溫補(bǔ)型光纖Bragg光柵壓力傳感器在錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

梁敏富，方新秋，柏樺林，邢曉鵬，吳 剛

(中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

溫補(bǔ)型光纖Bragg光柵壓力傳感器在錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

梁敏富，方新秋，柏樺林，邢曉鵬，吳 剛

(中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116)

為了改善現(xiàn)有光纖光柵壓力傳感器應(yīng)變-溫度交叉敏感的問題，基于光纖光柵傳感原理及彈性膜片結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型的溫度補(bǔ)償壓力傳感器。建立了膜片結(jié)構(gòu)變形力學(xué)模型，推導(dǎo)出了光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移與壓力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立了傳感器靈敏度與膜片材料和結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)之間的數(shù)學(xué)方程，Matlab數(shù)值分析了膜片參數(shù)對(duì)靈敏度的影響，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)膜片變形特征進(jìn)行了仿真分析。傳感器理論壓力靈敏度為40.43 pm/MPa，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的靈敏度為35.6 pm/MPa，經(jīng)溫度補(bǔ)償后的實(shí)際靈敏度為37.62 pm/MPa，實(shí)現(xiàn)了壓力測(cè)量中的溫度補(bǔ)償。測(cè)試結(jié)果表明該傳感器具有良好的線性度、較低的啁啾性及較高的穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果證實(shí)了光纖光柵傳感技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的可行性，適合進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

光纖光柵;溫度補(bǔ)償;壓力傳感器;性能測(cè)試;錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)

K.O.HILL等[1]首次發(fā)現(xiàn)了摻鍺光纖的光敏性并制成了第1根光纖光柵，為光柵的制作、解調(diào)和傳感技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。光纖光柵傳感技術(shù)作為電測(cè)技術(shù)之后的新型傳感技術(shù)[2]，具有本質(zhì)安全、耐腐蝕、抗電磁干擾、易于準(zhǔn)分布式傳感等優(yōu)點(diǎn)[3]，可實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變、壓力等多種物理量的測(cè)量，是極具前景的新型傳感技術(shù)[4]。然而由于裸光纖光柵纖細(xì)、較脆，且易損壞，其壓力靈敏度僅為3 pm/MPa[5]，遠(yuǎn)不能滿足工程實(shí)際測(cè)量精度的要求。

在壓力測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用中常采用聚合物、金屬涂覆等[6-7]封裝FBG技術(shù)，或結(jié)合薄壁應(yīng)變筒、波登管、彈性薄片等[8-10]彈性元件增敏方式，這些方法改善了光纖光柵壓力響應(yīng)特性，顯著提高了壓力靈敏度。對(duì)于光纖光柵應(yīng)變-溫度的交叉敏感性，潘洪亮等[11]提出了分程式壓力/溫度封裝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了壓力、溫度雙靈敏度監(jiān)測(cè)，但降低了壓力測(cè)量精度，無法做到精確的溫度補(bǔ)償。蔡安等[12]研制了膜片式光纖光柵壓力傳感器，但壓敏光柵和溫補(bǔ)光柵所處的狀態(tài)完全不同，無法做到溫度實(shí)時(shí)補(bǔ)償。何少靈[13]利用測(cè)壓光柵和溫補(bǔ)光柵，實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償?shù)膲毫y(cè)量，但溫補(bǔ)光柵的粘貼位置明顯會(huì)受到膜片壓力的影響，無法做到溫度準(zhǔn)確補(bǔ)償。

礦壓監(jiān)測(cè)是煤礦安全高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是揭示采動(dòng)圍巖運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力場(chǎng)變化規(guī)律的核心[14-15]，而錨桿的工作狀態(tài)和支護(hù)質(zhì)量決定了巷道安全性和圍巖穩(wěn)定性[16]。為了研究錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)的技術(shù)及方法，王熙熙[17]研究了光纖光柵錨桿在邊坡錨固中的應(yīng)用，得到了巖土體中錨桿受力分布特點(diǎn);姜德生等[18]建立了光纖Bragg光柵錨索預(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了大橋錨索的預(yù)應(yīng)力檢測(cè);柴敬等[19-20]提出了光纖光柵錨桿應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)，進(jìn)行了光纖光柵與應(yīng)變片的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了錨桿應(yīng)變分布測(cè)量。

可以看出，上述研究多集中在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試或土工領(lǐng)域應(yīng)用，未能將研究成果推廣應(yīng)用到煤礦現(xiàn)場(chǎng)，但這些成果為本研究提供了研究基礎(chǔ)。本文提出并設(shè)計(jì)了一種溫度補(bǔ)償壓力傳感器，建立了傳感器增敏結(jié)構(gòu)形變及光纖光柵壓力靈敏度方程，數(shù)值分析了膜片材料及結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)靈敏度的影響，仿真分析了膜片的變形特征，進(jìn)行了傳感器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明采用溫度補(bǔ)償技術(shù)可提高壓力測(cè)量精度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證實(shí)了光纖光柵傳感技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)中的可行性。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與理論分析

1.1 傳感器的基本結(jié)構(gòu)

光纖Bragg光柵壓力傳感器的平面膜片與殼體間通過兩道O型密封圈和擋圈進(jìn)行密封，固定支架通過焊接的方式連接平面膜片，并與殼體固定連接。壓力敏感光柵通過環(huán)氧樹脂膠粘貼在固定支架中心的凹槽上，溫度補(bǔ)償光柵粘貼在殼體內(nèi)，兩者通過耦合器連接，光纖保護(hù)套和尾纖保護(hù)套用于封裝保護(hù)傳感器的光纖尾纖，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓力傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of the proposed pressure sensor

傳感器的測(cè)力原理為:平面膜片2在壓力作用下產(chǎn)生撓度變形，變形通過固定支架12傳遞到壓力敏感光柵11上并產(chǎn)生軸向應(yīng)變，進(jìn)而引起中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移，通過光纖光柵分析儀檢測(cè)出壓力敏感光柵11和溫度補(bǔ)償光柵3的波長(zhǎng)變化，在溫度補(bǔ)償之后，可得壓力單獨(dú)引起的光柵波長(zhǎng)漂移，然后根據(jù)壓力-波長(zhǎng)漂移數(shù)學(xué)模型計(jì)算壓力值。

1.2 光纖光柵傳感及補(bǔ)償原理

光纖光柵在紫外光照下使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，從而形成布拉格波長(zhǎng)中心反射峰。在光纖光柵傳感體系中，應(yīng)變和溫度等外界環(huán)境因素的干擾，都會(huì)導(dǎo)致光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移[21]。本文的壓力敏感光柵受溫度和壓力的影響，溫度補(bǔ)償光柵受溫度影響，波長(zhǎng)漂移[22]可表示為

式中,λP,ΔλP,KT1分別為壓力敏感光柵的中心波長(zhǎng)、波長(zhǎng)漂移和溫度靈敏度;λT,ΔλT,KT2分別為溫度補(bǔ)償光柵的中心波長(zhǎng)、波長(zhǎng)漂移和溫度靈敏度;Pe為彈光系數(shù)(Pe=0.22)。在同一溫度場(chǎng)工作時(shí)(ΔTP=ΔTT)，聯(lián)立式(1)和(2)，可得

通過上式可有效解決應(yīng)變-溫度的交叉敏感性。

1.3 平面膜片壓力-波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換理論分析

如圖2所示，假設(shè)平面膜片滿足薄板條件和小撓度條件，根據(jù)小撓度薄板彎曲理論，在均勻軸向載荷作用下平面膜片撓度方程[23]為

式中,ω為撓度;h為厚度;R為半徑;μ為泊松比;E為彈性模量;r為膜片上任意點(diǎn)距圓心距離。

圖2 平面膜片計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.2 Calculation diagram of the flat diaphragm

膜片的最大撓度在膜片中心(r=0)處，即

受膜片撓度作用，壓力敏感光柵的軸向應(yīng)變?yōu)?/p>

式中,L為光纖光柵有效作用長(zhǎng)度。

聯(lián)立式(3),(5)和(6)得測(cè)力數(shù)學(xué)模型為

2 數(shù)值分析及有限元仿真

2.1 材料參數(shù)對(duì)靈敏度的影響

根據(jù)式(7)可知，壓力與膜片的彈性模量、泊松比、半徑及厚度有關(guān)，因此調(diào)整上述參量可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)靈敏度的調(diào)節(jié)。

利用Matlab軟件對(duì)傳感器靈敏度的理論模型進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)尺寸與靈敏度系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves of sensitivity coefficient with material parameters and structure dimension

據(jù)圖3可知，① 隨著泊松比的增加，靈敏度呈線性減小的趨勢(shì)，且隨著彈性模量的增加，泊松比對(duì)靈敏度的影響程度減小。② 隨著彈性模量的增加，靈敏度呈反比例函數(shù)減小趨勢(shì)。③ 隨著結(jié)構(gòu)尺寸R/h的增加，靈敏度也跟著增大，且變化幅度較大。④ 相較于泊松比和彈性模量，膜片半徑及厚度是影響靈敏度的主要因素，即若要取得較高的膜片靈敏度，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾幽て霃?，同時(shí)減小膜片厚度。

2.2 膜片模型有限元仿真

利用ABAQUS有限元軟件仿真膜片在受到均勻壓力后產(chǎn)生的形變狀態(tài)，膜片材料的參數(shù)如下:彈性模量E=195 GPa，泊松比μ=0.272，厚度h=1 mm，半徑R=6 mm，均勻壓力P=1 MPa，膜片模型及位移云圖如圖4所示。

圖4 膜片模型及位移云圖Fig.4 Model and displacement cloud of the diaphragm

據(jù)圖4可知，膜片中心處的位移最大且沿半徑方向減小。在1 MPa條件下，膜片中心位移達(dá)到1.282 μm，中心位移引起的光纖光柵變化量也為1.282 μm，光纖光柵有效作用長(zhǎng)度為33 mm，所以經(jīng)仿真分析壓力敏感光柵中心波長(zhǎng)漂移量為46.28 pm，即壓力靈敏度為46.28 pm/MPa。

3 傳感器性能測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 傳感器測(cè)試系統(tǒng)及裝置

本文的傳感器尾纖接頭為通用的FC/APC跳線頭，封裝后兩光柵的波長(zhǎng)分別為λP=1 529.298 nm，λT=1 531.383 nm，計(jì)算得到理論壓力靈敏度為40.43 pm/MPa。傳感器的壓力測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。使用手柄對(duì)壓力泵進(jìn)行加壓，利用截止閥和手輪控制壓力的大小，數(shù)顯壓力表實(shí)時(shí)顯示壓力值，光纖光柵分析儀對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行解調(diào)，并在計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)中實(shí)時(shí)顯示動(dòng)態(tài)光譜圖。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)示意Fig.5 Diagram of measurement system

傳感器的溫度測(cè)試系統(tǒng)主要由光纖光柵分析儀、制冷恒溫槽、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)組成，光纖光柵的波長(zhǎng)解調(diào)與數(shù)據(jù)處理和壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)相同。

實(shí)驗(yàn)中用到的壓力加載裝置為SSR-YBS-60TB型臺(tái)式壓力校驗(yàn)儀，最大量程為60 MPa，準(zhǔn)確度為0.03 MPa。溫度測(cè)量裝置為RTS-40制冷恒溫槽，溫度量程為-40～95 ℃，溫度分辨率為0.01 ℃，精度為0.05 ℃。光纖光柵分析儀的波長(zhǎng)掃描范圍為1 510～1 590 nm，波長(zhǎng)分辨率為1 pm，采樣頻率為1 Hz。

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.2.1壓力實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用分級(jí)加載形式，首先壓力以2 MPa間隔從0加載至20 MPa，然后再逐級(jí)平穩(wěn)地卸載，待光纖光柵分析儀讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄加、卸載時(shí)兩個(gè)光纖光柵中心波長(zhǎng)值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值所得中心波長(zhǎng)與壓力的關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 光纖光柵中心波長(zhǎng)與壓力的關(guān)系曲線Fig.6 Relations curve of the FBG central wavelength and pressure

據(jù)圖6可知，溫度補(bǔ)償光柵的中心波長(zhǎng)對(duì)壓力基本不敏感，其波長(zhǎng)變化可能與室溫的浮動(dòng)有關(guān)。壓力敏感光柵中心波長(zhǎng)隨著壓力的增大而線性減小，其擬合方程為y=-0.035 6x+1 529.298，線性度為0.999 5，靈敏度為35.6 pm/MPa，比理論值和仿真值略小。主要是:① 傳感器有些部件的加工尺寸或加工質(zhì)量不符;② 壓力敏感光柵粘貼時(shí)與膜片中心存在共軸偏差;③ 環(huán)氧樹脂膠具有一定的黏彈性，使應(yīng)變傳遞效率沒有達(dá)到100%;④ 固定支架與膜片存在反作用力，阻礙了膜片的變形。

3.2.2溫度實(shí)驗(yàn)

傳感器在測(cè)試時(shí)不施加任何載荷，以5 ℃的間隔從0 ℃升至50 ℃，不同溫度下壓力敏感光柵和溫度補(bǔ)償光柵中心波長(zhǎng)值與溫度關(guān)系曲線，如圖7所示?？紤]到溫度效應(yīng)的影響時(shí)，波長(zhǎng)差與壓力的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖7 光纖光柵中心波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系曲線Fig.7 Relations curve of the FBG central wavelength and temperature

圖8 波長(zhǎng)差與壓力的關(guān)系曲線Fig.8 Relations curve of wavelength difference and pressure

從圖7可知，壓力敏感光柵和溫度補(bǔ)償光柵的中心波長(zhǎng)隨溫度的增加而線性增加，溫度補(bǔ)償光柵和壓力敏感光柵的溫度靈敏度分別為13.52 pm/℃和10.62 pm/℃，線性擬合度均達(dá)到0.999 3以上，說明溫度補(bǔ)償光柵的溫度特性高于壓力敏感光柵。據(jù)圖8可知，經(jīng)過溫度補(bǔ)償過后的波長(zhǎng)差與壓力的線性擬合度為0.999 2，靈敏度系數(shù)為2.46×10-5MPa-1，可計(jì)算出實(shí)際的壓力靈敏度為37.62 pm/MPa，實(shí)現(xiàn)了壓力測(cè)量過程中的溫度補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度。

3.2.3穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

如圖9所示，在同一溫度環(huán)境下，對(duì)傳感器分別施加0,11,22 MPa的載荷，傳感器壓力敏感光柵反射光譜3 dB帶寬分別為0.438,0.437,0.439 nm，說明傳感器在外界載荷作用下其光柵反射光譜不存在明顯地帶寬展寬或啁啾現(xiàn)象。

圖9 傳感器反射光譜對(duì)比Fig.9 Comparison of the sensor’s reflection spectra

在室溫條件下，對(duì)傳感器進(jìn)行10次、載荷20 MPa的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后記錄壓力敏感光柵的中心波長(zhǎng)值。由表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可求得波長(zhǎng)的均方差為3.2×10-3，表明在外界載荷穩(wěn)定不變時(shí)，傳感器在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)其光柵中心波長(zhǎng)的變化幅度較小，穩(wěn)定性能較好。

表1穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
Table1Dataofstabilityexperiment

實(shí)驗(yàn)次數(shù)波長(zhǎng)/nm實(shí)驗(yàn)次數(shù)波長(zhǎng)/nm11528.59761528.60221528.59571528.59331528.60181528.59941528.59891528.59551528.594101528.592

4 現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

4.1 工程概況

華晉焦煤有限公司沙曲礦的瓦斯絕對(duì)涌出量為422.28 m3/min，相對(duì)涌出量為81.84 m3/t，為高瓦斯礦井，傳統(tǒng)的傳感器在井下布置具有一定的電磁危險(xiǎn)性，且人工觀測(cè)數(shù)據(jù)誤差大，為了推廣新技術(shù)，提高監(jiān)測(cè)的時(shí)效性，在14301軌道巷布置了錨桿支護(hù)質(zhì)量光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

14301工作面為南三采區(qū)首采工作面，傾角平均4°，平均埋深400 m，開切眼寬220 m，可采長(zhǎng)度1 145 m，南面為未開掘的14302工作面，北面和東面為村莊保護(hù)煤柱，西面至南三采區(qū)大巷。在系統(tǒng)安裝時(shí)，工作面已采至第二開切眼，綜合考慮工作面的開采狀況、生產(chǎn)計(jì)劃及以太網(wǎng)布置地點(diǎn)，在軌道巷內(nèi)布設(shè)2個(gè)測(cè)站(1和2測(cè)站分別距巷口350 m和600 m)，光纖光柵解調(diào)主機(jī)放置在南三采區(qū)變電所，工作面及測(cè)站布置如圖10所示。

圖10 14301工作面監(jiān)測(cè)測(cè)站布置Fig.10 Arrangement of 14301 working face measuring station

4.2 錨桿支護(hù)質(zhì)量光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)

每個(gè)測(cè)站的巷道斷面對(duì)稱布設(shè)4個(gè)光纖光柵錨桿測(cè)力計(jì)(按測(cè)站及順時(shí)針編號(hào)為1-i,2-i，i=1,2,3,4，編號(hào)為1的位于巷道采煤側(cè)，編號(hào)為4的位于巷道非采煤側(cè))，兩幫安裝高度距底板為1.5 m，頂板安裝距離兩幫為1.4 m。工作時(shí)利用光纖光柵解調(diào)主機(jī)探測(cè)光纖光柵壓力傳感器波長(zhǎng)變化，根據(jù)換算關(guān)系計(jì)算出錨桿載荷，通過以太網(wǎng)交換機(jī)傳輸至服務(wù)器及客戶端，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處錨桿載荷的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)布置如圖11所示。

圖11 煤礦錨桿支護(hù)質(zhì)量光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.11 FBG monitoring system of bolting quality in coalmine

在安裝施工時(shí)，為了防止光纖光柵錨桿測(cè)力計(jì)的尾纖遭到破壞，將尾纖布置在隱蔽處并用扎帶固定，尾纖與光纜之間通過光纖耦合器連接，用防水膠帶對(duì)連接處密封保護(hù)，將密封后的光纖連接頭放在光纖接線盒內(nèi)，傳感器的現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖12所示。

圖12 傳感器的安裝方式Fig.12 Installation method of the sensor

4.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)安裝完成時(shí)，工作面距巷口780 m，測(cè)站位置距工作面分別為430 m和180 m。從2015-01-26開始監(jiān)測(cè)，截止2015-05-15，連續(xù)監(jiān)測(cè)110 d，期間工作面一共推進(jìn)了198 m，得到軌道巷兩個(gè)測(cè)站的錨桿測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)曲線，如圖13所示。

圖13 測(cè)站錨桿載荷變化曲線Fig.13 Variation curves of bolting load of measuring station

圖13(a)中測(cè)站1錨桿的初始預(yù)緊力不同，但錨桿載荷變化總體趨勢(shì)基本相同。在初次安裝時(shí)錨桿施加的預(yù)緊力約為4.3 MPa，之后錨桿測(cè)力計(jì)因油缸內(nèi)部排出空氣而出現(xiàn)卸壓的現(xiàn)象，經(jīng)過5 d的穩(wěn)定之后，對(duì)錨桿施加二次預(yù)緊力達(dá)5.2 MPa。在工作面推進(jìn)了198 m之后，測(cè)站1距工作面232 m，錨桿載荷基本穩(wěn)定在二次預(yù)緊力的大小，但巷道采煤側(cè)的錨桿載荷比非采煤側(cè)的錨桿載荷變化相對(duì)較大。

圖13(b)中測(cè)站2的錨桿載荷呈先穩(wěn)定后增大最后減小的趨勢(shì)。① 距工作面90～180 m范圍內(nèi)，錨桿載荷基本穩(wěn)定在初始安裝的5.4～6.5 MPa;② 距工作面40～90 m范圍內(nèi)，錨桿載荷開始升高至6.4～7.6 MPa，但載荷變化幅度不大，表明錨桿受采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)作用進(jìn)入初始影響范圍;③ 距工作面12～40 m范圍內(nèi)，錨桿載荷變化幅度明顯，峰值達(dá)10.6 MPa左右，表明錨桿進(jìn)入工作面開采擾動(dòng)顯著影響范圍;④ 距工作面0～12 m范圍內(nèi)，測(cè)站從應(yīng)力集中區(qū)向松弛破碎區(qū)過渡，錨桿載荷下降幅度明顯，下降至7.5 MPa左右;⑤ 在工作面通過測(cè)站之后，14301軌道巷進(jìn)行沿空留巷，巷道周邊應(yīng)力重新分布形成二次應(yīng)力場(chǎng)，錨桿載荷呈增大至穩(wěn)定趨勢(shì)，但測(cè)站內(nèi)的2-1與2-2錨桿測(cè)力計(jì)因損壞而未監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù);⑥ 位于巷道頂板2-2和2-3的錨桿載荷變化幅度比兩幫錨桿載荷較大，原因是巷道頂板承載結(jié)構(gòu)受采動(dòng)影響較嚴(yán)重。

5 結(jié) 論

(1)基于光纖光柵傳感元件及彈性平面膜片結(jié)構(gòu)，提出并研制了溫補(bǔ)型光纖光柵壓力傳感器，建立了傳感器壓力與光纖光柵中心波長(zhǎng)的數(shù)學(xué)方程，得到傳感器的理論壓力靈敏度為40.43 pm/MPa。

(2)傳感器性能測(cè)試結(jié)果表明:傳感器具有良好的線性度，實(shí)驗(yàn)壓力靈敏度為35.6 pm/MPa，溫度補(bǔ)償后的壓力靈敏度為37.62 pm/MPa，實(shí)現(xiàn)了壓力測(cè)量過程中的溫度補(bǔ)償，提高了測(cè)量精度，同時(shí)具有較低的啁啾性及較高的穩(wěn)定性。

(3)通過波分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)構(gòu)建了沙曲礦14301軌道巷錨桿支護(hù)質(zhì)量光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)踐表明:距工作面較遠(yuǎn)的錨桿基本不受采動(dòng)影響，穩(wěn)定在安裝預(yù)緊力的大小;距工作面較近的錨桿載荷呈先穩(wěn)定后增大最后減小的變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了巷道錨桿支護(hù)質(zhì)量的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，證實(shí)了光纖光柵傳感技術(shù)在煤礦安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的可行性。

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ApplicationoftemperaturecompensationfiberBragggratingpressuresensorforboltingqualitymonitoring

LIANG Minfu,FANG Xinqiu,BAI Hualin,XING Xiaopeng,WU Gang

(KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining,MinistryofEducationofChina,ChinaUniversityofMining&Technology,Xuzhou221116,China)

For the purpose of improving the existing Fiber Bragg grating pressure sensors’ cross-sensitivity of strain and temperature,a novel type of FBG pressure sensors with temperature compensation was developed based on the fundamental principles of FBG and elastic diaphragm structure.The mechanical deformation model of diaphragm structure was established and the mathematical relationship between the FBG center wave length drift and pressure as well.Also,the influence of diaphragm’s material and dimensions on the sensitivity was numerically analyzed using Matlab,and additionally the numerical simulation of the deformation characteristics of the diaphragm was conducted with finite element software ABAQUS.The theoretical value of the sensors’ pressure sensitive value is 40.43 pm/MPa,35.6 pm/MPa by calibration test and 37.62 pm/MPa with temperature compensation.The performance test indicated that this sensor had a good linearity,low frequency chirp and high stability.The application results show the feasibility of fiber Bragg grating sensing technology in coal mine monitoring and suitable for the further popularization and application.

FBG;temperature compensation;pressure sensor;performance test;bolting quality monitoring

梁敏富，方新秋，柏樺林，等.溫補(bǔ)型光纖Bragg光柵壓力傳感器在錨桿支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(11):2826-2833.

10.13225/j.cnki.jccs.2017.0364

LIANG Minfu,FANG Xinqiu,BAI Hualin,et al.Application of temperature compensation fiber Bragg grating pressure sensor for bolting quality monitoring[J].Journal of China Coal Society,2017,42(11):2826-2833.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2017.0364

TD353.6

A

0253-9993(2017)11-2826-08

2017-03-21

2017-08-24責(zé)任編輯常 琛

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014ZDPY22);江蘇省高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)(SZBF2011-6-B35);江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(2014-ZBZZ-008)

梁敏富(1988—)，男，安徽淮北人，博士研究生。E-mail:lmf2012@163.com。

方新秋(1974—)，男，浙江永康人，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:0516-83590577,E-mail:xinqiufang@163.com