用于煤矿支护墙监测的光纤光栅压力传感器研究

煤矿巷道填充墙对顶板的支护是确保煤矿正常作业的重要措施之一,因而利用压力传感器对支护墙所承受压力的监测显得尤为重要。传统的矿压观测仪多为机械式、液压式或其它电测式,需要在测量现场配备电源,同时具有数据不能远距离传输等缺点。而基于光纤光栅的土压力传感器能够很好的解决这些问题,不仅具有本质安全的特性,还能实现多个光栅的组网监测。本文设计了一种基于光纤Bragg光栅的差动式压力传感器,用来实现煤矿支护墙所承受顶板压力的实时监测。 文章介绍了传感器的应用背景、相关理论,对传感器进行理论分析建立理论模型,同时用ANSYS软件对其模拟仿真,然后通过油压、压力试验机等对传感器进行标定,最后介绍了传感器在煤矿的应用情况。本文的主要内容如下。 1.介绍光纤光栅传感器矿压监测的目的和意义,光纤光栅土压力传感器的研究现状。阐述光纤光栅传感的基本原理,重点分析光纤Bragg光栅的应力应变、温度传感模型,最后对土压力传感器埋设中的“匹配问题”进行了分析。 2.研究常用土压力传感器的结构模式,对传统的差动式光纤Bragg光栅土压力传感器结构进行改进,设计了新的传感器结构。对传感器结构进行受力分析,建立理论模型,并分别讨论不同传感器模型的灵敏度,对比分析各自的优缺点。探讨传感器的制作、装配工艺,提出在传感器加工制备过程中需要注意的问题。 3.建立传感器的ANSYS模型,对传感器进行约束和加载模拟,查看其分析结果。将仿真结果与理论分析结果进行对比,分析存在差距的原因,从而进一步修正理论模型。 4.对传感器进行油压标定,传感器的线性拟合度为99.791%,重复性误差为2.8%。同时,对传感器进行高低温试验,确定其温度特性,验证了传感器在-20℃-40℃范围内温度对其影响可以忽略不计(相对误差不超过0.065%)。进行压力试验机、混凝土试块标定,对传感器进行介质匹配分析以及不同介质的适应性分析,为传感器的工程化应用提供参考。 5.研究传感器工程应用过程中的保护方案,确保传感器在测量介质中能够安全可靠的工作。通过对FBG压力传感器在西山煤电屯兰矿巷道矿压监测中的应用情况,来探讨传感器在实际应用过程中的安装、保护等问题。