CN111811408B - 一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器，包括硬件部分和数据处理部分，所述数据处理部分采用模拟试验获取位移传感机构在其工作温度范围内和工作位移范围内关于温度‑拉伸量‑波长的二维数据组，利用该二维数据组，将同一温度下的拉伸量和中心波长值做线性拟合，以中心波长值为x轴，拉伸量为y轴，得出该温度下位移传感结构中心波长值和拉伸量的拟合系数，命名为该温度下的应变系数，再将各个温度下得出的应变系数和相对应温度做线性拟合，以温度为x轴，应变系数为y轴，得到位移传感结构应变系数和温度的拟合关系式K_ε＝aT+b，获得参数a，b的数值。本发明利用应变系数自动调节和温度补偿相结合的算法，工作性能稳定，精确度高，量程大。

Description

一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤位移传感器，特别是一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器。

背景技术

监测围岩位移对于矿业开采有着重大的安全意义。光纤布拉格光栅广泛应用于传感领域，作用原理为光栅的中心反射波长会随光栅周期和纤芯有效折射率的变化而变化。当光栅受到轴向应变作用或周围的温度发生改变时，光栅周期和纤芯有效折射率就会发生改变，从而引起光栅的布拉格波长发生位移，且单独的应变或温度物理量与光纤波长存在良好的线性关系。通过解调系统检测波长漂移量，即可获得待测的应变、温度信息，实现光纤光栅传感。而市面上其他应用于围岩位移的光纤光栅传感器在长时间测试中会出现位移量数据波动的情况，不仅不利于对当前围岩状态变化进行判断，也无法保护煤矿开采人员的人身安全。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器，该传感器工作性能稳定，精度高。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器，包括硬件部分和数据处理部分，所述硬件部分包括主机盒、设置在所述主机盒内的至少一个位移传感机构和一个温度补偿传感器，所述位移传感机构包括从上至下依次连接的锚点、钢丝、传动筒和FBG光纤光栅应变传感器，所述钢丝穿越所述传动筒和所述主机盒，所述传动筒挂在所述钢丝上，二者采用顶丝固接，在所述传动筒内挂有沿竖向延伸的拉簧，所述应变传感器包括水平设置的片状金属悬臂梁和设置在所述悬臂梁上的FBG光纤光栅Ⅰ，所述悬臂梁的固定端与所述主机盒固接，所述悬臂梁的悬臂端与所述拉簧的下端连接，在所述悬臂梁的底部沿宽度方向居中设有纵向定位槽，所述FBG光纤光栅Ⅰ粘接在所述纵向定位槽中，粘接方法为：1)将粘接面挫毛，2)对所述FBG光纤光栅Ⅰ预加拉应力，直至FBG光纤光栅的中心波长值较其原始中心波长值大1-2nm，3)涂胶粘接，4)在粘接胶固化完全后，对所述应变传感器的进行老化，直至所述FBG光纤光栅Ⅰ反射的中心波长值在同一温度下保持在允许误差范围内；所述温度补偿传感器是采用FBG光纤光栅Ⅱ制作的，所述应变传感器和所述温度补偿传感器与外部光源连接；所述处理部分采用以下方程组进行计算：

其中：Δε—实时位移结果，单位mm，λ_ε—应变传感器实时波长值，单位nm，λ_ε0—应变传感器标定波长值，单位nm，λ_T—温度补偿传感器实时波长值，单位nm，λ_T0—温度补偿传感器标定波长值，单位nm，T—实时温度，单位℃，T₀—温度补偿传感器标定温度，单位℃，K_T—温度补偿传感器温度系数，单位℃/nm，Kε—位移传感机构应变系数，单位mm/nm，a，b—位移传感机构应变系数随实时温度自动调节的参数，

—位移传感机构的温度系数，单位nm/℃；

其中，Kε、a，b和

的确定方法：

将应变传感器至于高低温试验温箱中，采用位移试验台模拟顶板下沉对位移传感机构实施拉伸，获取位移传感机构在其工作温度范围内和工作位移范围内关于温度-拉伸量-波长的二维数据组，利用该二维数据组，将同一拉伸量下的温度与中心波长值做线性拟合，以温度为x轴，中心波长值为y轴，得出该拉伸量下位移传感机构中心波长与温度的拟合系数，命名为该拉伸量下的温度系数K_Tε，再将所有拉伸量下的温度系数求平均得出

命名为位移传感机构的温度系数；利用该二维数据组，将同一温度下的拉伸量和中心波长值做线性拟合，以中心波长值为x轴，拉伸量为y轴，得出该温度下位移传感机构中心波长值和拉伸量的拟合系数，命名为该温度下的应变系数，再将各个温度下得出的应变系数和相对应温度做线性拟合，以温度为x轴，应变系数为y轴，得到位移传感机构应变系数和温度的拟合关系式K_ε＝aT+b，获得参数a，b的数值。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

在所述主机盒内安装有分光器，所述分光器的入射端通过尾纤与外部光源连接，所述分光器的发射端与所述FBG光纤光栅Ⅰ和所述FBG光纤光栅Ⅱ分别连接。

所述粘接胶采用环氧胶。

本发明具有的优点和积极效果是：利用应变系数自动调节和温度补偿相结合的算法，代入解调出的应变传感器实时波长值和温度补偿传感器实时波长值，即可得到更加准确可靠的实时位移结果，工作性能稳定，精确度高，量程大。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的FBG光纤光栅应变传感器的片状金属悬臂梁结构示意图；

图3为本发明的传动筒和钢丝连接示意图；

图4为本发明的位移传感机构在模拟环境下拉伸100mm、未加入应变自适应算法连续24小时昼夜温差试验，测量位移量曲线，

图5为本发明的位移传感机构在模拟环境下拉伸100mm加入应变自适应算法连续24小时昼夜温差试验，测量位移量曲线。

图中：1、钢丝；2、锚点；3、主机盒；4、传动筒；5、挡板；6、应变传感器；6-1、悬臂梁；6-2、纵向定位槽；7、固定台；8、温度补偿传感器；9、分光器；10、顶丝；11、拉簧。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

由于光纤光栅对温度和应变同时敏感，当测量其中某一参量时，不可避免地会受到另一参量的影响。要解决光栅应变传感器在使用过程中应变和温度交叉敏感的问题，市面上常用温度补偿法，即在相同环境中连接一个光栅温度传感器测量实时温度值，通过计算消除温度影响成分。但由于光纤光栅制备为基于悬臂梁的传感器后，会受到悬臂梁金属片和粘接用胶的影响，且在测量位移时光栅上同时存在轴向应变和径向应变，导致应变传感器的应变系数会随温度的变化而产生一定偏移。而传统的温度补偿法无法补偿该部分误差，导致在高温低温下应变传感器的测量误差普遍增大。

本发明创新性地提出应变系数自动调节的思路，配合温度传感器的温度补偿，实现更精准的适用于更大温度使用范围的光纤位移传感器。本发明用位移量代表顶板下沉对位移传感机构实施拉伸，FBG光纤光栅Ⅰ的应变变化，特性与测量应变时完全一致。

请参阅图1～图3，一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器，包括硬件部分和数据处理部分。

所述硬件部分包括主机盒3、设置在所述主机盒3内的至少一个位移传感机构和一个温度补偿传感器8。

所述位移传感机构包括从上至下依次连接的锚点2、钢丝1、传动筒4和FBG光纤光栅应变传感器6。

所述钢丝1穿越所述传动筒4和所述主机盒3，所述传动筒4挂在所述钢丝1上，二者采用顶丝10固接，在所述传动筒4内挂有沿竖向延伸的拉簧11，所述应变传感器6包括水平设置的片状金属悬臂梁6-1和设置在所述悬臂梁6-1上的FBG光纤光栅Ⅰ。

所述悬臂梁6-1的固定端与所述主机盒3固接，具体结构为，在所述主机盒3内设置悬挂式固定台7，所述悬臂梁6-1的固定端固接在固定台7的底面上，所述悬臂梁6-1的悬臂端与所述拉簧11的下端连接。

在所述悬臂梁6-1的底部沿宽度方向居中设有纵向定位槽6-2。

所述FBG光纤光栅Ⅰ粘接在所述纵向定位槽6-2中，粘接方法为：

1)将粘接面挫毛，

2)对所述FBG光纤光栅Ⅰ预加拉应力，直至FBG光纤光栅Ⅰ的中心波长值较其原始中心波长值大至一预设值，保证光纤光栅Ⅰ的应变与温度特性不变，本发明推荐预加拉应力使FBG光纤光栅Ⅰ的中心波长值较其原始中心波长值大1-2nm。

3)涂胶粘接，将所述FBG光纤光栅Ⅰ封装在金属悬臂梁6-1。

4)在粘接胶固化完全后，对所述应变传感器6的进行老化，直至所述FBG光纤光栅Ⅰ反射的中心波长值在同一温度下保持在允许误差范围内。

所述温度补偿传感器8是采用FBG光纤光栅Ⅱ制作的。

所述应变传感器6和所述温度补偿传感器8与光源连接。

所述处理部分采用以下方程组进行计算：

其中：

Δε—实时位移结果，单位mm，

λ_ε—应变传感器实时波长值，单位nm，

λ_ε0—应变传感器标定波长值，单位nm，

λ_T—温度补偿传感器实时波长值，单位nm，

λ_T0—温度补偿传感器标定波长值，单位nm，

T—实时温度，单位℃，

T₀—温度补偿传感器标定温度，单位℃，

K_T—温度补偿传感器温度系数，单位℃/nm，

Kε—位移传感机构应变系数，单位mm/nm，

a，b—位移传感机构应变系数随实时温度自动调节的参数，

—位移传感机构的温度系数，单位nm/℃，

其中，Kε、a，b和

的确定方法：

将应变传感器至于高低温试验温箱中，采用位移试验台模拟顶板下沉对位移传感机构实施拉伸，获取位移传感机构在其工作温度范围内和工作位移范围内关于温度-拉伸量-波长的二维数据组，利用该二维数据组，将同一拉伸量下的温度与中心波长值做线性拟合，以温度为x轴，中心波长值为y轴，得出该拉伸量下位移传感机构中心波长与温度的拟合系数，命名为该拉伸量下的温度系数K_Tε，再将所有拉伸量下的温度系数求平均得出

命名为位移传感机构的温度系数；

利用该二维数据组，将同一温度下的拉伸量和中心波长值做线性拟合，以中心波长值为x轴，拉伸量为y轴，得出该温度下位移传感机构中心波长值和拉伸量的拟合系数，命名为该温度下的应变系数，再将各个温度下得出的应变系数和相对应温度做线性拟合，以温度为x轴，应变系数为y轴，得到位移传感机构应变系数和温度的拟合关系式K_ε＝aT+b，获得参数a，b的数值。

在同一环境下，采用位移试验台模拟顶板下沉对两个相同的位移传感机构实施拉伸，拉伸量均为100mm，然后进行24小时昼夜温差试验，测量位移量曲线如图4和图5，未加入应变系数自适应算法的位移传感机构，有±6mm的误差，而加入应变系数自适应算法的位移传感机构，误差缩减至±2mm。由此可以可见，本发明能够减少温度变化对拉伸精度的影响。

上述方程组的推导过程如下：

应变传感器6受温度影响的中心波长变化：

位移传感机构的温度系数

取多个拉伸量下温度系数K_Tε的均值，可以减少误差，提高精度。

应变传感器受拉伸影响的中心波长变化：

Δλ_ε＝(λ_ε-λ_ε0)-Δλ_Tε

位移传感机构的实时位移结果，也是本发明围岩光纤位移传感器的位移结果，采用以下公式计算：

Kε为位移传感机构应变系数，与温度有关，通过上述模拟试验获得：K_ε＝aT+b，T为实时温度，可通过温度补偿传感器5的数据确定，T＝K_T(λ_T-λ_T0)+T₀。

本发明通过对应变传感器进行老化，保证应变传感器在每次产生形变时保持一致，通过对位移传感机构实施模拟拉伸，使拉簧老化，并使用二维标定法确保出厂时位移传感器的高精度。

在本实施例中，在所述主机盒3内安装有分光器9，所述分光器9的入射端通过尾纤与外部光源连接，所述分光器9的发射端与所述FBG光纤光栅Ⅰ和所述FBG光纤光栅Ⅱ分别连接。所述粘接胶采用环氧胶。

在本实施例中设有2个位移传感机构，使用时，将两个锚点分别送入围岩的深基点和浅基点，将挡板5紧贴巷道顶板，拉伸主机盒外的预留钢丝1，保证固定牢靠后，将顶丝10拧入顶丝孔固定钢丝，达到测试不同深浅基点的目的。将矿用位移传感器接入解调仪，当巷道顶板发生沉降时，顶板会推动挡板5，使整体位移传感器向下位移，此时传动结构中的弹簧会发生形变，将顶板沉降的位移量转化为拉力，拉动应变传感器自由端使其产生相应挠度，导致应变传感器中的光纤光栅产生微弯，中心波长产生位移，同时如果环境温度发生变化，内置的温度传感器的中心波长也会产生变化，将解调出的应变传感器和温度补偿传感器的中心波长，带入上述方程组即可计算出顶板沉降位移量。

在位移传感器使用过程中，利用应变系数自动调节和温度补偿相结合的算法，代入解调出的应变传感器实时波长值λ_ε和温度补偿传感器实时波长值λ_T，即可得到更加准确可靠的实时位移结果Δε。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器，其特征在于，包括硬件部分和数据处理部分，

所述硬件部分包括主机盒、设置在所述主机盒内的至少一个位移传感机构和一个温度补偿传感器，

所述位移传感机构包括从上至下依次连接的锚点、钢丝、传动筒和FBG光纤光栅应变传感器，

所述钢丝穿越所述传动筒和所述主机盒，所述传动筒挂在所述钢丝上，二者采用顶丝固接，在所述传动筒内挂有沿竖向延伸的拉簧，所述应变传感器包括水平设置的片状金属悬臂梁和设置在所述悬臂梁上的FBG光纤光栅Ⅰ，

所述悬臂梁的固定端与所述主机盒固接，所述悬臂梁的悬臂端与所述拉簧的下端连接，

在所述悬臂梁的底部沿宽度方向居中设有纵向定位槽，

所述FBG光纤光栅Ⅰ粘接在所述纵向定位槽中，粘接方法为：

1)将粘接面挫毛，

2)对所述FBG光纤光栅Ⅰ预加拉应力，直至FBG光纤光栅的中心波长值较其原始中心波长值大1-2nm，

3)涂胶粘接，

4)在粘接胶固化完全后，对所述应变传感器的进行老化，直至所述FBG光纤光栅Ⅰ反射的中心波长值在同一温度下保持在允许误差范围内；

所述温度补偿传感器是采用FBG光纤光栅Ⅱ制作的，

所述应变传感器和所述温度补偿传感器与外部光源连接，

所述处理部分采用以下方程组进行计算：

其中：

Δε—实时位移结果，单位mm，

λ_ε—应变传感器实时波长值，单位nm，

λ_ε0—应变传感器标定波长值，单位nm，

λ_T—温度补偿传感器实时波长值，单位nm，

λ_T0—温度补偿传感器标定波长值，单位nm，

T—实时温度，单位℃，

T₀—温度补偿传感器标定温度，单位℃，

K_T—温度补偿传感器温度系数，单位℃/nm，

Kε—位移传感机构应变系数，单位mm/nm，

a，b—位移传感机构应变系数随实时温度自动调节的参数，

—位移传感机构的温度系数，单位nm/℃，

其中，Kε、a，b和

的确定方法：

将应变传感器至于高低温试验温箱中，采用位移试验台模拟顶板下沉对位移传感机构实施拉伸，获取位移传感机构在其工作温度范围内和工作位移范围内关于温度-拉伸量-波长的二维数据组，

利用该二维数据组，将同一拉伸量下的温度与中心波长值做线性拟合，以温度为x轴，中心波长值为y轴，得出该拉伸量下位移传感机构中心波长与温度的拟合系数，命名为该拉伸量下的温度系数K_Tε，再将所有拉伸量下的温度系数求平均得出

命名为位移传感机构的温度系数；

利用该二维数据组，将同一温度下的拉伸量和中心波长值做线性拟合，以中心波长值为x轴，拉伸量为y轴，得出该温度下位移传感机构中心波长值和拉伸量的拟合系数，命名为该温度下的应变系数，

再将各个温度下得出的应变系数和相对应温度做线性拟合，以温度为x轴，应变系数为y轴，得到位移传感机构应变系数和温度的拟合关系式K_ε＝aT+b，获得参数a，b的数值。

2.根据权利要求1所述的应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器，其特征在于，在所述主机盒内安装有分光器，所述分光器的入射端通过尾纤与外部光源连接，所述分光器的发射端与所述FBG光纤光栅Ⅰ和所述FBG光纤光栅Ⅱ分别连接。

3.根据权利要求1所述的应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器，其特征在于，所述粘接胶采用环氧胶。

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