光纤光栅冰力传感器的开发及应用

根据裸光纤光栅(FBG)对应变的灵敏度远高于对压力的灵敏度这一特点,设计了一种基于等强度梁结构的FBG冰力传感器,并可以通过调节封装构件的尺寸调节其测量压力的灵敏度系数。对传感器的标定结果显示,这种FBG冰力传感器的线性相关度良好,实测的灵敏度系数与理论值一致。该种传感器在冰激桥墩振动模型试验中得到了应用,成功监测了桥墩在不同冰速撞击下受到的冰力。实验表明,这种FBG传感器灵敏度高、可靠性好、对结构自身的影响很小,可直接测量冰的撞击力,适合于模型实验中的冰力监测。     

基于光纤传感技术的地铁隧道冻结法施工监测

为了掌握地铁隧道联络通道冻结法施工中冻土的温度场和应力场,提出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感技术的冻结法施工实时监测方法.在低温潮湿工作环境下,FBG传感器比传统电子式传感器在精度、灵敏度以及稳定性等方面存在较大优势.基于此,首次提出了整合FBG传感器的冷冻监测管设计方案及安装方法.通过在联络通道冻土帷幕左右两侧监测孔内布置FBG传感器,对冻结法施工过程中的冻土温度和应变进行实时监测.根据FBG传感原理并采用小波变换去噪方法对原始温度和应变监测数据进行分析,获得了冻土温度和应变沿厚度和深度方向的分布模式,为进一步认识冻土帷幕的形成和发展规律提供依据.     

表贴式光纤光栅锚杆应变感知机理与应用研究

自主设计一种光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)测力锚杆,基于线黏弹性黏结剂对剪切应变传递的影响,将黏结层简化为标准线性固体模型,建立光纤光栅剪切应变传递的力学分析模型,得到表贴式FBG传感器准静态应变传递关系,结合光纤光栅对轴向应变的敏感特性,推导出FBG测力锚杆光力转换方程,设计3组锚杆单轴拉伸试验验证了方程的正确性.研究结果表明:电阻应变仪测量的应变值和根据转换方程计算得到的FBG测力锚杆测量的应变值呈正比例关系,比例系数分别为1.099 69,0.976 74,1.017 35,相关系数达0.993以上.在阳煤一矿81303回风巷中构建了锚杆杆身轴力分布的光纤光栅监测系统,成功监测井下巷道锚杆杆身受力情况.     

地基变形光纤光栅监测可行性的试验研究

针对传统地基变形监测存在的监测效率低、误差大、精度低等问题,提出通过光纤光栅(FBG)技术监测地基应变分布、掌握地基变形规律的新方法.开展基于埋入式FBG应变传感器的平面应变砂土地基加载模型试验,利用粒子图像测速(PIV)技术获取模型箱侧壁地基土体的应变分布规律.监测结果表明,采用FBG技术能够灵敏地捕捉到土体在逐级荷载下的内部应变累积过程,获得的应变分布特征与PIV结果较吻合,真实反映了模型地基的变形和破坏模式,初步证明了FBG光纤监测技术应用于地基变形监测的可行性.该研究说明,PIV技术可以作为检验、标定FBG应变监测结果的辅助工具.两种监测方法在具体应变量值上有一定的差异,原因可以归结为试验误差、传感器变形耦合程度以及照相质量好坏等几个方面.     

光纤光栅传感网络对桥桩结构的健康检测

基于对实验桥墩应变点分布的有限元法分析,设计了相适应的光纤Bragg光栅(FBG)传感网络。传感网络根据土层结构分10层布置,每层包括8个FBG应变传感器和1个温度补偿器。对桥墩进行自平衡静载荷实验,分12次完成,每次加载2350kN并持续2h,FBG传感网络实时监测不同载荷下桥墩桩结构的应变分布。监测结果表明:与传统的载荷-位移(Q-S)曲线方法相比,FBG传感网络在桥墩承载实验中能全程反映整体桩结构的变化,实现对桥梁的健康安全检测。     

FBG传感技术在大坝安全监测中的应用研究

在阐述光纤布喇格光栅(FBG)传感器工作原理的基础上，研究了光纤光栅传感器在混凝土结构中的埋设技术。通过对混凝土结构施加载荷，探讨了光纤光栅传感器对混凝土结构内部应力应变变化的监测技术，并与振弦式应变传感器的监测结果进行了对比分析。结果表明：FBG传感器具有更高的精度和灵敏度，可实现绝对数值测量，抗干扰能力强，结构简单，长期稳定性好，能实现实时、在线监测。该技术在大坝安全监测方面具有广泛的应用前景。     

基于靶式和悬臂梁的FBG流量/温度同时测量研究

提出一种基于靶式结构和悬臂梁结合的新型流量/温度同时测量的光纤Bragg光栅(FBG)传感器。当流体流过传感器,流速的变化引起圆形靶产生应变,应变传递到等强度悬臂梁1上,进而引起粘贴其上的FBG1波长发生改变,而粘贴在悬臂梁2上的FBG2波长不发生改变;流体温度发生变化会引起FBG1、FBG2波长同时发生改变,且波长改变相同;通过测量两光栅的波长,得到流体的流量和温度。在水和蓖麻油实验得到:传感器的流量测量范围分别是400～2200cm3/s和700～1800cm3/s,温度测量范围是0～100℃。     

FBG传感器应变监测温度效应分析

光纤Bragg光栅(FBG)在土木工程健康监测中得到广泛应用。依据光纤光栅Bragg方程,从理论上分析了光纤光栅应变和温度传感的工作原理,阐述了光纤光栅应变和温度双参量共同作用时引起交叉敏感的物理机理;并结合济南奥体中心体育馆钢结构健康监测中应变监测的相关数据,分析了温度效应对应变测量的影响。结果表明:在应变测量中,温度场偏差是影响应变测量误差的主要因素,温度补偿时温度场的选取要保证温度与应变传感器所处温度场一致,一阶温度灵敏度系数对Bragg中心波长漂移的影响几乎是应变灵敏度系数的10倍;但应变和温度的交叉敏感效应及其二阶项效应的影响一般可以忽略。     

基于FBG传感器的结构健康监测体系及其应用

简述了现在日本利用结构健康监测的数据进行结构性能评价的方法以及实测数据处理分析技术的现状,介绍了一种针对大跨度抗弯结构的分布式监测系统的构筑方法,并将该方法应用于桥梁结构健康检测和监测系统。该方法基于笔者参与开发的长标距光纤布拉格光栅(FBG)传感器建立的分布式传感系统,结合使用监测数据分析软件SforD,通过测量应变实现结构的健康监测,监测桥梁的应变分布情况、沿长度方向的桥梁挠度分布、结构振动特性(如振动频率和振型)、荷载、桥梁损伤探测等信息。应用案例表明,监测系统提供的实测结果与理论分析结果吻合良好。本文可为智慧城市及智能结构的建设提供多功能的结构健康监测和检测方面的解决方案。     

裂缝损伤的光纤Bragg光栅传感检测 与应变片检测对比研究

为测试光纤B ragg光栅(FBG)传感器用于结构裂缝损伤检测的可靠性,利用FBG裂缝传感器与应变片传感器同时检测钢-砼组合桥面板模型砼顶裂缝损伤。模型试验经历了静载、疲劳和破坏3个阶段。试验表明:在未发生裂缝损伤的静载和疲劳阶段,两种方法测试结果一致。在破坏阶段,模型各处相继出现裂缝损伤。利用FBG传感器测得经历3×106次疲劳试验后,钢-砼组合模型发生裂缝损伤的临界应变值,之后随着荷载的增加,FBG传感器继续追踪损伤的发展,直至破坏完成,显示了裂缝损伤发生发展的全过程,这是传统电测应变片传感器无法做到的。与传统电测方式相比,FBG传感器显示了高灵敏度,高精度,高可靠性和测试范围大等优点,尤其对于损伤发生发展全过程的检测,具有较大的优越性。     

煤矿三维巷道建模技术研究

研究了煤矿巷道三维建模中的部分问题,包括巷道建模、巷道交点建模和碰撞检测。结合巷道中心线节点上加载断面的思想建立了单一巷道模型,利用曲线插值的方法解决了交点建模的问题,用经典包围盒法实现了漫游时的碰撞检测。并采用VC＋＋．NET开发平台,结合OpenGL技术实现了煤矿三维巷道的虚拟显示与漫游,给出了实验效果图。     

矿井事故模拟仿真技术研究

主要研究了建立巷道三维模型以及矿井灾害事故模拟仿真的关键技术,给出了基于巷道断面构建三维巷道模型的实现方法,并与三维巷道网络的弧-节点模型与地层岩性、节点相互关联的拓扑关系相结合,在此基础上实现了瓦斯突出和突水灾害事故的仿真。直观展现了灾害事故发生、发展的过程,有利于抢险救援工作的顺利进行。     

巷道前方地质构造MSP法超前探测技术与应用研究

巷道前方地质构造超前探测是地下工程施工的技术关键和技术难题,利用地震反射波探测技术,采用巷道多次覆盖观测系统采集地震数据,通过能量合成与分解、波场分离、偏移叠加等处理技术,形成矿井地震波超前探测技术(Mine Seismic Prediction即MSP技术),在巷道迎头空间进行全方位的数据采集与处理,可获得巷道探测方向的各种有效的反射波组,该波组与前方的地质界面具有很好的对应性。数值模拟、室内超声波实验与现场探测实验表明,MSP探测技术可以解决巷道前方300m以内的各种地质构造预报。     

矿井灾害的地质及巷道集成三维模型研究

针对目前地质和巷道独立建模给矿井灾害救援带来的问题,建立基于面模型的多层三维地质与巷道集成模型,并结合可视化技术为救援决策提供技术支持。研究复杂地质体的三维模型和巷道三维模型的关键技术,综合三维巷道网络的弧-节点模型与地层岩性、节点相互关联的拓扑关系,实现二者的集成建模。在此基础上,采用启发式路径搜索的A*算法,实现应急救援路线的智能快速选择。     

煤层静压注水技术在三软煤层掘进巷道防止片帮、冒顶的研究与应用

介绍了三软煤层巷道掘进片帮的主要原因、静压注水技术原理以及在防止煤巷片帮冒顶方面的作用及静压注水工艺及其技术参数的确定,结合工程实例介绍了注水后的围岩变形监测及取得的经济和社会效益.     

利用矿井瞬变电磁法超前探测富水区

准确地探测巷道前方含水异常体是当今矿井地球物理勘探的研究重点,本文通过研究巷道超前探测的施工技术、模拟实验和应用实例,表明矿井瞬变电磁法作为一种快速、高效、方便的探测技术,可以较好地满足巷道超前预测、预报的要求,进而有效地减少矿井水害.     

OpenGL在巷道三维显示中的应用

由于煤矿巷道的复杂性、实时可变性，不宜再采用传统的手工建模的方法(如在3DMAX、Mutigen等建模软件上建模)，因此，首次提出仅仅使用直接输入的空间数据使巷道动态生成的方法，然后通过独立于任何硬件和操作系统的底层开放式图形库OpenGL，依托VC 6．0编程实现，简要阐述了OpenGL，在煤矿巷道三维显示中的应用，从而实现三维巷道的动态生成、漫游与交互式查询。     

一般空气区内煤尘爆炸冲击波在弯道内传播规律研究

煤尘爆炸冲击波传播规律是研究冲击波的破坏和伤害机理的前提及依据,基于流体动力学、爆炸动力学理论研究巷道转弯情况下煤尘爆炸冲击波传播规律.依据斜激波在弯道内的传播规律,建立了在巷道转弯情况下一般空气区煤尘爆炸冲击波传播的数学模型,推导出冲击波在弯道内传播规律的表达式.采用冲击波波阵面后突跃的参数来表征冲击波,进而推导出冲击波在巷道转弯时的传播规律的简化公式,分析得出冲击波初始压力、转弯角度越大衰减系数就越大,与试验结果进行对比分析,验证了理论推导的结果.     

Study on Key Techniques for Multi-scale Expression of Laneway Traverse Data in MGIS

The multi-scale expression of enormously complicated laneway data requires differentiation of both contents and the way the contents are expressed.To accomplish multi-scale expression laneway data must support multi-scale transformation and have consistent topological relationships.Although the laneway data generated by traverse surveying is non-scale data it is still impossible to construct a multi-scale spatial database directly from it.In this paper an algorithm is presented to first calculate the laneway mid-line to support multi-scale transformation; then to express topological relationships arising from the data structure; and, finally, a laneway spatial database is built and multi-scale expression is achieved using components GIS-SuperMap Objects.The research result is of great significance for improving the efficiency of laneway data storage and updating, for ensuring consistency of laneway data expression and for extending the potential value of a mine spatial database.     

突变理论及其在采矿工程中的应用

阐述了突变理论的概念、演变过程、基本原理,以及初等突变理论的基本突变类型,介绍了尖点突变模型的推导过程及相关性质,研究了尖点突变模型在煤矿底板突水预测和深部巷道围岩失稳突变分析中的应用.结果表明:突变理论的应用将会极大地提高解决非线形问题的能力.