FBG传感器在矿压监测系统中的实现.pdf

论文题目FBG 传感器在矿压监测系统中的实现 工程领域矿业工程 硕 士 生丁 威 （签名）＿＿＿＿＿ 校内导师肖 江 （签名）＿＿＿＿＿ 校外导师董卫锋 （签名）＿＿＿＿＿ 摘 要 论文通过借鉴土木工程方面的应用，提出了基于光纤光栅传感的矿压监测系统方 案。论文对传感器的各项参数的应变响应以及实际应用中多点监测中涉及到的监测组 网。在详细分析了煤矿工作面和巷道产生灾害的形成机理后，设计了一整套压力、位移 传感器。为了验证设计的传感器使用功能，在实验室进行了标定实验和验证试验，结果 证明达到了预期的效果。 在整个设计和实验过程中，验证以下四个方面的问题 （1） 波长解调仪的波形重叠现象一直得不到解决，在查阅光学方面的文献后，利用 特殊结构等强度梁作为载体与光栅一同受力，可以解决了了重叠和多波峰现象。 （2） 在智能材料选择上，高弹材料是保证发生大应变的首选，为了匹配光栅的精度， 提高分辨率，必须要尽可能产生大应变，又基于封装的尺寸要求，通过对材料物理性质 的筛选，解决了材料选型的问题。 （3） 曲线拟合有很多方法曲率积分求得曲线位置、曲率积分递推曲线位置、曲率 的双线性插值等方法， 在巷道变形监测系统中采用曲率积分递推曲线位置和曲率线性插 值相结合的方式，利用数学递推方法完成拟合。 （4） 在实验过程中证明压力、顶板离层、巷道变形监测系统中均达到了应用的要求。 关 键 词FBG；传感器；波长解调；矿压监测；曲线拟合 论文类型产品设计 万方数据 万方数据 Subject Implementation of FBG sensors in the pressure monitoring system of mine Specialty Mineral Engineering Name Ding Wei Signature Instructor Xiao Jiang Signature Instructor Signature ABSTRACT Research progress at home and abroad of mine pressure monitoring system, Summarizes the existing problems in traditional monitoring system, The use of a large number of facts prove the widely application of fiber grating in various fields, and achieved considerable effect. Through the use of civil engineering, the pressure monitoring system based on Fiber Bragg grating sensing, then the paper from the understanding of the optical fiber, Introduces the principle of fiber Bragg grating sensor. The strain on the parameters of the sensor response and Multi point monitoring network in practical application, after In a detailed analysis of the coal mining face and roadway ation mechanism of disaster, Design a set of pressure, displacement sensor. In order to validate the use function of sensor design, calibration experiment was carried out and verified test in the laboratory, the results proved to achieve the desired effect. We get the following conclusions in this design and experiment process （1） Wavelength demodulation instrument waves overlapping pheno- menon has not resolved in search of optics literature, in this optical aspect of literature, the special structure of equal strength beam as the carrier and the grating to force can solve the overlapping and multi peak phenomenon. （2） In the intelligent choice of materials, high elastic material is the guarantee of large strain of choice, In order to grating matching accuracy, as far as possible to produce large strain based on the requirements of packaging size through the screening of the physical properties of the material, the choice is the spring steel 3J53. （3） There are a lot of s of curve fitting Curvature integral curvilinear position, Curvature integral recurrence curve, and the bilinear interpolation of curvature. In the settlement of ground surface displacement monitoring system using curvature integral recursive curve position and curvature of linear combination, using assembler completed 万方数据 fitting. （4） In the process of experiment proves that monitoring system meets the application requirements of roof separation, and surface pressure. Keywords FBG; Displacement sensor; pressure sensor; wavelength demodulation; mine pressure monitoring; strain Thesis Instrument design 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 研究的背景及意义 ...................................................................................................... 1 1.1.1 矿压监测系统的发展现状 ................................................................................ 1 1.1.2 煤矿井下矿压监测系统存在的问题 ................................................................ 4 1.1.3 课题的研究意义 ................................................................................................ 4 1.2 FBG 传感器的应用现状 .............................................................................................. 5 1.2.1 FBG 技术的发展 ................................................................................................ 5 1.2.2 FBG 传感器在工程中监测及国内外现状 ........................................................ 6 1.3 论文的任务目标及技术路线 ...................................................................................... 9 2 FBG 传感器的工作原理及传感网络设计 .......................................................................... 11 2.1 FBG 的传感原理 ........................................................................................................ 11 2.1.1 光纤的基本知识 .............................................................................................. 11 2.1.2 FBG 制作方法 .................................................................................................. 11 2.1.3 FBG 的种类 ...................................................................................................... 12 2.1.4 FBG 传感原理 .................................................................................................. 13 2.2 FBG 传感器对矿压监测系统中各主要参数的响应 ................................................ 15 2.2.1 FBG 传感器对轴向应变的响应 ...................................................................... 15 2.2.3 FBG 传感器对温度的响应 .............................................................................. 16 2.3 FBG 传感器多通道监测组网 .................................................................................... 17 2.3.1 波分复用 .......................................................................................................... 17 2.3.2 空分复用 .......................................................................................................... 18 2.3.3 时分复用 .......................................................................................................... 18 2.3.4 光频域反射复用 .............................................................................................. 18 2.3.5 矿压监测系统中多通道监测网络设计 .......................................................... 19 3 矿压监测系统中 FBG 传感器的研制 ................................................................................ 20 3.1 FBG 压力传感器 ........................................................................................................ 20 3.1.1 整体设计思路 .................................................................................................. 20 3.1.2 传感器材料选择 .............................................................................................. 21 3.1.3 粘结剂选择 ...................................................................................................... 21 3.1.4 预压封装设计 .................................................................................................. 22 3.1.5 封装步骤 .......................................................................................................... 22 3.2 FBG 顶板离层位移传感器 ........................................................................................ 23 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 3.2.1 煤矿顶板离层仪工作原理 .............................................................................. 23 3.2.1 传感器设计原理 .............................................................................................. 24 3.2.2 传感器安装方法 ............................................................................................... 25 3.3 FBG 巷道变形位移传感器 ........................................................................................ 28 3.3.1 整体设计思路 .................................................................................................. 28 3.3.2 平面坐标系内离散点曲率信息形状重建方法 .............................................. 28 3.3.3 曲率的线性差值算法 ...................................................................................... 31 3.3.4 平面曲率传感原理 .......................................................................................... 31 3.3.5 传感器材料选择 .............................................................................................. 32 3.3.6 封装步骤 .......................................................................................................... 33 3.4 小结 ............................................................................................................................ 33 4 FBG 传感器标定和传感实验 .............................................................................................. 34 4.1 温度标定 .................................................................................................................... 34 4.1.1 实验过程及分析 .............................................................................................. 35 4.2 传感实验 .................................................................................................................... 36 4.2.1 压力传感器标定和验证 .................................................................................. 36 4.2.2 顶板离层仪标定和验证 .................................................................................. 38 4.2.3 巷道变形监测传感器的标定和验证性试验 .................................................. 40 5 实验的误差分析及修正 ...................................................................................................... 45 5.1 传感器封装误差 ........................................................................................................ 45 5.1.1 压力传感器与顶板离层仪封装误差 .............................................................. 45 5.1.2 巷道变形监测位移传感器封装误差 .............................................................. 45 5.2 传感器的标定误差 .................................................................................................... 46 5.3 传感器算法误差 ........................................................................................................ 46 5.4 传感器本身的误差 .................................................................................................... 46 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 47 6.1 结论 ............................................................................................................................ 47 6.2 展望 ............................................................................................................................ 47 致 谢 ........................................................................................................................................ 48 参考文献 .................................................................................................................................. 49 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究的背景及意义 随着新能源在二十一世纪得到大规模开发和利用， 再生能源利用技术也取得了长足 的发展，并在世界各地形成了一定的规模。新能源产业的发展既是整个能源供应系统的 有效补充手段，也是环境治理和生态保护的重要措施，同时也是满足人类社会可持续发 展需要的最终能源选择。虽然新能源在当今社会正酝酿着一场革命，但是我国能源消费 结构并没有发生显著的改变。石化能源，特别是煤炭消费在一次能源消费中仍然居于主 导地位，所占的比重达到六成以上[1]。 煤炭开采分为露天开采和井工开采，其中 93的煤矿开采依靠是井工作业。矿井五 大灾害之一的冒顶是我国煤矿生产中最常见而且最容易发生的事故，据 2010 年煤矿事 故统计，我国存在的顶板事故次数占了全国煤矿事故的 14.3，顶板事故多发生在掘进 工作面与巷道内。因此，煤矿安全生产要求巷道支护安全、可靠。保证巷道围岩的稳定， 避免冒顶事故的发生，是避免煤矿伤亡事故的重中之重[2]。 另外，对地下矿井开采而言，保证巷道开挖和支护稳定是矿井安全生产的前提。随 着矿井开采的大规模进行和采深的不断加大，巷道围岩应力状态趋于恶化，高地压问题 日益严重，使得巷道围岩的支护更加困难，其在破碎围岩中开掘大断面巷道，其支护一 直是困扰地下矿井安全生的重大技术难题。 而支护完成后对矿井巷道的变形监测也是保 证企业安全生产的一个重要环节， 针对矿井巷道片帮、 冒顶以及底鼓的围岩变形等灾害， 今后一个相当长时间内仍然是矿压监测的重要内容。 1.1.1 矿压监测系统的发展现状 国外研究矿压监测系统依据信息传输的进步性，共产生了四代产品第一代是英国 和日本于六十年代中期研制的固定设备控制，其监控系统的传输信息利用空分制完成。 第二代产品以信道频分制技术，以 SIEMENS 公司的 TST 系统最为代表性。频分制的广 泛应用，成功的体现了以晶体管为主的信息传输技术的广阔发展，而且集成电路的出现 强有力的推动了十分制系统的应用和发展， 进而产生了以十分制为基础的第三代监测监 控系统，1976 年英国煤矿研究院推出了轰动一时的并以十分制为基础的 MINOS 煤矿 监控系统，并在胶带输送、井下环境监测、供电供水监测和洗煤厂监控等多方面取得成 功，形成了全矿井监测监控系统[3]。进入 80 年代，其中最能代表的为美国 MSN 公司 和 DAN6400 系统，形成了以分布式微处理机的第四代系统。 国内科研单位与制造厂家在 20 世纪至 80 年代初期研制出了 KJ2、KJ4、KJ8、KJ10 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 等监控系统。 经过实践证实和实际检验， 在确保煤矿能够安全生产、 管理严格的情况下， 安全监控系统起到了极其重要的作用， 国家安监总局已经把监测系统作为保障安全生产 的必须装备强制性推广使用。 随着电子计算机技术和计算机本身的软件和硬件在电子行 业的发展速度之快，煤炭行业本身发展需要的迫切性，KJ90，KJ95，KJ101 等监测监 控系统，相继被研制出来[4]。 1990 年在国家科技攻关项目的资助下山东矿业学院（山东科技大学的前身）自主 研制成功了 DKJ-1 煤矿顶板预报和计算机监测系统，该系统可以将采集到的压力信息 通过电缆将数据信息传输到地面计算机， 系统主要用于监测和预报顶板初次来压和周期 来压。 1993 年， 山东省尤洛卡自动化仪表公司和山东科技大学共同研制推出了 ZYDC-1 综采工作面压力计算机监测系统， 该监测系统主要功能是对煤矿工作面综采支架压力参 数进行远距离的分布式在线监测。系统以地面监测计算机为主控单元，井下压力采集分 机为分布式监测单元，整个系统最多可连接 64 个分机 196 个测点，而且该系统具有 操作简单，性能价格比高，安装方便等优点。该系统在水城矿务局、新汶矿务局、充州 矿业集团鲍店煤矿、淮南煤电公司、大屯煤电公司等数十个工作面推广使用，取得了很 好的使用效果，至今在综采面顶板安全监测方向仍在广泛应用[5]。 矿压监测系统主要用于实时、在线监测液压支架工作阻力、立柱伸缩量、超前支承 压力，煤柱应力，锚杆（索）载荷和巷道变形量。综采工作面支架液压阻力等参数是各 大煤矿设备厂商研究的重点内容，技术已相当成熟。但是研制的关于针对掘进工作面冒 顶、断裂的综合监控系统较少，所以监控设备多以单独的仪器居多，具体如下 （1） 巷道顶板离层监测 顶板离层仪是一种监测顶板岩层移动的专用监测仪器图 1. 1。它可以分别显示锚杆 长度范围内和锚杆同范围外的顶板岩层的离层情况。 为煤矿工程技术人员和检测人员提 供确定锚杆的长度、 抗拉强度， 了解所使用的锚杆的和理性、 经济性而需要的科学依据， 从而有效的防止顶板坍落事故的发生，确保煤矿安全生产。 图图 1. 2 LBY-2H 巷道顶板离层仪巷道顶板离层仪 巷道顶板离层指示仪工作原理安装时在顶板钻孔中布置两个测点；一个测点设置 在锚杆端部的位置，另一个设置在相对比较稳定的深部围岩当中，在两个测点设置固定 器，所设置的固定器与顶板岩层进行同步移动。用测量钢丝把固定器与设在顶板表面的 万方数据 1 绪论 3 测读装置相连接，这样就能测出锚固区内和外以及总的离层值。 （2） 锚杆与锚索受力监测 图图 1. 3 YZS-200 型锚杆测力计型锚杆测力计 锚杆锚索测力计主要是用于煤矿井下锚杆、锚索轴向张力的检测（图 1. 3） ，检测值 可直接由压力表读出，通过对锚杆、锚索工况的检测以便对巷道支护质量进行监控，从 而也对巷道、硐室、围岩应力进行监控，是研究巷道、硐室稳定性不可缺少的监测仪器。 在安装过程中，锚杆托板下方安置液压枕，当锚杆受力时，就会挤压托板，托板在 把所受压力传递给液压枕，由此使得液压枕内的油压增加，所显示的压力值由油压表读 出。经过初步计算，就可以得出锚杆尾部所受到的拉力值。 （3） 巷道变形位移监测 巷道的变形监测有很多种方法,有传统的物理量测手段和测量仪器的量测。 物理量测 方法监测巷道变形时,岩层所产生的压力变化的方式来进行巷道的变形监测,特殊测量手 段包括应变测量;准直测量和倾斜测量,它具有测量过程简单,可监测变形体内部的变形, 容易实现自动化监测等优点,但通常只提供局部的和相对的变形信息。 伴随着时代的发展, 变形观测的技术从常规的物理量测和测量仪器的量测到现代的三维激光扫描仪量测。 收敛测量是一种常用的监测方法。 围岩收敛变形量测是对巷道断面上所布置的测线 及时进行量测,监测其长度随时间的变化及测点的位移,用以计算和分析围岩收敛变形的 大小和趋势,做出围岩收敛变形预报,围岩收敛变形的测量精度要求在以内。隧道收敛变 形监测断面中的监测点和测线的布置如图 1. 4 图图 1. 4 收敛变形观测法测点布置示意图收敛变形观测法测点布置示意图 （4） 工作面液压支架的压力监测 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 工作面液压支架压力监测是矿压监测系统的重要组成部分，目前，应用于综采工作 面支护质量检测手段还比较落后，近年来通过在支架上安装直读压力表、圆图记录仪等 监测仪表对综采支架的安全运行起到了一定的促进作用，但总因数据采集不完全、处理 繁锁、信息反馈周期长、仪器使用寿命短、使用维护工作量大等原因，使现有仪表没有 从根本达到及时指导生产的要求，没能得到现场工程管理技术人员的认可。以山东尤洛 卡矿业设备有限公司生产的矿压在线监测系统为代表的综采支架工作压力在线监测与 数据处理系统，实现对综采支架多点压力参数的在线连续监测，配合计算机软件系统具 有支架受力状态分析、工作面受力分布模拟及图文报表输出功能。综采工作面支架压力 参数在线监测与微机通讯系统的研制成功地为综采监测提供了一条全新的途径， 它采用 了先进的单片机技术和数字时分路制传输系统，实时采集支架各测点的压力值，并且传 输到地面计算机，实现快速、连续、动态地将测点压力值显示到屏幕上，实现了真正意 义上的在线监测。 1.1.2 煤矿井下矿压监测系统存在的问题 矿压设备售后服务人员的整体素质参差不齐。 矿压监测及数据分析具有理论性及专 业性较强的特点，多数矿压设备生产厂家售后服务人员对矿井生产、采煤方法、矿压理 论不够了解，无法通过矿压数据分析矿压显现规律，进而无法评价支架与地质条件适应 性及巷道支护质量，不能全方位细致地深入地培训矿压观测人员，造成矿方（特别是一 些较小规模的矿井）矿压监测结果用于指导生产实践有一定的困难，成为摆设。 煤矿矿压监测设备投入较大，人力投入不够。近年来随着煤矿经济效益的好转以及 对矿压认识的深入， 在矿压监测设备方面投入不断加大， 但受煤炭行业快速发展的影响， 专业技术人员缺乏，矿压监测方面人力投入少，相当一部分矿井还未组织专门矿压数据 分析人员及矿压设备维护人员，导致矿压监测作用没有正常发挥。 煤矿矿压监测设备稳定性较之前发生了重大变化， 但是用于指导生产还有一定的困 难。矿压监测系统是一个庞大的复杂控制体系，它包括工作面现场的安装、调试，数据 通信的采集和传输， 计算机软件通信协议等高标准的技术要求以及网络在线监测和信息 共享等强大的功能，每一个环节都要保证不受到影响。然而实践和事实证明目前大部 分设备应用到现场取得了一定的效果，反馈到实际应用中效果还不够全面和具体。 1.1.3 课题的研究意义 矿压观测能够第一时间掌握井下实际情况，便于做到防范于未然。长期进行矿压观 测，分析矿压显现规律，可以较准确地预测预报顶板灾害。因此，矿压观测是煤矿生产 过程中必不可少的工作之一。 虽然我国在煤矿巷道矿压监测技术方面取得了很大的进步， 但存在的问题和需要解 万方数据 1 绪论 5 决的问题还有很多。巷道矿压监测系统的研究对于减少冒顶事故的发生、保护矿井工人 的人身安全和保障煤矿企业生产的顺利进行具有十分重要的理论意义和实用价值。 对于 综采工作面液压支架压力监测系统， 国内一线厂商和相关科研院所已掌握了各种监测技 术，基本实现了稳定、精确的测量；同时巷道顶板离层仪也由最初的物理式、机械式的 人工读取向电子式实时采集、存储，避免了“专人专干”的繁琐流程；但是目前为止， 查阅了国内外对巷道变形的监测技术研究， 发现有关巷道表面位移监测的成果大多停留 在被动监测阶段，无法实现全天候、无限制的搜集数据功能，本课题重点从巷道表面位 移测量着手，利用坐标变换以及曲率重建曲线相结合的方法，巧妙的解决了光纤光栅只 能完成小变形监测的劣势，同时借鉴光纤光栅在土木工程中的监测模式，提出了一套合 理的监测方法， ，从根本上对煤巷位移监测技术进行了全新的研究和改进，真正意义上 实现了本质安全，同时光纤光栅的使用也大大减少了井下设备，使操作方案升级到简便 快捷的模式，特别是近年来随着光纤光栅价格的下探，经济意义十分明显，使用过程中 能够进行同步、连续、密集检测、记录和存储，并与计算机进行数据传输，以达到测试 精度高，操作简单