一种新型的光纤矿压传感器

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1、中国·杭州中国职业安全健康协会2007年学术年会2007年11月论文集Hangzhou，ChinaNov．2007一种新型的光纤矿压传感器王昌1刘小会1吴培亮2聂仁东2翟盛锐1刘统玉1(1山东省科学院激光研究所，济南2500142山东淄博矿业集团领子煤矿)【摘要】由矿压引起的顶板冒落的事go--直是煤矿行业的面临的急需解决的难题。笔者开发的基于光纤光栅先进传感技术的测力锚杆，具有波分复用特点，而且测力锚杆可以埋入矿井下面的顶板里面，通过光缆将测量信号传输到井上的检测装置。因此，可以实现对井下顶板压力实现多点远程长期实时监测，并为预防矿压事故提供有

2、效技术支持。【关键词】光纤光栅；矿压；测力锚杆1前言‘矿压观测一直是煤矿开采中一项非常重要的工作。通过它能及时发现工作面支护工作中存在的问题并进行处理，同时也能得出工作面矿压活动的规律，为以后的控顶设计及支护质量管理提供经验依据【1-2]。传统的矿压观测仪器一般有刻度尺、坡度观测杆、压力表、液压支架压力下缩自记仪、顶板动态仪表、圆图压力记录仪等。但是这些仪器型号都比较陈旧，工作效率低下，且在井下也极易损坏，这时只能依靠原始的人工观测记录o¨J。近年来出现采用应变片的电子自动记录仪表，基于电阻式应变片的矿压计，存在零点漂移，受湿度等环境参数影响，需

3、要对其供电等局限性，而且不能实现对矿压得实时监测[5】。针对上述问题，开发了基于光纤光栅的应力一应变测力锚杆，该测力锚杆可以实现对矿压的实时在线准确监测。图1光纤光栅基本结构2：矿井光纤压力传感器原理●：：一光纤布喇格光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制，如图1所示。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂(通常是掺锗)，使芯层折射率／7,。比包层折射率n：大，形成波导光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为布喇格光栅【6J。布喇格光栅会对入射的宽带光

4、进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光(带宽通常约为0．2nm)。此中心波长称之为布喇格波长，所谓相位相匹配是指布喇格波长决定于折射率调制的空间周期^和调制的幅度大小，用数学公式表示如下：A=2hA(1)式中，A——光纤光栅的中心波长；乃——纤芯的有效折射率；．：!竺：!垦墅些竺竺矍皇竺童!!!：兰兰童兰童兰兰羹竺竺兰!!!蕊豳2光纤光栅传输昔田A——光栅周期。不考虑光纤光栅应变与温度的耦合作用，光纤光栅有应变与温度效应：了AA；{l一芋[％一吣¨+PL2)]卜+(a圳Ar(2)式中．A^——波长变化；A，与p．2——

5、光弹常数；r一泊松比；}一应变：a一热膨胀系数：卜——热光常数；卜温度。．z令丘=1一鲁[p12一"(pn+P12)]，Kr=(n+f)，得掣=缸+K，△r(3)式中，E——光纤光栅应变传感灵敏度系数；岛——光纤光栅温良传感灵敏度系数。对于纤芯是纯石英的光纤情况，K．=078x10“左右，t=667x10。，℃左右。h为光橱的布喇格波长，n曲光栅的有效折射率(折射事调制幅度大小的平均效应)．A为光栅条纹周期(折射率调制的空间周期)。光纤光栅应变传感器是一种由光纤光栅为敏感元件和弹性敏感元件组合起来的传感嚣。将光纤光栅作为敏感元件牯禹占、埋置和焊籀

6、在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件受到外作用力、力矩；压力、位移等各种参数作用时，弹性敏感元件将产生位移、应力和应变，则光纤光栅作为敏感元件将它们再转换成光波长的变化。它可应用不同弹性敏感元件形式完成多种参数的转换，构成检测各种参数的应变式传感器。针对煤矿这个特殊的应用场合，设计了光纤光栅锚杆测力传感器．该传感器以锚杆为弹性元件，将多个光纤光栅牯贴在锚杆上通过测量锚杆形变，获得其受力情况。从ff式(3)中可以看出温度和应变对波长响应为一阶线形的。因此，在进行应变谢量对可以对应变传感器进行温度补偿，E口在应变传瘟器附近或内部安装一个只受温度影响的

7、光纾光栅温度传感器，进行温度测量．在实际计算中从应变传感器总的波长变化量中减去温度变化引起的部分，剩余就是应变引起波长的变化。3传感器设计与测试3．1传惑器设计在锚杆两侧对称刻槽，然后再在槽中对称位置贴4根测量应变光栅，在接近瞄凰蜷处贴一根温度补偿光栅对4个应变光栅进行温度补偿。贴4根光栅的目的是防止在锚杆受力的过程中．由于锚杆不是程直．会产生弯曲，造成各个部分受力不均匀，产生应变也会不一致。采取4根光栅两两对称贴的方式．计算时求平均争I一上兰兰兰圭量兰!三!兰竺竺壅兰竺竺竺矍矍：!竺：值，这样可以最大限度减少误差。同时安装电阻直变片式锚杆测力计

8、进行比对实验。应壹光梧2lf应壹光椿4蟹3光纤光栅蒯力锚杆示意孵融4光圩光橱锚杆f溢度}}偿光栅3．2实验室标定在上面的工艺条件下，对制