一种基于光纤光栅传感的巷道围岩应力监测装置制造方法
【专利摘要】一种基于光纤光栅传感的巷道围岩应力监测装置，将金属杆沿轴向中心对称刻凹槽，在凹槽内固定安装FBG光栅组，利用FBG光栅组作为敏感元件，当巷道围岩变形时，围岩应力将发生变化，使得金属杆产生力，将会产生表面微小变形，使得贴在金属杆上的FBG光栅的栅距就会随其发生变形，将会导致光栅的反射中心波长产生漂移，利用光纤光栅解调仪将波长信号解调为电信号，可得到不同点的受力情况。其优点是：设备安装简单，适于普遍推广；工作面端不需供电，保证了现场安全；采用全光测量和光纤传输，有效避免电磁干扰的影响；对温度误差进行补偿，提高了精度；能及时准确地提供围岩应力监测结果，利于指导现场生产及科研工作。
【专利说明】一种基于光纤光栅传感的巷道围岩应力监测装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种煤矿巷道围岩应力监测装置，具体是一种基于光纤光栅传感的巷道围岩应力监测装置。
【背景技术】
[0002]近年来，在我国各类煤矿事故中，围岩灾害导致的事故居高不下，还严重摧毁巷道、破坏运输及通风系统，随着煤矿开采深度的不断增大，围岩灾害更为严重，围岩灾害已经成为影响煤矿安全生产的重要因素。为保证巷道围岩的稳定、防止出现围岩事故而影响安全生产，现有煤矿一般采取巷道掘进后立即进行支护，对围岩应力的监测越来越受到重视，同时对监测的准确性、可靠性及在线监测能力的要求也越来越高。
[0003]但是，现有的矿山巷道围岩的监测技术对具有某一专门用途或设备依赖性很强，基本上属于传统的安全监测技术手段。如应变片式测力金属杆、液压式金属杆测力计等虽然具有不同的优点，但最关键的问题是，这些设备监测到的数据实质上是金属杆的受力状况，而非巷道围岩的实际应力状况。同时这些设备存在着各种缺点，具体表现有:采用人工间断观测和采集，监测结果滞后且获得的数据误差较大；测站断点式分布，不连续，不能进行分布测量和全自动信息化处理；易受电磁和井下潮湿环境干扰，可靠性低；监测效率不高，传感元件寿命短；无法对监测进行远程监控，不能实现实时在线监测和长期监测。
【发明内容】
[0004]技术问题:为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种精度高、误差小、抗干扰能力强、寿命长、能进行远程实时在线监测和长期监测、全自动信息化处理数据的基于光纤光栅传感的巷道围岩应力监测装置。
[0005]技术方案:本发明的目的通过如下技术方案实现:该巷道围岩应力监测装置包括:金属杆、凹槽、FBG光栅组、光纤、光纤光栅保护管、矿用光缆、光纤光栅解调仪和计算机系统；在金属杆的杆身上有凹槽，在凹槽内有FBG光栅组,FBG光栅组与光纤相连接,光纤光栅保护管安装在金属杆杆身表面，光纤与矿用光缆连接并直通地面，光纤、光纤光栅解调仪和计算机系统顺序连接。
[0006]所述的FBG光栅组至少各包括一个轴向应变光栅、一个横向应变光栅和一个温度光栅，其中轴向应变光栅只受轴向力，横向应变光栅只受横向力并限制为平面应变状态即轴向无应变，温度光栅不受力只受温度影响。
[0007]有益效果:由于采用了上述方案，将金属杆沿轴向中心对称刻凹槽，在凹槽内固定安装FBG光栅组，利用FBG光栅组作为敏感元件，将光纤连接头从尾部引出与光纤相连接，接入矿用光缆直通地面的光纤光栅解调仪，当巷道围岩变形时，围岩应力将发生变化，使得金属杆产生力，将会产生表面微小变形，使得贴在金属杆上的FBG光栅的栅距就会随其发生变形，将会导致光栅的反射中心波长产生漂移，利用光纤光栅解调仪将波长信号解调为电信号，可得到不同点的受力情况，通过计算机对电信号进行实时分析处理及监控，并根据光栅受カ特征得出在温度补偿条件下围岩轴向应カ及横向应カ的分析处理方法，实现煤矿巷道围岩应力实时监测系统，全面的了解巷道围岩应カ状况，为提高巷道围岩的稳定性和安全性提供依据，保障了煤矿的安全生产，利于指导现场生产及科研工作。
[0008]本发明与传统技术相比具有以下优点:
[0009]1、便于实现，设备安装简单，使用寿命长，适于普遍推广应用；
[0010]2、井下不需供电，不存在电信号和电子器件，保证了现场安全；
[0011]3、采用全光測量和光纤传输，可有效避免复杂恶劣环境下电磁干扰的影响；
[0012]4、对温度误差进行补偿，提高了精度；
[0013]5、能及时准确地提供围岩应カ监测结果，利于指导现场生产及科研工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明的装置安装使用示意图；
[0015]图2为本发明的装置结构示意图；
[0016]图3为图2的A —A图。
[0017]图中，1、金属杆；2、凹槽；3、FBG光栅组；4、光纤；5、光纤光栅保护管；6、矿用光缆；7、光纤光棚解调仪；8、计算机系统；9、围岩；10、铺固剂；11、水泥砂衆。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的一个实施例作进ー步的描述:
[0019]实施例1:该巷道围岩应カ监测装置包括:金属杆1、凹槽2、FBG光栅组3、光纤4、光纤光栅保护管5、矿用光缆6、光纤光栅解调仪7和计算机系统8 ;在金属杆1的杆身上有凹槽2，在凹槽2内有FBG光栅组3，FBG光栅组3与光纤4相连接，光纤光栅保护管5安装在金属杆1杆身表面，光纤4与矿用光缆6连接并直通地面，光纤4、光纤光栅解调仪7和计算机系统8顺序连接。
[0020]所述的装置通过下列步骤组装连接:将金属杆1沿轴向中心对称刻4组凹槽2，凹槽2的位置根据需测的围岩深度确定，深为l-2mm，宽度为2_4mm，长度根据所贴光栅数量和光栅间距而定，一般为l_4mm ;将凹槽2内表面打光，用脱脂棉蘸丙酮或酒精清洗凹槽；在每个凹槽2中用速干胶或环氧树脂类胶把FBG光栅组3固定好并均匀粘牢，并涂满环氧树脂类胶，以保护FBG光栅组3 ;光纤光栅保护管5安在金属杆1杆身上，将FBG光栅组3全部覆盖；将FBG光栅组3的光纤连接头从金属杆1尾部引出，与光纤4相连接；将光纤4接入矿用光缆6，矿用光缆6直通地面并与光纤光栅解调仪7相连接，实现光信号从井下至井上的传输；光纤光栅解调仪7与计算机系统8连接，将光信号解调为数字信号并传输至计算机进行处理。
[0021]所述的FBG光栅组3至少各包括ー个轴向应变光栅、ー个横向应变光栅和ー个温度光栅，其中轴向应变光栅只受轴向力，横向应变光栅只受横向カ并限制为平面应变状态(即轴向无应变)，温度光栅不受カ只受温度影响。
[0022]通过以上的具体实施，本发明提供了基于光纤光栅传感的巷道围岩应力监测装置，将金属杆沿轴向中心对称刻凹槽，在凹槽内固定安装FBG光栅组，利用FBG光栅组作为敏感元件，将光纤连接头从尾部引出与光纤相连接，接入矿用光缆直通地面的光纤光栅解调仪，当巷道围岩变形时，围岩应力将发生变化，使得金属杆产生力，将会产生表面微小变形，使得贴在金属杆上的FBG光栅的栅距就会随其发生变形，将会导致光栅的反射中心波长产生漂移，利用光纤光栅解调仪将波长信号解调为电信号，可得到不同点的受力情况，通过计算机对电信号进行实时分析处理及监控，实现煤矿巷道围岩应力实时监测，全面的了解巷道围岩应力状况，为提高巷道围岩的稳定性和安全性提供依据，保障了煤矿的安全生产，利于指导现场生产及科研工作。
【权利要求】
1.一种基于光纤光栅传感的巷道围岩应カ监测装置，其特征在于:该巷道围岩应カ监测装置包括:金属杆、凹槽、FBG光栅组、光纤、光纤光栅保护管、矿用光缆、光纤光栅解调仪和计算机系统；在金属杆的杆身上有凹槽，在凹槽内有FBG光栅组，FBG光栅组与光纤相连接，光纤光栅保护管安装在金属杆杆身表面，光纤与矿用光缆连接并直通地面，光纤、光纤光栅解调仪和计算机系统顺序连接。
2.根据权利要求书1所述的ー种基于光纤光栅传感的巷道围岩应カ监测装置，其特征还在于:所述的FBG光栅组至少各包括ー个轴向应变光栅、ー个横向应变光栅和ー个温度光栅，其中轴向应变光栅只受轴向力，横向应变光栅只受横向カ并限制为平面应变状态，即轴向无应变，温度光栅不受カ只受温度影响。
【文档编号】G01B11/16GK103454021SQ201310358451
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月15日 优先权日:2013年8月15日
【发明者】方新秋, 刘晓宁, 梁敏富 申请人:中国矿业大学