CN112031845B - 一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置 - Google Patents

一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置 Download PDF

Info

Publication number
CN112031845B
CN112031845B CN202010789149.8A CN202010789149A CN112031845B CN 112031845 B CN112031845 B CN 112031845B CN 202010789149 A CN202010789149 A CN 202010789149A CN 112031845 B CN112031845 B CN 112031845B
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical fiber
fiber
bragg grating
optical cable
fiber bragg
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010789149.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112031845A (zh
Inventor
靳宝全
张帅兵
白清
高妍
张红娟
王宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiyuan University of Technology
Original Assignee
Taiyuan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiyuan University of Technology filed Critical Taiyuan University of Technology
Priority to CN202010789149.8A priority Critical patent/CN112031845B/zh
Publication of CN112031845A publication Critical patent/CN112031845A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112031845B publication Critical patent/CN112031845B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21DSHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D21/00Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection
    • E21D21/0026Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection characterised by constructional features of the bolts
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E21EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21DSHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D21/00Anchoring-bolts for roof, floor in galleries or longwall working, or shaft-lining protection
    • E21D21/0093Accessories
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00Measuring force or stress, in general
    • G01L1/24Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
    • G01L1/242Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置,涉及:轴向压力计、锚杆、光纤光栅应变传感器、光纤光栅应变片、外接光缆保护壳、光缆、光电探测器和光纤光栅解调仪。轴向压力计包括压力弹片、光纤光栅应变片、压力传递柱,当压力弹片收到轴向压力时通过压力弹片将压力通过压力传递柱传递到光纤光栅应变片,四个串联的光纤光栅应变片通过串联接入锚杆的第一光纤通道。锚杆四周装有四根光纤,每根光纤接入七个光纤光栅应变传感器,感知周围应变,四根光纤与外部光缆通过法兰在外接光缆保护壳中连接,压力信号通过光缆经光电探测器输入光纤光栅解调仪进行解调,实时监测煤岩界面稳定性。

Description

一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置
技术领域
本发明涉及光纤光栅传感技术领域,更具体地说,涉及一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置。
背景技术
光纤光栅本质上是对光纤纤芯折射率周期性调制而形成的一种无源滤波器。光纤布拉格光栅具有以下优点:抗电磁干扰能力强,光纤在传输过程中不会受到电磁波的干扰;体积小,光纤光栅兼容于光纤;传输距离远、精度高,光纤光栅测量精度不受光强的影响,具有易于组网测量与集成等特点,因此在光纤通信和传感领域得到了广泛的应用。
煤炭资源作为我国能源生产和供应体系战略的一个重要组成部分,为我国工业的长足发展做出了巨大贡献。《中国能源大数据报告(2019)》近十年能源消费数据表明:煤炭资源目前占比仍然可达到我国一次能源消费总量的60%以上。煤矿作为煤炭资源最大的开采单位,其安全事故带来的经济损失数以亿计,因此对于引起塌方事故的煤岩界面稳定性检测尤为重要。
锚杆广泛应用于煤巷支护、边坡加固、隧道支护等岩土工程领域,对其进行受力监测,对改进施工技术、优化设计参数有重要意义,但传统的锚杆由于分布地质复杂,存在轴向应力与周围应力的交叉敏感等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明提供了一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置,具有区分多方向应变、便于拆卸、测量精度高,抗干扰能力强等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置,包括:
轴向压力计,轴向压力计为柱状盒体,一侧底面中心固定连接一光纤支撑机构的一端,光纤支撑机构为柱状体,外侧边缘对称设置4个容纳光纤的光纤槽,4个光纤槽内部分别容纳第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4;第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4上的指定位置分别接入多个光纤光栅应变传感器;其中,轴向压力计包括设置于一盒体内的压力弹片、压力传递柱、光纤光栅固定柱和四个光纤光栅应变片,压力弹片封闭盒体一侧开口,四个光纤光栅应变片在盒体内依序呈90°放置,每一光纤光栅应变片连接两个光纤光栅固定柱的一端,光纤光栅固定柱的另一端固定于盒体底部,以实现光纤光栅应变片的固定;压力传递柱设置在压力弹片与光纤光栅应变片之间,且与压力弹片固定连接;盒体底部设置设配光纤支撑机构截面的通孔,以使光纤支撑机构伸入盒体内部进行固定,同时四个光纤光栅应变片通过串联接入第一光纤F1;
光纤支撑机构的另一端连接外接光缆保护壳,第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4穿入外接光缆保护壳,在外接光缆保护壳内通过法兰连接至外部光缆的一端,外部光缆的另一端通过光电探测器连接至光纤光栅解调仪。
区别于现有技术,本发明的光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置,涉及轴向压力计、锚杆、光纤光栅应变传感器、光纤光栅应变片、外接光缆保护壳、光缆、光电探测器和光纤光栅解调仪。轴向压力计包括压力弹片、光纤光栅应变片、压力传递柱,当压力弹片收到轴向压力时通过压力传递柱传递到光纤光栅应变片,四个串联的光纤光栅应变片通过串联接入锚杆的第一光纤通道。锚杆四周装有四根光纤,每根光纤接入七个光纤光栅应变传感器,感知周围应变,四根光纤与外部光缆通过法兰在外接光缆保护壳中连接,压力信号通过光缆经光电探测器输入光纤光栅解调仪进行解调,实时监测煤岩界面稳定性。通过本发明,解决了传统锚杆难以分辨轴向应力与周围应力的问题,应用光纤光栅应变传感器作为测量元件,相比传统锚杆测力技术具有更高的测量精度,且抗干扰能力强、本征安全安装简单且易于操作。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中:
图1是本发明提供的一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置的结构示意图。
图2是本发明提供的一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置前端部分的结构示意图。
图3是本发明提供的一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置的轴向压力计的结构示意图。
图4是本发明提供的一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置的外接光缆保护壳的结构示意图。
图5是本发明提供的一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置的轴向压力计的俯视示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解,现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
参阅图1,本发明提供了一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置,包括:
轴向压力计1,轴向压力计1为柱状盒体,一侧底面中心固定连接一光纤支撑机构2的一端,光纤支撑机构2为柱状体,外侧边缘对称设置4个容纳光纤的光纤槽10,4个光纤槽10内部分别容纳第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4;第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4上的指定位置分别接入多个光纤光栅应变传感器;其中,轴向压力计1包括设置于一盒体18内的压力弹片6、压力传递柱7、光纤光栅固定柱8和四个光纤光栅应变片9,压力弹片6封闭盒体18一侧开口,四个光纤光栅应变片9在盒体18内依序呈90°放置,每一光纤光栅应变片9连接两个光纤光栅固定柱8的一端,光纤光栅固定柱8的另一端固定于盒体18底部,以实现光纤光栅应变片9的固定;压力传递柱7设置在压力弹片6与光纤光栅应变片9之间,且与压力弹片6固定连接;盒体18底部设置设配光纤支撑机构2截面的通孔,以使光纤支撑机构2伸入盒体18内部进行固定,同时四个光纤光栅应变片9通过串联接入第一光纤F1;
光纤支撑机构2的另一端连接外接光缆保护壳11,第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4穿入外接光缆保护壳11,在外接光缆保护壳11内通过四个法兰14连接至外部光缆15的一端,外部光缆15的另一端通过光电探测器16连接至光纤光栅解调仪17。外接光缆保护壳11包括依序固定连接的外接光缆保护壳固定部分3、外接光缆保护壳中空部分4和外接光缆保护壳盖5,外接光缆保护壳固定部分3与外接光缆保护壳中空部分4呈空心圆柱体,外接光缆保护壳盖5中间有通孔,光纤支撑机构2的另一端固定套置于所述外接光缆保护壳固定部分3的空心圆柱体内,外接光缆保护壳中空部分4内部设置四个法兰14,四个法兰14的一端分别对应连接于所述第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4,另一端与经外接光缆保护壳盖5中间的通孔穿入外接光缆保护壳11内的外部光缆15连接。前端轴向压力计1、光纤支撑机构2及外接光缆保护壳11的结构如图2所示。轴向压力计1的结构如图3所示,外接光缆保护壳11的结构如图4所示,轴向压力计1内部设置的俯视图如图5所示。
其中,光纤支撑机构2使用锚杆或同类棍型物体,光纤支撑机构2外侧设置黏着剂13,使光纤支撑机构2及轴向压力计1伸入至煤岩界面内部并与之接触。
其中,第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4上的指定位置分别接入7个光纤光栅应变传感器,其中,第一光纤的光纤光栅应变传感器A1- A7,第二光纤的光纤光栅应变传感器B1- B7,第三光纤的光纤光栅应变传感器C1- C7,第四光纤的光纤光栅应变传感器D1- D7。
装置工作时,轴向压力计1中的压力弹片6受到轴向压力,通过压力传递柱7将压力传递给已施加预应变的四个光纤光栅应变片9,此时光纤光栅波长发生改变,四个光纤光栅应变片9通过光纤串联接入布设在的光纤支撑机构2上的第一光纤F1,并通过第一光纤F1传递轴向压力引起的波长变化信号;在光纤支撑机构四周布设有第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3、第四光纤F4,每根光纤中都接入七个光纤光栅应变传感器,光纤光栅应变传感器在铺设时施加预应力,使应力变化与波长变化处于线性区,光纤支撑机构四周共有二十八个光纤光栅应变传感器感知周围压力,当光纤支撑机构周围应力改变,引起光纤光栅应变传感器波长改变并通过光纤及外部光缆15将信号传递到光电探测器16,光电探测器16将探测到的波长变化信号输入光纤光栅解调仪17,对光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置感知的波长变化进行解调,进而计算出该结构周围应力变化,从而检测煤岩界面稳定性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述,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,而不是限制性的,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情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置,其特征在于,包括:
轴向压力计(1),所述轴向压力计(1)为柱状盒体,一侧底面中心固定连接一光纤支撑机构(2)的一端,所述光纤支撑机构(2)为柱状体,外侧边缘对称设置4个容纳光纤的光纤槽(10),4个光纤槽(10)内部分别容纳第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4;第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4上的指定位置分别接入多个光纤光栅应变传感器;其中,所述轴向压力计(1)包括设置于一盒体(18)内的压力弹片(6)、压力传递柱(7)、光纤光栅固定柱(8)和四个光纤光栅应变片(9),所述压力弹片(6)封闭所述盒体(18)一侧开口,四个光纤光栅应变片(9)在所述盒体(18)内依序呈90°放置,每一光纤光栅应变片(9)连接两个光纤光栅固定柱(8)的一端,光纤光栅固定柱(8)的另一端固定于盒体(18)底部,以实现光纤光栅应变片(9)的固定;所述压力传递柱(7)设置在压力弹片(6)与光纤光栅应变片(9)之间,且与压力弹片(6)固定连接;所述盒体(18)底部设置设配所述光纤支撑机构(2)截面的通孔,以使所述光纤支撑机构(2)伸入盒体(18)内部进行固定,同时四个光纤光栅应变片(9)通过串联接入第一光纤F1;
所述光纤支撑机构(2)的另一端连接外接光缆保护壳(11),第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4穿入所述外接光缆保护壳(11),在外接光缆保护壳(11)内连接至外部光缆(15)的一端,所述外部光缆(15)的另一端通过光电探测器(16)连接至光纤光栅解调仪(17)。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置,其特征在于,所述外接光缆保护壳(11)包括依序固定连接的外接光缆保护壳固定部分(3)、外接光缆保护壳中空部分(4)和外接光缆保护壳盖(5),所述外接光缆保护壳固定部分(3)与外接光缆保护壳中空部分(4)呈空心圆柱体,外接光缆保护壳盖(5)中间有通孔,所述光纤支撑机构(2)的另一端固定套置于所述外接光缆保护壳固定部分(3)的空心圆柱体内,所述外接光缆保护壳中空部分(4)内部设置四个法兰(14),四个法兰(14)的一端分别对应连接于所述第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4,另一端与经外接光缆保护壳盖(5)中间的通孔穿入外接光缆保护壳(11)内的外部光缆(15)连接。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置,其特征在于,所述光纤支撑机构(2)使用锚杆或其他同类棍型物体,光纤支撑机构(2)外侧设置黏着剂(13),使光纤支撑机构(2)及轴向压力计(1)伸入至煤岩界面内部并与之接触。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置,其特征在于,所述第一光纤F1、第二光纤F2、第三光纤F3及第四光纤F4上的指定位置分别接入7个光纤光栅应变传感器。
CN202010789149.8A 2020-08-07 2020-08-07 一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置 Active CN112031845B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010789149.8A CN112031845B (zh) 2020-08-07 2020-08-07 一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010789149.8A CN112031845B (zh) 2020-08-07 2020-08-07 一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112031845A CN112031845A (zh) 2020-12-04
CN112031845B true CN112031845B (zh) 2022-10-11

Family

ID=73582719

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010789149.8A Active CN112031845B (zh) 2020-08-07 2020-08-07 一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112031845B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113686383B (zh) * 2021-08-20 2024-05-17 太原理工大学 一种光纤光栅复合结构隧道围岩的安全检测装置及系统

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101358886B (zh) * 2008-09-25 2010-12-08 西安科技大学 光纤光栅锚杆测力装置及监测锚杆应力变化的方法
CN101576422B (zh) * 2009-06-18 2010-10-13 山东省科学院激光研究所 光纤光栅锚杆应力传感器
CN202614434U (zh) * 2012-05-02 2012-12-19 武汉理工大学 光纤光栅锚杆测力传感器
CN102720515A (zh) * 2012-06-29 2012-10-10 山东大学 光纤光栅预应力测力锚杆及其使用方法
CN203259281U (zh) * 2013-04-26 2013-10-30 中国矿业大学 一种煤矿井下光纤光栅多测点锚杆应力测量装置
CN103323385A (zh) * 2013-05-28 2013-09-25 大连理工大学 光纤锚杆腐蚀传感器
CN108007619B (zh) * 2017-12-06 2019-08-27 太原理工大学 一种利用光纤光栅测量锚杆侧向受力的方法
CN108505551A (zh) * 2018-04-28 2018-09-07 青岛理工大学 一种纤维筋抗浮锚杆长期抗拔承载力室内测试方法
CN110044526B (zh) * 2019-05-10 2020-06-02 吉林大学 一种光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112031845A (zh) 2020-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102562036B (zh) 基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测系统
CN202869694U (zh) 一种光纤光栅温度/湿度传感器
CN101358886B (zh) 光纤光栅锚杆测力装置及监测锚杆应力变化的方法
CN202451145U (zh) 基于光纤传感的煤层气井压力、温度监测系统
CN103017950A (zh) 一种高灵敏度光纤光栅土压力计
CN1384341A (zh) 一种压力与温度同时检测的光纤光栅传感器
CN101696639A (zh) 光纤煤矿突水前兆信息监测仪
CN102809454A (zh) 光纤光栅测力锚杆及使用方法
CN202066479U (zh) 一种直线式光纤光栅位移计
CN101625273B (zh) 一种光纤光栅渗压计
CN112031845B (zh) 一种光纤光栅复合结构的煤岩界面稳定性测量装置
CN101280690A (zh) 压力传感器
CN107167280A (zh) 一种水位及孔隙水压力光纤光栅传感器的测量方法
CN104697682A (zh) 一种光纤光栅测力方法及传感器
CN201903411U (zh) 基于光纤光栅温度传感器的电力设备温度在线监测系统
CN109163843B (zh) 一种可控预拉伸的光纤光栅压力传感器
CN201707036U (zh) 差动式光纤光栅应变传感器
CN102562034B (zh) 基于光纤传感的煤层气井液位监测系统
CN103604382A (zh) 一种波纹管分布式光纤测量传感器
CN201266096Y (zh) 光纤光栅水工渗压传感器
CN202693118U (zh) 光纤光栅二维振动传感器
CN203519239U (zh) 一种活塞式菱形结构光纤Bragg光栅渗压传感器
CN203396535U (zh) 一种具有温度补偿的光纤光栅压力传感器
CN103439764A (zh) 一种填充型光纤包层光栅制作方法
CN208420238U (zh) 一种螺栓应力的光纤光栅监测装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant