光纤光栅传感技术在锚杆测力计上的应用

李　毅

1,2

,柴　敬

1,2

,邱　标

1

(1.西安科技大学能源学院,陕西西安710054;2.教育部西部矿井开采与灾害防治

重点实验室,陕西西安710054)

摘　要: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。

关键词:光纤光栅传感技术;锚杆测力计;在线监测

中图分类号:T D353+

.6　　　文献标识码:B 　　　文章编号:1003-496X (2009)02-0050-03

0　引　言

锚杆的支护质量决定着巷道的使用安全和围岩稳定,如何对巷道的稳定性、安全性进行监测,提前采取预防措施,避免损失和灾害,一直是讨论的重点。现有的锚杆锚索端部载荷的监测仪器,按其传感器的类型分有电阻应变式、钢弦式、液压枕式等多

种形式〔1〕

。但均无法满足锚杆长期监测的要求。

光纤B ragg 光栅传感器是一种新型的全光纤无源器件,是用光纤B ragg 光栅(F BG )作敏感元件的功能型光纤传感器。它除了具有普通光纤传感器尺寸小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、使用安全可靠等优点外,还具有其独特的优点:如波长调制型,抗干扰能力强;易于与光纤耦合,耦合损耗小;集“传”与“感”于一体且具有更强的复用能力,易于构成传感

网络;测量对象广泛,易于实现多参数传感测量〔2〕

等等。

目前,国内已经有很多学者开展了对光纤光栅传感技术应用于锚杆支护质量监测的研究,他们将

光纤B ragg 光栅阵列粘贴到锚杆上〔3-4〕

,实现了对锚杆支护质量的长期监测。但它也未能很好地推广应用到实践,主要是因为它存在着结构复杂、安装工艺繁琐、只能一次性使用、不易保护和维修、受环境的影响较大等缺点。

为此,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,该传感器结构简单、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布和长期监测,且具有很高的测试精度,长

期稳定性好,信号传输距离远。1　光纤B ragg 光栅传感原理1.1　光纤光栅传感原理

光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性,通过某种

工艺方法(通常是向Ge 磁芯光纤照射240n m 左右的紫外线)使外界入射的光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用,导致纤芯折射率沿光纤轴方向周期性或非周期性的永久性变化,在纤芯内形成空间相位光栅〔5-6〕。光纤光栅的工作原理如图1

。

图1　光纤光栅传感原理

　　一束光注入光纤光栅,只要满足布拉格条件就会产生有效的反射,反射光的峰值波长称为布拉格波长λB ,单模光纤中,布拉格波长为

λB =2n eff

Λ(1)

式中　n eff ———纤芯的有效折射率;

　Λ———光栅的空间周期。

反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ和反向耦合模的有效折射率n eff ,任何使这两个参量

・

05・煤矿安全

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　　　　　　　　　技术经验

移。

在所有引起光栅B ragg波长漂移的外界因素中,最直接的为应变参量,因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩,都势必导致Λ变化,并且光纤本身所具有的弹光效应使得n

eff

也随外界应力状态的变化而变化,这为采用光纤B ragg光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。还有一个重要因素

就是温度,而温度对λ

B

的影响则是由于热光效应和热膨胀效应。应力应变引起光栅B ragg波长漂移:

Δλ

Bε

=λB(1-P e)Δε=KεΔε(2)

式中　P

e

———光纤的弹光系数;

　Δε———光纤轴向应变;

　Kε———测量应变的灵敏度,n m/με。

由于温度变化而引起的波长变化量:

Δλ

B t

=λB(α+ζ)Δt=K iΔt(3)式中　α———光纤B ragg光栅的热膨胀系数;

　ξ———光纤光栅的热光系数;

　K

t

———测量温度的灵敏度,n m/℃。

假设应变和温度分别引起B ragg波长的变化是相互的,则两者同时变化时B ragg波长的变化可以表示为:

Δλ

B =KεΔε+K

t

Δt(4)

由式(2)可知,基于此原理的光纤光栅应变传感器是以光的波长为最小计量单位的,而目前对光纤光栅波长移动的探测达到了pm量级的高分辨率,因而其具有测量灵敏度高的特点,而且只需要探测到光栅波长分布图中波峰的准确位置,对光强的波动不敏感,比一般光纤传感器具有更高的抗干扰能力。由于拉、压应力都能对其产生光纤光栅波长的变化,因此该传感器在结构检测中具有优异的变形匹配特性,其动态范围大(达1000με)且线性度好。另一方面,在应变测量中,为了避免温度对测量的影响,由式(3)可以看出,测量系统可采用同种温度环境下的光纤光栅温度补偿传感器进行克服。

1.2　光纤光栅准分布式传感系统

图2是光纤B ragg光栅分布传感系统的原理图,准分布的多个光纤B ragg光栅,通过不同光纤光栅的反射光波长(λ

1

,λ2,…,λn),与待测结构沿程各测量点(1,2,…,n)相对应,分别感受待测结构沿线分布各点的应力应变,使其反射光的波长发生改变〔7〕。改变的反射光经传输光纤从测量现场传出,通过光纤B ragg

光栅解调器探测其波长改变量

图2　光纤B ragg光栅分布传感系统的原理

的大小,并将其转换成电信号,由二次仪表计算出待测结构的各个测点的应力应变的大小及在整个待测结构上的分布状态。

2　光纤光栅锚杆测力计结构设计

2.1　光纤光栅锚杆测力计结构

光纤光栅锚杆测力计由油缸、、压力表和光纤光栅传感器组成。锚杆穿过油缸中部圆孔施加端部载荷。光纤光栅锚杆测力计结构简单紧凑,压力表的量程为25MPa,光纤光栅传感器的量程也是25 MPa。油缸的外直径为98mm,高42mm,直径15mm,

2.2　测力计油缸尺寸及其计算

光纤光栅测力计的油缸的平面图如图3所示,油缸外壁内径为R,油缸中部圆孔外径为r,油缸活塞作用面积按式(5)计算

。

图3　光纤光栅测力计油缸

　　S=πR2-πr2(5)　　锚杆的端部载荷作用在油缸活塞上,通过油缸活塞作用到油上,由此可以计算出在锚杆端部载荷F作用下油压力p的大小:

p=

F

S

=

F

π(R2-r2)

(6) 2.3　光纤光栅传感器尺寸及其封装设计

光栅是用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅,光栅区长度为2c m,光纤纤芯9μm,包层外径为125μm,带涂敷层后的外径为250μm。光纤光栅传感器外形尺寸为98mm

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1

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技术经验　　　　　　　　　　　煤矿安全(2009-02)

×36mm ×36mm ,两端带标准FC /PC 跳线头。3　光纤光栅锚杆测力计在监测锚杆应力中的应用3.1　光纤光栅锚杆测力计的安装和保护

光纤光栅锚杆测力计在安装施工时,为了避免光纤光栅应变传感器在施工过程中被冲击,防止光纤光栅信号传输线在施工过程中被破坏,一定要注意保护光纤光栅信号传输线,将光纤光栅信号传输线安装在较隐蔽的地方,要保护好光纤跳线头的清洁。光纤光栅锚杆测力计的布设位置如图4所示

。

图4　光纤光栅锚杆测力计埋设位置示意图

3.2　锚杆支护质量光纤光栅监测系统

光纤光栅传感器的一个非常重要的优点就是光纤光栅阵列与波分复用(WDM )时分复用(T DM )和空分复用(S DM )技术相结合,构成光纤光栅准分布式监测系统。在煤矿井下巷道、开切眼及煤柱等地方各个锚杆监测点布置光纤光栅锚杆测力计,各个光纤光栅锚杆测力计通过光纤与地面的监控设备连接起来,组成了锚杆支护质量光纤光栅监测系统。利用该监测系统可以实现对井下各个监测点锚杆的受力情况进行监测,从而对井下巷道支护质量及煤柱稳定性等做出评估和预测。4　结　论

(1)光纤光栅锚杆测力计与普通压力计相比具

有更高的测量精度。

(2)光纤光栅锚杆测力计可用于对锚杆支护质量进行在线监测,不需要工程技术人员现场观测。

(3)光纤光栅锚杆测力计用于锚杆支护质量在线监测是本质安全的,满足煤矿井下监测安全防爆要求。参考文献:

〔1〕　吴志刚,鞠文君.新型锚索锚杆测力计的研制与应用

〔J 〕.煤炭科学技术,2007(11):36-38.

〔2〕　信思金,李斯丹,舒　丹,等.光纤B ragg 光栅传感器在

锚固工程中的应用〔J 〕.华中科技大学学报(自然科学版),2005(3):75-77.

〔3〕　姜德生,梁　磊,南秋明,等.新型光纤B ragg 光栅锚索

预应力监测系统〔J 〕.武汉理工大学学报,2003(25):

15-17.

〔4〕　柴　敬,兰曙光,李继平,等.光纤B ragg 光栅锚杆应力

应变监测系统〔J 〕.西安科技大学学报,2005(1):1-4.

〔5〕　Friebele P .Fibre B ragg grating strain sens ors :p resent

and future app licati ons in s mart structures 〔J 〕.Op tics and Phot onics Ne ws,1998(9):33-37.

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cati on of op tical fiber sens ors on the power da m of luzzone

〔J 〕.SP I E,1998,3407:386-391.

〔7〕　张伟刚,开桂云,董孝义,等.光纤光栅多点传感的理

论与实验研究〔J 〕.光学学报,2004(3):330-336.　　作者简介:李　毅(1957-),工程师,大专毕业,主要从

事煤矿开采技术以及井下安全监测技术的研究,拥有国家实用新型技术专利4项。

(收稿日期:2008-07-11;责任编辑:梁绍权)

・国外煤矿安全信息・

模拟矿井事故通风方式的一些特殊性模拟矿井事故通风方式必须考虑到采用的条件。因此可分为两个类别:用于处理事故计划的准备;用于在能实现时间情况下保证处理好事故。在20世纪70年代末期,全苏矿山救护研究院曾对这个项目进行过研究。研究曾得出,风流井外和井内漏风(排泄)缩小流动路线气动阻力和增大通风装置风道阻力。其结果说明,在计划通风时通风网路部件气动性能发生变化。对于模拟风流的计划风,可以利用整个矿井反风后的风流各部件空气动力阻力平均值的数据,同时必须考虑到能形成自然通风流的作用。摘自　《УГОЛЬУКРАИНЫ》　2008No .5

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25・煤矿安全

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