FBG传感技术在矿山地压监测中应用

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1、FBG传感技术在矿山地压监测中的应用余乐文（北京矿冶研究总院，北京100070）摘要：在光纤Bragg光栅传感原理理论分析的基础上，提出基于FBG的地压监测系统。在承德铜兴矿业有限责任公司建立地压监测系统，实时监测岩体的位移和压力变化。监测结果表明，FBG传感技术可有效监测岩体位移和压力变化，验证了该技术的可靠性和可行性，为矿山地压监测提供新方法。关键字：光纤bragg光栅，地压监测，位移，压力中图分类号：TN247,TP212文献标识码：AApplicationofFBGSensingTechnologyinMineGroundPressureMonitoring

2、YULe-wen(BeijingGeneralResearchInstituteofMiningandMetallurgy,Beijing100070,China)Abstract:Onthebasisofthetheoreticalanalysisoffiberbragggratingsensingtechnology,thegroundpressuremonitoringsystembasingonfiberbragggratingisproposed.ThesystemisestablishedinChengDeTongXingCo.Ltdformonitor

3、ingthechangesofthedisplacementandpressure.TheresultsshowthattheFBGsensingtechnologycanmonitorthechangesofthedisplacementandpressureeffectively,whichverifythereliabilityandfeasibilityoftheFBGsensingtechnologyandprovideanewmethodforgroundpressuremonitoring.Keywords:fiberbragggrating;grou

4、ndpressuremonitoring;displacement;pressure0引言光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术，该技术具有“传”、“感”合一的特点[1]，代表新一代传感技术的发展趋势，并以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。光纤传感技术具有可靠性好、抗电磁干扰能力强、动态响应快、灵敏度和测试精度高、体积小、质量轻、耐久性强及可实现远距离实时监测等优点，BOTDR、BOTDA等新技术可进行分布式测量，在航空航天、船舶、电力、桥梁、堤坝、边坡和隧道等工程结构及岩土工程的监测与诊断中获

5、得广泛研究与应用[2-6]。我国对光纤传感技术的研究相对国外晚一些，尤其在金属矿山中的安全监测手段以传统监测方法为主，还鲜见FBG在地压监测中的应用实例。文中采用FBG传感技术对承德铜兴矿业公司南六号空区下三中段41线附近巷道进行安全监测，监测巷道当前的位移、压力变化和长期使用的可靠性及安全程度，为矿山安全运营提供可靠监测数据，提升矿山安全监测的整体水平，并在矿山安全管理方面发挥重要的作用。1工作原理光纤Bragg光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射Bragg波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量，其传感原理如图1所示。而光纤Bragg

6、光栅的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*国家高技术研究发展计划（863计划）重点项目（编号：2008AA062101）；北京矿冶研究总院院科研基金项目（编号：YJ-2008-11）。余乐文：（1984-），男，助理工程师，机械设计及理论专业，主要从事矿山自动化仪器仪表研发。，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移[7-9]。Bragg波长由下式决定：(1)式中为Bragg波长；为纤芯有效折射率；Λ为光栅周期。由式(1)可知，Bragg波长是随和Λ而改变的。当光栅所处的外界环境发生变化时，可能导致光纤光栅本身的

7、温度发生变化。由于光纤材料的热光效应，光栅的折射率会发生变化；由于热胀冷缩效应，光栅的周期也会发生变化，从而引起的变化，最终导致光栅Bragg波长的漂移。漂移的幅度与温度的改变量呈线性关系：(2)式中　为温度变化引起的的漂移幅度；为光纤材料的热膨胀系数；为热光系数；ΔT为温度的变化量。图1光纤bragg光栅传感原理Fig.1Thesensingprincipleoffiberbragggrating2光纤地压监测系统构成基于光纤光栅的矿山地压监测系统应包括以下几个部分：1）光纤传感系统：主要包括光纤光栅解调仪、光纤传感器，是将光纤传感器中待测的物理量通过解调仪解