用于煤矿支护墙监测的光纤光栅压力传感器研究

摘要

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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．1．1 矿压监测的目的

1．1．2 光纤光栅矿压监测的研究意义

1．2 光纤光栅土压力传感器国内外研究现状

1．3 本文的主要研究工作和内容

第2章 光纤光栅土压传感的理论基础

2．1 光纤Bragg光栅传感器机理

2．1．1 FBG的应力、应变传感模型

2．1．2 FBG的温度传感模型模型

2．2 土压力传感器的理论研究

2．3 本章小结

第3章 FBG土压力传感器的设计与分析

3．1 基于FBG的土压力传感器结构方案的讨论

3．2 传感器的结构和工作原理

3．2．1 传感器结构的改进

3．2．2 传感器的工作原理

3．3 传感器的理论分析

3．3．1 传感器关键部件理论模型的建立

3．3．2 传感器灵敏度的分析

3．4 传感器的装配

3．4．1 新型悬臂梁的制备及光栅的粘贴

3．4．2 承压板和悬臂梁的固定

3．5 本章小结

第4章 传感器的有限元仿真

4．1 有限元理论基础及ANSYS软件简介

4．2 不带承载板传感器的ANSYS仿真

4．2．1 不带承载板传感器的ANSYS模型建立

4．2．2 不带承载板传感器ANSYS模型的求解

4．2．3 结果及分析

4．3 带承载板传感器的ANSYS仿真

4．3．1 带承载板传感器的ANSYS建模及求解

4．3．2 仿真结果及分析

4．3．3 不同厚度膜片的传感模型仿真结果对比

4．4 本章小结

第5章 FBG土压力传感器的标定及煤矿应用

5．1 传感器的应用环境下的保护

5．2 传感器的油压标定试验

5．2．1 油压检定系统的构建

5．2．2 传感器的油压试验及性能分析

5．3 传感器的压力试验机试验

5．3．1 传感器混泥土试块的制备

5．3．2 传感器混泥土试块的压力试验

5．3．3 传感器的压力试验机检定

5．4 传感器的温度试验

5．5 FBG土压力传感器在矿压检测中的应用

5．5．1 矿压检测系统的搭建

5．5．2 传感器安装方案

5．5．3 矿压监测结果及分析

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

致谢