。
(3)封装模式多样[35,36,37,38,39]:光纤光栅传感器的封装,不但直接影响到自身物理特性,更关系到检测调节。同时,传感器的封装形式也关系到被测结构的相容性。目前成熟的光纤封装技术主要有:(1)保护性封装。保护性封装一般有片式和管式两种片式封装适合表贴在被测部位表面,而管式封装适合埋入到结构内部。(2)敏化封装。不同应用场合对光栅的灵敏度系数要求不同,对光栅封装的要求又分为增敏封装和减敏封装。(3)补偿性封装。由于光栅布拉格光栅存在温度应变交叉敏感问题,所以产生补偿性封装。对于应变为主要测量参数的测量时,光纤光栅温度补偿方法分为有源方式和无源方式两种[40]。
目前在对应变测量中,光纤光栅传感器分别采用金属片基底封装和保护性封装测量,可以明显地看出封装形式的不同直接影响参数的测量效果。封装方式如图1所示,试验结果如表3、表4所示。(通道1、2、3、4均为对比测量的电子应变传感器)。
(4)高效的复用技术:光纤光栅是一维光子器件,彼此间的连接为串联或并联,采用的查询方式必须能够对每一个传感元件寻址。光纤光栅列阵传感器是传感作用的诸多光栅与通信技术的产物。波分复用和时分复用是构成光纤光栅传感网络的重要技术手段[42]。目前,光线光栅复用技术主要有[43,44,45,46,47]:(1)波分复用技术(2)空分复用技术(3)时分复用技术(4)混合复用技术(5)光频域复用技术。采用复用技术对于提高效率和提高可靠性都具有十分重要的意义。
图2、图3分别描述了空分复用、波分/空分复用系统的结构。
3.3 光纤应用在军用飞机结构健康监控上的探讨
军用飞机结构健康监控可分为整机疲劳寿命监控和重要结构损伤监控[48]。
(1)光纤技术在整机疲劳寿命的应用。方法一:基于飞行参数的监控[49]。飞行载荷是描述飞机实际使用状况的基本参数,它不仅反映了整机累积使用寿命,还能通过检测的载荷谱预测飞机结构的剩余寿命。基于飞行参数的载荷检测系统,可以利用光纤传感器布置机身传感器网络,利用神经网络方法预计结构应变的方法,采用飞行参数作为输入参数,通过神经网络得到的结构虚拟应变对飞机疲劳寿命进行检测。方法二:基于应变测量的监控。基于应变测量的载荷监控是通过结构局部点应变值得测量,反过来估计结构的整体载情况。这种方法是在结构关键部位布置光纤应变传感器,测量飞行过程中的各个部位的实际参数,存储在一个机载数据采集单元(DAU),再通过专用结构将数据下载到地面进行分析处理。两种监控方式是将载荷监控和疲劳寿命预计分析相结合,从而实现疲劳寿命的监控。
(2)光纤技术在重要结构损伤中的监控。重要结构损伤监控是一种更加直接的方式,并对结构健康状态做出评估[50,51]。在军用飞机的重要部位布置光纤传感器,监测重要构件的应变、振动模态以及声发射等信息的变化,通过信息处理、计算分析和损伤模式识别等途径判断损伤的性质、位置和程度[52]。
5 光纤技术在军用飞机应用的展望
50多年的发展,光线技术的不断成熟,为飞行器健康监控技术提供了更为广阔的前景。如下一些关键问题的深入研究和突破,使该技术进入适用的前提和基础。
(1)优化光纤光栅传感器的性能,实现光纤光栅传感器与被监控结构的集成;如何利用驱动元件,对结构损伤进行在线自控适应控制。
(2)转换元件、信号调理转换设备的微型化控制,在体积、重量方面需更加满足机载要求。
(3)光纤系统的软件与军用机载计算机的兼容性。
5 结束语
如果要求增加飞行器结构的安全性和可用性,同时降低其运行成本,相对于传统的维修和检测方式,采用光纤光栅传感器对结构进行健康监控系统是一种具有诱人前景的全新理念。随着关键技术的突破,光线光栅结构健康监控系统必将在新型飞行器以及现役飞机上得到广泛应用,并将对飞行器的设计、制造、维护等方面产生广泛影响。为了促进我国在飞行器结构健康监控方面的发展,应该按从理论研究到实验室验证,再到飞行验证的步骤开展工作,针对具体工程应用背景,重点突破一些关键问题,加速飞行器结构健康监控技术的发展和应用。
摘要：阐述了光纤技术及飞机健康监控技术的研究进展,归纳了光纤光栅技术的成熟特性以及突出优势,提出光纤光栅传感器应用在军用飞机结构健康监控上需要面对的主要问题。探讨光纤光栅技术应用在飞行器健康监控中的可能。最后对光纤光栅传感器应用在军用飞机的关键问题做出展望。
光纤监控 篇4
1 光纤传感器的工作原理
依据光纤在传感系统里的应用, 光纤传感器能够被分成功能式光纤传感器与非功能式光纤传感器。非功能式光纤传感器也就是光纤只有传导光线效果, 只有传导能力而没有感知能力, 对于外边环境的指令的感知能力依赖于别的功能部件实现。功能式光纤传感器把传导与感知融合在一起, 光纤不只起传导光的效果, 同时还可以感受到外界环境信息的改变, 这种光纤传感器又称为光纤Bragg光栅传感器, 属于光纤传感器的重要类别。当外界环境的信号改变被测量导致光纤光栅温度、受力变化都将使得反射中心波长出现改变, 也即是指光纤光栅反射光中心波的长度改变体现了外部环境被测指令的改变状况, 只要求测量出光纤光栅的反射波的长度便能够得知外部环境信号的改变。
2 综合治理和灾害预测的关键技术装备
监察测量监控系统配置的甲烷传感器为矿井瓦斯综合治理和灾害预测的重要技术装置, 且得到了愈来愈多使用机构与有关技术人员的广泛关注。根据调查, 国产的安全监察测量用甲烷传感器差不多大部分利用了载体催化元件, 不过, 长久以来国内的载体催化元件存在使用周期不长、运行稳定性低与调校周期繁复的缺陷, 在很大程度上限制着矿井瓦斯的健康检测, 和国外同种类别的传感器相比差距很大。主要问题有:一是防强浓冲击能力低。在巷道瓦斯涌出量大的形式下元件被开启, 循环作用的后果导致零点漂移且令它的催化能力下滑, 防强浓冲击能力低是导致元件应用周期短、稳定性差的重要原因;二是催化部件和热导部件比较容易遭到环境原因的作用, 像气温、含水量、风的速度等, 使得其可靠性与精确度也遭到了挑战;三是载体催化部件生产工艺层次低, 元件标准性差。光纤传感是近些年来才逐渐开展起来的一门新式传感技术, 因为它具备本质安全、耐侵蚀、漂移低、高灵敏、生命周期长同时便于和光纤环网通讯体系结合等一系列特殊的优点, 已较大程度的使用到了油井、电力、建筑等高危险领域中。并且, 光纤传感器也适合煤矿井下一点或是多点多属性监察测量, 是煤矿安全监控的比较优质的选择。
3 光纤传感器在煤矿中的应用
3.1 光纤传感器在煤尘测量方面的应用
煤炭粉尘是长久以来危害煤矿安全生产的重要隐患之一, 不仅容易导致爆炸, 在煤尘超过一个限定浓度时, 会使得甲烷的爆炸下限低至3.5%之下, 长时间的人体吸收还将会引发尘肺病, 尘肺病目前已变为国内第一职业病。煤炭粉尘爆炸和瓦斯爆炸相同, 会产生相当多的一氧化碳等有毒有害物质, 并且所带来的破坏比瓦斯爆炸更为厉害, 爆炸后所导致的气温更高。因此, 有关煤尘防范治理监察测量技术的研究, 仍然是国内外煤炭有关行业的关注的重点。使用光纤传感器检测煤矿中粉尘可以比较好的到达高准确度地监察测量与即时预测的目标, 同时, 光纤传感器实质稳定、益于与井下通讯环网合网, 给矿方降低没有必要的输送路线的装置空间。
3.2 光纤气体传感器在煤矿中的应用
瓦斯爆炸作为煤矿开采过程中的最大隐患, 其中甲烷是矿井里瓦斯的重要组成, 属于易燃易爆物质, 同时涵盖一氧化碳、乙炔等其他对人体有威胁的气体同样是煤矿里的危险气体。所以, 对甲烷等气体含量实行精确、迅速即时监测与预测是处理瓦斯威胁的科学措施。已有的CH4等气体传感器用化学物质作为敏感部件为主要组成, 这种类型的传感器表层比较容易受到煤矿井下条件的破坏, 要求定时进行更新与检查, 同时易受到别的气体的扰动, 在长时期运作时潜在零点漂移与灵敏度改变的情况, 将直接降低监察测量系统的可信度。利用光纤技术组成的光纤气体传感器由于传感探头和测量电路、指令处理电路完成了全部的电隔离, 实质稳定, 让体系安全稳定, 是煤矿井下物质检测的一项新式措施与方案。如今关键的光纤探测井下危险气体的方式主要是光谱吸取式光纤气体传感器。
3.3 光纤温度传感器在煤矿中的应用
光纤光栅温度传感器已被普遍用到桥梁、公路、隧道、石油行业、电力电网等相当多的工业制造中, 不过其在煤炭领域里却鲜有使用报道。其中的重要因素是由于一点式光纤光栅温度传感器与信号解调电路的资本过高, 因此, 尽早研制出成本比较低的光纤光栅信号解调电路是FBG一点气温量测的重要步骤。不过应当结合分布式气温传感器, 在煤矿里完成分布式温度量测能够更优秀更广度的把握全部煤矿井下的气温布局状况, 真实把握与即时解决突然出现的气温改变, 可以较好地防范井下火灾。除此之外, 光纤温度传感器能够加入到井下环网体系, 把传感与通信网络结合起来, 为矿方供给构造简单的光纤环网传感通信系统。
4 结束语
由于国内煤矿安全问题频有发生, 煤矿安全监控行业也渐渐被人们所关注, 因此, 有关部门规定了国内各个大、中、小型煤矿的高瓦斯或瓦斯凸出矿井需要装置矿井监测监控系统。科学且可信的监控能力能够在很大程度上提升与保证煤矿安全制造效果, 同时能够预知和预先报警事故的出现。
参考文献
[1]满堂.煤矿瓦斯光纤传感器的研究[D].华中科技大学, 2011.
[2]崔洪亮, 常天英.光纤传感器及其在地质矿产勘探开发中的应用[J].吉林大学学报 (地球科学版) , 2012, 05:1571-1579.
光纤监控 篇5
1 系统构成和原理
(1) 系统图如图1所示
(2) 架空乘人装置主控制器控制矿用架空乘人装置的系统运行, 留有TCP/IP以太网通讯接口, 通过光纤转换器将以太网信号转换成光纤信号, 上位机端光纤转换器将光纤信号转换成TCP/IP以太网信号, 通过网线将系统运行参数传输给上位机。上位机采用组态软件实现监控架空乘人装置的系统运行参数以及进行控制操作。
(3) 沿途多个矿用摄像头采集沿途系统运行图像信息, 通过光纤转换器转换成光纤信号传输给上位机, 通过光纤转换器将将光纤信号转换成相应得图像信号, 上位机采用视频服务器处理沿途摄像头的图像信息, 是多个图像同时显示, 便于观察整个系统的运行情况。
2 软件设计
(1) 上位机采用组态王和视频服务器实现监控系统的软件化。
(2) 上位机采用组态王实现系统参数监控画面设计。系统在运行过程中, 上位机实时分析和处理控制器传输的系统运行参数数据, 把系统运行信息采用动画和表格显示, 并将信息实时记录到数据库, 便于查询。组态王可以控制起停。组态王可以实现以下功能。
(1) 显示系统正常运行参数。
(2) 显示系统故障信息。
(3) 数据查询和打印功能, 可以查询以往故障和打印。
(4) 密码功能:可以设置登陆权限, 防止非专业人员误操作。
(3) 上位机采用视频服务器实现图像信息处理, 分割成几个画面, 可以实时显示各个摄像头的图像信息。
3 结语
本系统具有操作简单、工作可靠、多重冗余备份的特点, 可通过集控室的主控计算机完成井下乘人装置的控制, 并对乘人装置工作时的各种工作状态进行实时监视、数据保存、查询、打印, 在集控室对井下各传感器进行校正、播放背景音乐 (选配) 、并具有通过局域网对监控系统进行监视与数据库浏览的功能。能减少井下操作人员数量、井下工人劳动强度。采用组态软件, 界面友好, 易于学习掌握。经济实用、性价比高。视频监控实时显示现场画面, 及时发现隐患, 安全性高, 减少了靠人巡视, 提高了效率。本系统实现监控系统信息收集、处理、查询、统计、分析等功能, 实现管控调度一体化。由于采用标准接口, 可以实现产品的升级和兼容其它设备的监控系统。
参考文献
[1]饶运涛, 邹继军.现场总线原理和应用技术[M].北京航天航空出版社, 2006.
[2]郭源源.视频监控技术的研究[J].科技资讯, 2009 (34) .
[3]黄振宇, 宾光富, 何文飙.基于CAN总线智能数据采集通信的煤矿安全监控系统[J].煤矿安全, 2008 (4) .
光纤监控 篇6
关键词：光纤专网,安全监控,信号转换
0 引言
随着自动化技术和计算机网络信息技术的在煤矿中的运用, 煤矿井下光纤专网技术平台得到了运用, 综合自动化矿井也成当今煤矿发展方向。它能将矿井各类监控子系统集成到综合自动化控制网络平台中, 与企业信息管理系统实现无缝对接。将生产、安全、管理等方面的信息有机地整合到一起, 进行分析处理、统计、优化、发布, 从而实现了矿井管、控、监一体化的目标。因此在保证煤矿安全监测监控系统正常工作的前提下, 如何掌握KJ101煤矿安全监测监控系统与井下光纤专网平台的接入技术是关键问题。
福建省天湖山能源实业有限公司含春煤矿KJ101煤矿安全监测监控系统在煤矿井下安装时由于长距离的信息传输电缆普遍与井下动力电缆平行设置, 同时会受大型机电设备 (如主提升绞车等) 频繁运行、启动和关闭变频设备时产生的强大电磁干扰等诸多因素影响, 对于安全监测监控系统, 如何选择合理的信息传输方式是井下分站与地面中心站信息传输的关键。综合考虑后, 采用光纤专网作为信息传输方式。
1 方案设计
在方案设计时, 首先重点考虑设备的安全性和可靠性;其次着眼于长远发展, 系统及设备要先进、兼容能力强、使用维护方便。且在不影响煤矿井下安全监测监控正常运行的前提下, 降低煤矿的使用、维护成本。
系统接入原理设计的核心是解决KJ101矿井安全监测监控系统地面中心站如何通过井下光纤专网平台和井下各分站之间信号传输联络。其可以通过光转换模块将专网平台中地面中心站微机输送来的光信号转成标准TCP/IP信号, 再经服务器模块换为传输速率为2400bps的RS-232C标准时分基带串行通信信号, 再调制成传输速率为1200bps正弦交流信号形式的FSK移频键控信号 (数字0调制成2100Hz, 数字1调制成1300Hz) , 向井下各分站发送;将井下各分站以正弦交流信号发送来的1200bps的FSK移频键控信号数据, 解调成符合标准的RS-232C信号, 以2400bps传送给服务器模块转换为TCP/IP信号, 再经光转模块接入井下光纤专网平台, 经井下光纤专网传至地面中心站微机。该装置内置电阻保护式安全栅, 与井下各分站的通信线路均为变压器隔离式二线制变送器, 具备抗干扰、防雷击功能。
实践运用表明, 采用串码传输 (如FSK、PSK等) 比采用时分基带传输 (如RS-232、RS-485等) 有明显的优点。所以KJ101煤矿安全监控系统系统采用FSK频移键控调制解调通信方式, 通信介质为2芯无极性通讯电缆, 具有通讯距离长, 连接方便等优点。FSK在信息传输中串码转换无相位突变, 最适合煤矿井下应用, 它不但可有效提高系统的通信距离, 还具有明显的抗干扰能力, 无极性连接, 对通讯线路要求简单, 维护简单等众多优点。但也存在着系统造价略高、抗干扰性能一般、误码率高等缺点。所以在方案设计中要对原系统要取长补短, 电缆信号传输只运用在集运巷和石门。
设计中主要是考虑将FSK通信方式转化成标准TCP/IP形式, 在转换设备之前采用FSK通信方式, 经转换设备后转换成标准的网络信号, 以便进入井下光纤专网。系统接入原理如图1。
2 设计方案对比
含春煤矿监测监控系统设计方案 (光纤专网与电缆通信) 对比, 在井下覆盖面相同的情况下, 采用光纤专网传输设计的整体费用是77.04万元, 采用电缆通信设计的整体费用是55.79万元, 从设计上光纤专网比电缆通信造价高, 使用普通电缆做为主传输线, 单套系统的成本可以降低, 但线路要布设多条, 查线维护困难, 信号传输易受干扰, 不适用于线路长、路线复杂的大型矿井, 而且多套系统的整体成本也随之提高。
使用光纤环网技术设计监测监控系统, 它可以把井下人员定位系统、视频监控系统、通信系统等融合在整个专网内, 而且能保证系统的稳定性及信号的传输质量;另外, 使用光纤可以很好的解决主信号线路避雷的问题。该设计虽然单套系统的价格偏高, 但把多套系统整体融合在专网内, 线路利用率大大提高, 整体价格随之而降, 整个系统兼容能力强、使用维护方便。
3 采用光纤专网接入技术的优点
(1) 可靠性强。系统接入装置的技术关键是采用了智能化FSK调制解调技术与光纤专网技术有机结合, 保证了系统的独立性和可靠性。
(2) 接入能力强。改造后的KJ101煤矿安全监测监控系统可直接接入井下专网, 实现井下传输信道两合一, 形成全矿范围内各类监控系统组网管理, 大幅减少信道与设备投资。
(3) 传输网络简单、可靠。采用标准网络传输协议, 传输速率高, 传输误码率低, 防雷、抗电磁干扰能力强。可选用光纤、电缆等传输介质。
(4) 接入方式灵活、适应性强。分站可独立接入, 也可群组接入, 在无网络覆盖区域可采取通讯电缆传输。可多台分站组合接入网络, 减少接入设备数量、降低成本。
(5) 信号准确。具有接收、发送滤波功能, 发、收回波消除功能, 数字卷积纠错编码能力等功能。
(6) 传输距离长。使用普通通讯电缆通信距离可达15km, 如与光纤网络组合, 井下通讯无距离限制。
(7) 先进的抗干扰技术。彻底根除了现有系统普遍存在的因电磁干扰产生的冒大数、误报警现象。
(8) 维护方便, 节约投资。由于不改变系统监控分站的结构和布置, 减少系统维护工作量。
4 结语
煤矿安全监测监控系统与煤矿井下工业光纤专网接入技术, 已在福建省天湖山能源公司含春煤矿系统升级改造中实现, 它克服了煤矿井下强电磁干扰而产生的大数、假数, 具备检测准确和安全可靠等优点。进一步提升煤矿的安全管理水平, 提高了煤矿生产的安全可靠性, 为煤矿安全监测监控系统的升级改造提供了切实可行的模式。
参考文献
[1]陈青, 周海坤, 李长录, 等.FSK移频键控在矿用监控系统分站中的应用[J].煤矿安全, 2008 (4) .
光纤监控 篇7
关键词：光纤数据通信,导航,监控
一、机场导航设备监控的重要性
随着我国航空业的不断发展, 客运、货运的飞行也越来越多, 在航空飞行中, 安全问题尤为重要。为了保证飞机的飞行安全, 必须有导航设备不停的运行, 对飞机进行空中引导, 给飞机提供最清晰、准确的导航信息, 保证飞机在正确的位置飞行。每个机场都配备了导航台和监控系统, 一旦出现故障, 设备维护人员不仅要通过监控系统开启正常的设备, 保障航班的正常运行, 而且要根据监控系统显示的故障信息组织维修。所以, 机场导航设备的监控十分重要。
二、机场导航设备的监控现状
为了能更安全的引导飞机, 每个机场都配备了大量功能完善的导航设备, 而且有的台站离机场比较远, 有的甚至在偏远的山上, 对于导航设备的监控就比较困难。目前都是在边远台站配备相应的守台员进行日常的设备监护, 记录设备的运行状态, 然后进行存档。一旦监控显示故障, 导航设备维修室的值班员要及时进行设备维修。对于边远台站, 值班员也只能通过电话对台站进行调度指挥和设备工作情况的了解, 在管理和维护上难度比较大, 对于飞行安全也存在潜在的风险。随着科技的发展, 机场也在不断引进新的导航设备, 这些设备的自动化程度不统一, 在监控上对各台站监护人员的专业水平提出了更高的要求, 需要配置的一些仪表数量也会增加。为了改善这种情况, 目前急需一套可以综合管理的设备监控系统, 确保设备监控工作可以快速、准确的进行, 避免信息反馈慢, 或反馈的数据错误。
三、光纤数字通信在导航设备监控中的应用
光纤通信的产生改变了机场导航设备监控的状况, 现在导航台监控通信全程使用光纤数字通信, 通过使用语音电话网的方法, 使每一个监控设备都有一个对应的电话号码和调制解调器, 在主控计算机一端也配备一个调制解调器, 通过拨号的方式可以使每个台站的设备与主控计算机进行连通。在整个监控系统中, 通过接口单元获得台站的运行情况并转换成相应的信号, 通过光纤设备进行传输, 再由数据采集单元和转换单元对信号进行数据的转换, 传递给主控计算机进行处理和分析, 最后在屏幕上进行显示。这样, 值班员可以在监控中心对各台站的设备情况进行监控, 也可以及时发现出现故障的设备, 以便及时进行维修。通过光纤对整个监控系统的语音、设备参数、视频信号等进行传输, 可以快速地将各台站的大量信息传递给主控计算机, 实现台站导航设备的统一管理。这种监控系统不仅可以实现无人化管理, 而且可以获得导航设备运行的实时信息。
四、光纤通信系统与电缆通信系统相比存在的优点
传统的航空监控不仅信息损耗比较大而且传输过程易受电磁干扰, 这种电缆无法实现远距离安全传输, 导航监控中心无法监控到边远台站的信息。此外, 电缆外面的绝缘层由于长期接触地面容易腐蚀, 导致信息无法传播, 导航台无法监控。而光纤通信的出现克服了电缆通信的这些缺点。
1、光纤通信损耗比较低。在光纤的制造中所采用的介质纯度比较高, 在使用过程中损耗也会比较低, 所以, 信息的传输距离可以更长, 这样就可以减少信息中继站的数量, 不但可以降低成本, 还可以提升信息的传输质量。相关实验证明, 一根光纤已经实现100公里无中继的信息传播。所以, 光纤通信十分适合长途通信。
2、光纤通信传输信息容量比较大。光波的频率很高, 如果用光波来携带和传递信息的话, 携带的信息量会很大。一根光纤可以同时传输几十万个话路, 比传统的电缆要高出很多;一个光缆包含几十根甚至上百根光纤, 它的通信容量的大小就可想而知了。所以, 一个光纤通信系统的传输带宽远远大于其他传输媒体通信系统。
3、光纤通信不受电磁干扰、防腐。因为光纤属于非金属材料, 在光导纤维里光以折射的形式进行传播, 而不是以电流的形式传播, 这样就不会受外界电磁的干扰。此外, 光纤的表面是玻璃丝, 不会轻易被腐蚀, 防腐性能比较强。
4、光纤通信保密性好。光纤通信是光信号的传输, 不同于无线电信号, 是在密封的玻璃纤维中进行光的折射传输, 不容易被截获。此外, 由于向外泄露比较小, 不会泄露信息, 也不会受到其他的干扰, 保密性比较好。
总之, 光纤数字传输设备具有信息容量大、保密性强、数据更加可靠等一系列的特点, 在使用的过程中免调试、免维护, 使用寿命长, 可以保证长期的稳定工作, 而且可以随时监测到本地和远程设备的工作状态, 这样便于值班员进行设备的调试以及故障的检修, 对于导航设备可以起到更好的监控效果, 更好地保障了航空飞行安全。
参考文献
[1]方志豪.光纤通信原理及应用[M].北京:电子工业出版社, 2008:12-19.
[2]陈昌海.通信电缆线路[M].北京:人民邮电出版社, 2007:8-16.