光纤光栅传感技术在锚杆测力计上的应用

根据光纤光栅传感原理研制了一种新型的光纤光栅锚杆测力计,并在实验室对该测力计进行了加载和卸载试验,试验与理论及应用分析结果表明,该测力计结构简单、安装方便、可重复使用、易于保护和维修,可用于对锚杆应力进行分析和长期监测,且具有很高的测试精度,长期稳定性好,信号传输距离远,给锚杆支护质量的长期在线监测提供了一种可靠有效的手段,具有极大的推广应用前景。     

带有温度补偿的光纤光栅锚杆测力计设计

分析了光纤光栅的温度应变交叉敏感的机理,设计并制作了一种基于油缸传递式的光纤Bragg光栅锚杆测力计,使用参考光栅进行温度补偿,解决了交叉敏感问题带来的影响.试验结果表明,10 ℃时温度补偿光栅中心波长λT=1 527.954 nm,压力传感光栅中心波长λS=1 529.526nm,传感光栅和温度补偿光栅的温度敏感系数之比K=2.495 1,该测力计工作压力3～15 MPa,通过参考光栅消除温度影响,能够实现精确测量,并且具有很好的线性度.     

新型光纤光栅测力锚杆在沙曲矿14301轨道巷检测项目的应用

本文针对现有光纤光栅测力锚杆所存在的锚杆应变相对于光纤光栅来说过大而造成光纤光栅被拉断或者测量结果不准确缺陷,通过分析光纤光栅测力计的工作原理,对现存矿用光纤光栅测力锚杆进行减敏设计和改进。通过工业性实践表明,新型的光纤光栅能够较精准的检测锚杆支护数据,达到了预期的效果。     

FBG锚杆测力计研制及现场试验

针对巷道锚杆载荷监测的重要性及常规监测方式的局限性,采用理论分析、实验室测试及现场试验的方法,以光纤布拉格光栅(FBG)为核心敏感器件,研制了一种新型光纤光栅锚杆测力计。锚杆测力计标定及性能测试表明,其具有良好的线性度、重复性和较高的灵敏度,灵敏度为57.25 pm/MPa,线性拟合系数为0.999 6。在沙曲矿14301轨道巷中构建了锚杆支护质量光纤光栅监测系统,对工作面开采过程中巷道2个测站的锚杆载荷变化进行实时在线监测。应用结果表明,测站1几乎不受工作面开采扰动的影响,仍保持初始预紧力的作用效果;测站2的锚杆载荷呈现为先稳定后增大最后减小的变化趋势,监测数据可作为巷道围岩稳定与控制的数据基础。监测系统具有本质安全、抗电磁干扰、可靠性高的优点,适合进一步推广应用。     

光纤光栅测力锚杆的标定试验

基于光纤光栅传感原理及受力传感特性,设计了一种光纤光栅测力锚杆。在力学分析的基础上,确定了锚杆轴力与光纤光栅中心波长的数学关系,并进行相关力学标定试验。试验结果表明,光纤光栅中心波长偏移量与载荷之间具有良好的线性关系,线性度高达0.994 5,测量精度较高;光纤光栅传感器应力灵敏度系数为0.013 2 nm/k N,和理论分析情况基本一致;从试验分析可以得出,利用光纤光栅传感技术对锚杆工作状态进行监测是可行的。     

全长锚固锚杆的光纤光栅实验研究

在分析传统锚杆监测系统的缺点和光纤光栅传感技术的优点的基础上,通过对全长锚固锚杆的受力分析,设计了一套新的光纤光栅锚杆监测系统.采用相似材料模拟试验手段,对全长锚固锚杆做了拉拔实验及分析,验证了光纤光栅锚杆监测系统的可行性.     

温度补偿的井下光纤光栅锚杆受力动态监测技术研究

目前煤矿井下全长锚固锚杆受力信息监测存在反馈滞后问题,而且精度较差,温度变化对测力传感器有较大影响,针对这些问题,提出建立温度补偿的基于光纤光栅传感技术的井下锚杆受力动态监测系统。基于光纤Bragg光栅传感原理与技术,通过实验室力学标定试验,建立光纤光栅反射波波长与锚杆轴向应力、温度的物理关系,构建光纤光栅测力锚杆受力动态监测系统,并在塔山矿进行井下光纤Bragg光栅测力锚杆受力动态监测试验。试验结果表明,该光纤Bragg光栅反射波波长偏移量呈高度线性关系,相关系数达0.99,光纤光栅测力具备高测量精度。但与此同时,光纤Bragg光栅反射波波长对温度变化敏感,温度每升高1℃,光纤Bragg光栅波长大约增加59pm,故井下锚杆动态监测系统中应考虑地温变化对应力监测的影响,需要布置温度补偿锚杆。该锚杆受力动态监测系统通过测试表明,它可实现锚杆工作状态的高精度动态监测,并为锚固支护参数的动态优化控制提供依据。     

基于光纤光栅拉拔实验锚杆应力分布研究

为了检测锚杆的应力分布状态,采用光纤光栅传感技术搭建了锚杆支护质量的长期在线监测系统。在实验室模拟巷道中锚杆的受力过程,进行了锚杆拉拔试验。在试验中用光纤布拉格光栅检测锚杆应变,利用高斯函数对锚杆杆体上应变的实测数据进行拟合,得到锚杆的轴力和剪应力分布情况。试验结果表明:用光纤布拉格光栅技术检测锚杆的应力应变具有可行性;高斯函数可以准确地拟合全锚锚杆的轴力;高斯函数的拟合参数t与岩体对锚杆的握裹程度有关,它变化方向的转折表明了杆-岩界面状态的转变,岩体对杆体的握裹能力开始降低。研究结果为锚杆锚固质量的在线检测提供了一种手段。     

基于光纤光栅技术的巷道支护锚杆受力监测

锚杆支护效果决定了巷道支护的质量和效率，现实生产中一直存在锚杆崩断导致支护失效的问题，给煤矿生产带来了安全隐患。目前国内对锚杆监测主要应用锚杆(索)测力计、表贴式传感器，但是测力计无法实现对锚杆杆体服役状态的监测与分析，表贴式传感器虽可以测量杆体受力但其工业应用效果较差。提出一种针对锚杆杆体受力进行监测的矿用光纤光栅锚杆传感器技术，本传感器利用光栅体积小且抗拉的优势，将多个Bragg光栅链式连接并将其埋入锚杆，实现了对杆体受力变化规律的分析及对杆体破裂的预报预警功能。通过工业试验对系统进行测试，在工作面前方200 m的位置安装32组锚杆传感器共160个数据采集点，应用自主研发的32通道解调设备对光栅数据进行采集存储，结合工作面推进速度对数据进行分析验证。结果表明：在工作面回采对锚杆杆体受力的影响范围约为60 m,在60 m以外影响微弱，而进入50 m以后锚杆杆体受力变化显著增加，同时区段平巷两帮部分位置出现变形；处于内帮的锚杆杆体变化要比同一断面上位于外帮的变化更为明显，外帮杆体局部受力变化量约为30 kN,内帮杆体局部受力变化可达150 kN。单个锚杆杆体受力呈现非线性变化状态，锚杆...     

基于温度补偿的光纤光栅井下锚杆受力动态监测技术

基于光纤Bragg光栅传感原理与技术,通过实验室力学标定试验建立光纤光栅反射波波长与锚杆轴向应力、温度的物理关系,构建基于温度补偿的光纤光栅测力锚杆受力动态监测技术;并在塔山矿进行井下光纤Bragg光栅测力锚杆受力动态监测试验。试验结果表明,光纤Bragg光栅反射波波长偏移量呈高度线性关系,相关系数达0.99,光纤光栅测力具备高测量精度;但与此同时,光纤Bragg光栅反射波波长对温度变化敏感,温度每升高1℃,光纤Bragg光栅波长大约增加59 pm。基于温度补偿的光纤Bragg光栅井下锚杆受力动态监测系统可实现锚杆工作状态的高精度动态监测。     

矿用柴油机性能试验台测功机的选型研究

矿用柴油机性能试验台以测功机为加载吸功设备,为提高矿用柴油机的动力性能,介绍了水力测功机,电涡流测功机,直流电力测功机,交流电力测功机的原理、特点和扭矩特性,并分析了四种测功机的优缺点。根据矿用柴油机特性选用直流测功机作为加载设备,通过试验验证,选用直流测功机在全速度范围内可以达到较好的效果。     

光纤传感技术和虚拟仪器在切削力测量技术中的应用

针对切削力测量的需要,介绍了一种基于虚拟仪器技术的光纤光栅(FBG)传感测试系统,设计出了光纤光栅传感器各项参数,简化了测试仪器结构,避免了温度对测量精度的影响。在虚拟仪器平台上开发了测试数据处理和自动化管理的程序,介绍了LabVIEW环境中建立切削力测试的方法。     

采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比

物理相似模型试验是煤矿采场上覆岩层变形破坏规律研究的主要手段,将BOTDA,FBG与DIC光测方法相结合,建立“点-线-面”的试验测试系统以提高测试精度十分必要。基于光测原理,分析了BOTDA,FBG和DIC技术的应变测量,探究了应变局部化带对DIC检测应变的影响,BOTDA和FBG测试本质上是一种“线应变”,而DIC是“面应变”。统计已有的试验研究,得出了不同工况下物理模型试验BOTDA,FBG光纤应变监测数据范围。搭建3 m平面应力相似模型,模拟煤矿工作面开挖77次,推进240 cm。通过埋设在模型内部的1根BOTDA传感光纤以及3个FBG传感器对模型关键层内部变形状态进行监测,同时以DIC实时观测模型表面变形,研究这3种不同的光测技术所获得的关键层应变测试结果,进行对比分析覆岩变形破坏规律,得出3种不同的光测技术测试应变的量化关系,并分析他们对应变测试存在差异的原因。试验结果表明,BOTDA和FBG的测试应变量级相同,在均匀连续变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为15.52~16.70,在非均匀变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值为27~133;在应变曲线峰前阶段,DIC与FBG测试应变一致性好,峰后阶段DIC更好地反映了上覆岩层的变形;尽管在测试结果上有量级的差异,但随着岩层变形破断以及离层裂隙的张开、闭合,3种光测方法均可以反映岩层内外部同步性的变形,其发展趋势基本一致,BOTDA,FBG和DIC应变曲线峰值位置偏差较小;对离层出现位置,FBG的偏差为1.13%,FBG测试结果更好;对关键层破断范围,DIC测试的破断范围偏差为1.62%,测试结果更好。     

松散地层深部沉降变形的光纤Bragg光栅监测

为了监测松散含水地层沉降变形,提出了一种在预设钻孔中埋入光纤Bragg光栅传感器网络系统的监测方法.根据光纤Bragg光栅传感原理和矿井地层情况,设计并实现了一个由18个光纤光栅组成的具有特色的光纤Bragg光栅波分复用/空分复用混合阵列,研究了光纤Bragg光栅传感器应变传递规律,通过监测得出了风井松散层应变变化情况,在146~149 m的砂砾层和167~176 m的黏土层处应变最大,截至2008-05-01最大应变变化量为121.68 με.工程实践表明,光纤光栅传感器监测正常,系统稳定,光纤光栅作为应力应变检测使用安全可靠.     

基于电力系统监测的光纤光栅传感器采集装置研究

研制了1台基于FPGA的光纤光栅传感器采集装置,该装置采用掺饵光纤放大器（EDFA）,结合可调谐F-P滤波器产生稳定波长扫描光,利用质心法对光纤布拉格光栅（FBG）反射波谱进行寻峰处理,装置最终可以实现16个通道同时采样,测量范围为1 525~1 565 nm。实验结果表明,该装置具有良好的稳定性和测量精度,可以满足电力行业的工程需求。     

光纤布拉格光栅称重系统研究

目前所使用的称重传感器存在着精度低、易损坏、维护艰难等缺点,为了解决这些问题,提出了利用光栅光纤实现动态称重的方法。温度感应和应力感应,是光纤布拉格光栅的两个基本特性。从理论上分析了FBG传感技术,介绍了利用FBG实现车辆动态称重。实验结果表明,基于FBG设计方法可行,适用于车辆重量检测,也可以用作测量煤炭企业产煤量等数据。     

基于示功图监测的煤粉相关井下故障预警

为了防治煤粉产出导致的煤层气井排水不畅、抽油泵漏失、卡泵等井下故障,进行了应用示功图预警煤粉产出对排采设备伤害程度的研究。基于鄂尔多斯盆地韩城地区煤层气生产实践,对煤粉相关井下故障的典型示功图进行了载荷分析与形状对比,提出了示功图监测预警煤粉相关井下故障的定量参数:卸载线滞后幅度R与载荷线偏差夹角θ。根据R与θ的变化范围,将相应井下故障强度划分为4个等级。排水不畅与卡泵生产实例的分析结果表明,示功图形状特征对煤粉聚集及其相关井下故障的严重程度具有指示预警作用。综合分析单井示功图形状及载荷比、变频器电流波动、日产水量变化等生产数据,可准确查明井下设备的功能状态与煤粉造成的伤害强度。对出现故障苗头的煤层气井及时采取回注排采与高效洗井等治理措施,可有效稀释煤粉浓度,扰乱煤粉聚集,加速煤粉运移,进而缓解煤粉伤害及相关井下故障。     

三种泵功图特征提取方法及比较

在油田工作现场,工程师们根据自己的工作经验,通过地面示功图推测泵功图的几何形状,从而判定抽油井的工作状态。如何选择有效的描述泵功图的方法,从而实现井下故障的自动识别?讨论了3种泵功图几何特征提取方法,并用LibSVM工具箱对3种特征提取方法进行分类验证,实验表明矩特征识别方法更适合描述泵功图。     

基于相似材料的光纤应变传感器在分区破裂模型试验中的研究

基于模型相似材料研制了适用于地质力学模型试验的光纤光栅应变传感器,能够同时实现横向、纵向和切向3个方向的应变测量。将7个光纤应变传感器依次预埋在模型巷道的左边墙,采用波分复用技术组成光纤传感网络,实现对模型内部应变分布的实时监测。光纤传感器的监测结果表明,在巷道开挖过程中,深部巷道周围径向应变值没有表现出随距离巷道远近而递减的规律,而是呈波浪形分布;超载试验完成后,巷道周围径向应变值依然呈波浪形分布。最后将模型剖开,成功观测到了高地应力深部巷道围岩的分区破裂现象,同时验证了设计的光纤光栅应变传感器的可靠性。     

温补型光纤Bragg光栅压力传感器在锚杆支护质量监测中的应用

为了改善现有光纤光栅压力传感器应变-温度交叉敏感的问题,基于光纤光栅传感原理及弹性膜片结构,设计了一种新型的温度补偿压力传感器。建立了膜片结构变形力学模型,推导出了光纤光栅中心波长漂移与压力之间的数学关系,建立了传感器灵敏度与膜片材料和结构尺寸参数之间的数学方程,Matlab数值分析了膜片参数对灵敏度的影响,利用有限元软件ABAQUS对膜片变形特征进行了仿真分析。传感器理论压力灵敏度为40.43 pm/MPa,标定实验的灵敏度为35.6 pm/MPa,经温度补偿后的实际灵敏度为37.62 pm/MPa,实现了压力测量中的温度补偿。测试结果表明该传感器具有良好的线性度、较低的啁啾性及较高的稳定性,现场应用结果证实了光纤光栅传感技术在煤矿安全监测中的可行性,适合进一步推广应用。