专利名称：一种岩块回转角测试传感器及方法
技术领域：
本发明涉及煤矿技术领域，尤其是一种岩块回转角测试传感器及方法。
背景技术：
在煤矿开采活动中，下部煤层开采后由于下部悬空，必将引起上覆岩层的破断、垮落。但由于岩石的强度较大，破碎的岩块在垮落时将会由于相互的回转而形成一定的结构， 使其不再垮落。中国矿业大学教授、中国科学院院士钱鸣高提出了 “砌体梁”理论，即破断岩块由于互相挤压形成水平力，从而在岩块间产生摩擦力，形成了裂隙体梁的平衡关系，这种结构称之为“砌体梁”，其结构如图1所示，其中α为岩块回转角。“砌体梁”理论已被相似模拟实验及现场实践所证明，特别是通过相似模拟实验可以直观地观察到砌体梁的存在。但从“砌体梁”理论提出至今的几十年中，岩块之间的回转角度从未被测试，人们都是通过直观的观察来确定。但对于立体相似模拟实验或现场，无法被观察时回转角是无法得出的。无法得出回角就无法获得岩梁结构，也就不能判断岩层的稳定关系。从而使人们对岩梁结构的形成只停留在“猜想”状态。光纤光栅是20世纪90年代以来国际上新兴的一种有着广泛应用前景的、性能优良的反射滤波无源敏感元件，通过Bragg光栅反射波长的移动来感应外界微小应变变化而实现对结构在线测量。其基本原理为当光纤中的光波通过光栅时，满足光栅波长条件的光被反射回来而成为反射光，其余的光成为透射光，外界参量的变化将引起反射光波长的漂移，而通过对波长漂移量的检测即可得到外界参量的变化量。温度和应变是最能直接改变反射波长的外界参量。光纤光栅结构如图2所示，Λ为光栅周期；图3为光通过光栅时的能量分配图，其中3-1为入射光谱，3-2为反射光谱，3-3为透射(传导)光谱，横坐标表示波长，纵坐标表示能量，Xb*反射光的中心波长。光纤光栅具有极高的测试精度，且不受电磁辐射等外界干扰，除此以外还具有易于布设、准分布式测量等多种优点，鉴于此，该项技术具有在航空航天、复合材料、混凝土结构工程、电力工程及医学等多个领域得到广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种以光纤光栅传感原理为基础的岩块回转角测试传感器，并提供了一种使用本发明传感器测试岩块之间的回转角度的方法。本发明采用如下技术方案一种岩块回转角测试传感器，包括合叶装置、弹性装置、光纤光栅合叶装置可以绕轴自由旋转，将所述弹性装置的两端分别固定在合页装置的两页上，所述光纤光栅粘贴在所述橡皮筋的表面。所述的岩块回转角测试传感器，所述弹性装置为橡皮筋。一种测量岩块之间的回转角度的方法，将所述岩块回转角测试传感器埋入相似模拟实验的模拟岩层中，下部煤层开采引上覆岩层的破断、回转时，将引起所述合页装置的两片合叶的转动，带动粘贴其上的橡皮筋产生伸缩变形，引起光纤光栅的应变变化，通过对所述光纤光栅的应变测量，再进行数据处理，即可得到岩块之间的回转角。通过光纤光栅测试岩块之间的回转角度，提出光纤光栅岩块回转角的测试量方法与技术，形成以此为基础的传感结构，为煤矿开采现场实践提供更多依据。
图1为砌体梁结构示意图；图2光纤光栅结构示意图；图3为光通过光栅时的能量分配图；图4本发明传感器结构示意5为图4的局部放大图；图6本发明测试过程电路原理示意图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。1、传感器结构
本发明的传感器结构如图4、图5所示，包括合叶装置10、弹性装置(本实施例采用橡皮筋20，也可采用其他弹性部件，例如弹簧等)、光纤光栅30。合叶装置10可以绕轴自由旋转，将所述橡皮筋20的两端分别固定在合页装置10的两页上，固定时使橡皮筋20保留一定的拉伸自由度，将所述光纤光栅30粘贴在橡皮筋的表面。3、传感器工作原理将本发明的传感器埋入相似模拟实验的模拟岩层中，下部煤层开采引上覆岩层的破断、回转时，必将引起所述合页装置的两片合叶的转动，带动粘贴其上的橡皮筋20产生伸缩变形，引起光纤光栅30的应变变化，通过对光纤光栅的应变测量，再进行相关的数据处理，即可得到岩块之间的回转角α。4、测试过程如图6所示，光纤光栅30通过外部引线与解调仪40连接，解调仪40通过网络连线41与外接计算机42相连。解调仪40发出光信号，至光纤光栅30后，满足反射条件的光被反射回来，反射光返回解调仪40，经过光电转换21生成电信号、数据采集22生数字信号 32，数字信号32经过波长计算23、数据分析Μ，通过此过程可获得反射波长的变化信息，再通过数据处理求可得到回转角度的变化。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种岩块回转角测试传感器，其特征在于，包括合叶装置、弹性装置、光纤光栅；合叶装置可以绕轴自由旋转，将所述弹性装置的两端分别固定在合页装置的两页上，所述光纤光栅粘贴在所述橡皮筋的表面。
2.根据权利要求1所述的岩块回转角测试传感器，其特征在于，所述弹性装置为橡皮筋。
3.一种测量岩块之间的回转角度的方法，其特征在于，采用权利要求1或2所述传感器进行测量，将所述岩块回转角测试传感器埋入相似模拟实验的模拟岩层中，下部煤层开采引上覆岩层的破断、回转时，将引起所述合页装置的两片合叶的转动，带动粘贴其上的橡皮筋产生伸缩变形，引起光纤光栅的应变变化，通过对所述光纤光栅的应变测量，再进行数据处理，即可得到岩块之间的回转角。
全文摘要
本发明公开了一种岩块回转角测试传感器，包括合叶装置、弹性装置、光纤光栅；合叶装置可以绕轴自由旋转，将所述弹性装置的两端分别固定在合页装置的两页上，所述光纤光栅粘贴在所述橡皮筋的表面。还公开了一种测量岩块之间的回转角度的方法，通过光纤光栅测试岩块之间的回转角度，提出光纤光栅岩块回转角的测试量方法与技术，形成以此为基础的传感结构，为煤矿开采现场实践提供更多依据。
文档编号G01B11/26GK102183220SQ201110047058
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者柴敬, 许力, 魏世明 申请人:河南理工大学