CN103266917A - 基于光纤光栅的顶板离层监测系统 - Google Patents

基于光纤光栅的顶板离层监测系统 Download PDF

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倪正华
王利军
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一种基于光纤光栅的顶板离层监测系统，适用于一种煤矿巷道顶板离层实时监测使用。包括相互连接的光纤光栅分析仪和主光缆，所述主光缆每隔一段距离设有耦合器，耦合器上通过传感器尾纤连接有两个光纤光栅位移计，光纤光栅位移计顶端设有打入巷道的支护锚杆。其结构简单，使用方便，既解决了巷道顶板离层指示仪在井下读数不便的问题，又可消除复杂恶劣环境下电磁干扰的影响，无需供电，满足本质安全。

Description

基于光纤光栅的顶板离层监测系统
技术领域
本发明涉及一种监测系统，尤其适用于一种煤矿巷道顶板离层实时监测使用的基于光纤光栅的顶板离层监测系统。
技术背景
煤矿井下采用锚杆支护技术的巷道，其顶板离层是最大的安全隐患。巷道顶板的离层位移数据需要随时进行监测，以便了解锚杆的支护参数设定的合理性，巷道在使用期间顶板的稳定性，以及巷道顶板上覆岩层裂隙位置的发育等情况。目前，煤矿巷道顶板离层观测使用的仪器多为纯机械式巷道顶板离层指示仪和借助电器元件以声光方式报警的巷道顶板离层指示仪，这都需要采用人工观测方法，在井下读数不便，同时受井下巷道条件、灯光强度的限制，读数人为误差较大，也无法实现巷道顶板离层动态连续监测。为了及时科学准确地测量巷道顶板离层的动态变化，进行巷道顶板离层自动监测是十分必要的。
鉴于此，本文设计了一种基于光纤Bragg光栅（FBG）的顶板离层在线监测系统。光纤传感技术的研究始于20世纪70年代末，它是随光纤通信技术的发展而出现的一种新兴的光学技术。与传统传感器相比，有着体积小、灵敏度高、频带宽、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、可远距离传输等优点。在易燃、易爆环境下工作安全可靠。基于FBG传感的顶板离层自动监测系统，可将巷道顶板离层状况及时准确地进行显示、存储、实现预警和报警，便于生产管理部门掌握现场信息。
技术内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足之处，提供一种结构简单，使用方便，既解决了巷道顶板离层指示仪在井下读数不便的问题，又可消除复杂恶劣环境下电磁干扰的影响，无需供电，满足本质安全的基于光纤光栅的顶板离层监测系统。
为实现上述发明目的，本发明的包括相互连接的光纤光栅分析仪和主光缆，所述主光缆每隔一段距离设有耦合器，耦合器上通过传感器尾纤连接有两个光纤光栅位移计，光纤光栅位移计顶端设有打入巷道的支护锚杆，所述支护锚杆由钢丝和设在钢丝头部的锚固爪组成，所述光纤光栅位移计包括外壳，外壳内设有与传感器尾纤相连接的光纤光栅和与钢丝相连接的弹簧，所述光纤光栅包括相互连接的温补光纤光栅和位移光纤光栅，所述弹簧通过连接杆与位移光纤光栅相连接，连接杆与位移光纤光栅之间设有膜片。
温补光纤光栅和位移光纤光栅均为布拉格光栅，膜片材料为3J1高弹性合金钢，光纤光栅分析仪型号为FBGI001；所述的温补光纤光栅、位移光纤光栅、膜片和外壳采用激光焊接或者玻璃焊接连接。
有益效果：光纤光栅分析仪可以准确显示巷道顶板离层量，实时存储、查看现场监测数据及监测曲线的变化，分析评定监测量的状态和安全性，实现预警和报警功能；光纤光栅位移传感器结构精细，便宜安装使用；光纤光栅的封装采用激光焊接或者玻璃焊接工艺，解决环氧胶封装的蠕变问题；该传感器不存在电信号和电子器件，确保本质安全，同时避免了电磁干扰；系统包括多个监测装置，可实现多点分布测量模式，能动态连续监测煤矿巷道顶板离层状态。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的光纤光栅位移计结构图；
图3为本发明的位移与光栅波长特性曲线；
图中：1-光纤光栅分析仪;2-光纤光栅位移计;3-钢丝;4-锚固爪;5-耦合器；6-主光缆; 7-温补光纤光栅;8-位移光纤光栅;9-膜片;10-连接杆;11-弹簧;12-传感器尾纤。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例做进一步描述：
如图1和图2所述，本发明的基于光纤光栅的顶板离层监测系统，包括相互连接的光纤光栅分析仪1和主光缆6，光纤光栅分析仪1型号为FBGI001，所述主光缆6每隔一段距离设有耦合器5，耦合器5上通过传感器尾纤12连接有两个光纤光栅位移计2，光纤光栅位移计2顶端设有打入巷道的支护锚杆，所述支护锚杆由钢丝3和设在钢丝3头部的锚固爪4组成，所述光纤光栅位移计包括外壳，外壳内设有与传感器尾纤12相连接的光纤光栅和与钢丝3相连接的弹簧11，所述光纤光栅包括相互连接的温补光纤光栅7和位移光纤光栅8，温补光纤光栅7和位移光纤光栅8均为布拉格光栅，所述弹簧11通过连接杆10与位移光纤光栅8相连接，连接杆10与位移光纤光栅8之间设有膜片9，其中，膜片9材料为3J1高弹性合金钢。所述的温补光纤光栅7、位移光纤光栅8、膜片9和外壳采用激光焊接或者玻璃焊接连接。
当巷道顶板发生位移时，通过钢丝3改变弹簧11拉力大小。弹簧11拉力使得膜片9产生微位移，从而固定在膜片9上的光纤光栅7和光纤光栅8中心波长发生变化，变化信息通过传感器尾纤12发送到光纤光栅分析仪1，并根据波长与位移的关系显示出被测点离层的实时位移变化。
光纤光栅位移计的基本原理是：当光栅周围温度、应变发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而产生光栅FBG信号的波长偏移，测出波长偏移量，即可获得待测物理量的变化情况。
应变引起光纤光栅波长漂移公式：
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE002
                              Ⅰ
式中，
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE004
为光纤弹光系数，约为0.22；
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE006
为光纤光栅不受应变作用下的中心波长；
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE008
为应变引起的波长位移；为外加轴向应变，L为裸光栅长度。
有硬心、受集中力的平膜片位移与力的关系如下：
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE012
                                 Ⅱ
式中，
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE016
，R为膜片工作半径，r 0 为硬心半径，h为膜片厚度，E为材料弹性模量，
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE018
为泊松比，Q为作用与膜片中心的集中力。
根据胡克定律，弹簧的力与位移关系为：
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE020
                                   Ⅲ
式中，K为弹性刚度，W为位移。
由公式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ可知光纤光栅波长变化
Figure 917442DEST_PATH_IMAGE008
与位移W的关系如下：
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE022
                           Ⅳ
由公式Ⅳ可知，光纤光栅波长变化
Figure 759496DEST_PATH_IMAGE008
与位移W具有线性关系。
本文中所用的膜片9的厚度为h=0.5 mm，R=6 mm，r 0 =2 mm，杨氏模量E=1.10×1011 Pa，泊松比μ=0.3，弹簧刚度为K=0.878 N/mm。将光纤光栅一端粘贴在膜片的硬心上，另一端固定在传感器外壳上。弹簧11通过连接杆10与膜片9连接？。钢丝3一端与弹簧11连接，另一端与锚固爪4相连。
实验时，采用位移标定架拉动钢丝3产生不同位移，同时由徐州子墨光电科技有限公司的型号为FBGI001的光纤光栅分析仪1记录各位移相对应的光栅波长变化，实验获得的
Figure 154705DEST_PATH_IMAGE008
与位移W之间的关系如图3所示。
图中，实心方块是实验数据点，直线是对实验数据作线性拟合得到的，
Figure 969078DEST_PATH_IMAGE008
与位移W之间的关系拟合直线为：
Figure 2013101854989100002DEST_PATH_IMAGE024
式中W的单位是mm。由上式可以看出，位移的灵敏度为0.0128 nm/mm。实验数据的线性度为0.9997。由式(4)计算的理论位移灵敏度为0.0132 nm/mm。也即，实验情况和理论分析基本相符。引起误差的主要原因是，实验中膜片与壳体之间粘接的光纤光栅距离很难控制，再者平膜片的存在加工误差，这都会引起误差。

Claims (6)

1. 一种基于光纤光栅的顶板离层监测系统，包括相互连接的光纤光栅分析仪（1）和主光缆（6），其特征在于：所述的主光缆（6）上间隔设有多个耦合器（5），每个耦合器（5）经传感器尾纤（12）连接有两个光纤光栅位移计（2），两个光纤光栅位移计（2）的顶端分别设有插入顶板离层的钢丝（3），钢丝（3）的头部设有锚固爪（4）；所述光纤光栅位移计包括外壳，外壳内设有与传感器尾纤（12）相连接的光纤光栅和与钢丝（3）相连接的弹簧（11），所述光纤光栅包括相互连接的温补光纤光栅（7）和位移光纤光栅（8），所述的弹簧（11）通过连接杆（10）与位移光纤光栅（8）相连接，连接杆（10）与位移光纤光栅（8）之间设有膜片（9）。
2. 根据权利要求1所述的基于光纤光栅的顶板离层监测系统，其特征在于：所述的温补光纤光栅（7）和位移光纤光栅（8）均为布拉格光栅。
3. 根据权利要求1所述的基于光纤光栅的顶板离层监测系统，其特征在于：所述的膜片（9）材料为3J1高弹性合金钢。
4. 根据权利要求1所述的基于光纤光栅的顶板离层监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅分析仪（1）型号为FBGI001。
5. 根据权利要求1所述的基于光纤光栅的顶板离层监测系统，其特征在于：所述的温补光纤光栅（7）、位移光纤光栅（8）、膜片（9）和外壳采用激光焊接或者玻璃焊接而成。
6. 根据权利要求1所述的基于光纤光栅的顶板离层监测系统，其特征在于：所述两个光纤光栅位移计（2）顶端的钢丝（3）长短不一。
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