基于FBG智能格栅的巷道围岩收敛形态感知原理研究

摘要

针对煤矿巷道的围岩收敛感知问题，本文综合采用理论分析、数值模拟和实验室试验方法，研究提出了一种基于FBG智能格栅的形态重构系统，探讨了该系统的感知原理，并测试了应用价值。主要研究工作如下： （1）研究提出了对传感器FBG进行金属化封装的技术工艺，在去涂覆层、粗化、敏化、活化等预处理的基础上，实现了光纤纤芯表面的化学镀铜和电镀锌，金属化工艺成形性和结合性良好，具有较高的可行性。基于高精度的FBG金属化封装，基于预弯构件的曲率传感原理，建立了理论模型，推导得出标距内曲率k与金属化FBG中心波长变化量?λ的数学关系模型，两者呈线性关系，其系数由格栅基体的本证力学参数决定。 （2）开发构建了FBG智能格栅系统。研究确定了8号铁丝作为基体材料、正方栅格焊接和金属化FBG金属胶接的构建方式，并通过实验室试验验证了该系统曲率传感的有效性和精确性。试验表明二维格栅组件在不同曲率状态下的FBG波长漂移量与理论解基本保持一致，即曲率与FBG波长漂移量呈线性关系，拟合度精度较高。 （3）开发了基于离散曲率信息的FBG智能格栅变形重构模型。以格栅起始点为支点，在FBG感知阵列的等标距划分基础上，以阵列区间离散曲率信息递推出下一标距点的空间坐标，从而实现整个格栅的形态重构。采用数值仿真方法，对基于二维和三维格栅的重构法模型可行性和精度进行了探究，结果表明重构后曲线形状与仿真所得变形吻合较好，具有较高的实用价值。 （4）实验室测试了本文FBG智能格栅在巷道围岩收敛测量领域的适用性，模拟巷道断面形态和轴向收敛状态，分别实施了基于二维和三维形态重构的FBG智能格栅的形态重构试验。结果表明，二维FBG智能格栅系统的实测位移曲线均与重构位移曲线实现了较好吻合；三维状态下FBG格栅通过重构方法所得的形态云图与实测值吻合程度非常高，最大坐标轴向误差仅为10.2mm。证明了二维和三维FBG智能格栅系统具有较高的精度，可满足巷道断面形状和轴向收敛形态感知和监测需求。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2.1 光纤光栅技术研究现状

1.2.2 格栅技术研究现状

1.2.3 煤矿巷道收敛变形监测技术研究现状

1.3 论文研究内容和技术路线

1.3.1 论文主要研究内容

1.3.2 论文主要技术路线

2 光纤光栅金属化原理及封装特性

2.1 光纤光栅金属化预处理

2.1.1 去涂覆层与清洁工艺

2.1.2 粗化与后处理

2.1.3 敏化与活化

2.2 光纤光栅金属化化学镀铜工艺

（1）工艺及原理

（2）试验及结果

2.3 光纤光栅金属化电镀锌工艺

（1）工艺和原理

（2）试验与结果

2.4 小结

3 光纤光栅智能格栅的传感原理及试验研究

3.1.1 光纤光栅的基本原理

3.1.2 光纤光栅轴向均匀应变下的传感原理

3.1.3 光纤光栅温度传感原理

3.2 FBG的曲率传感原理

3.3 矿用FBG智能格栅系统的构建

3.3.1 曲率传感元器件选取

3.3.2 基体材料选取

3.3.3 基体形状选择和确定

3.3.4 矿用FBG智能格栅尺寸选择

3.4 矿用FBG智能格栅系统的曲率-应变关系测试试验

3.4.1 基于二维格栅的曲率-应变关系试验方案

3.4.2 基于二维格栅的曲率-应变关系试验结果分析

3.5 小结

4 基于FBG智能格栅的巷道围岩形态传感方法

4.1 基于离散曲率信息的 FBG 智能格栅变形重构原理

4.1.1 常用重构方法

4.1.2 递推法重构原理

4.1.3 递推法重构的误差修正方法

4.2 FBG 智能格栅巷道空间形态传感的仿真验证

4.2.1 模拟仿真软件选择

4.2.2 FBG智能格栅的二维变形重构

4.2.3 FBG智能格栅的三维变形重构

4.3小结

5 煤矿巷道围岩形态收敛的感知性能试验

5.1 基于二维变形重构的FBG智能格栅感知性能试验

5.1.1 二维格栅的曲率标定

5.1.2 定量变形重构研究

5.1.3 试验结果分析

5.2 基于三维变形重构的FBG智能格栅感知性能试验

5.2.1 三维格栅的曲率标定

5.2.2 特定变形重构研究

5.3 工程应用可行性分析

5.4小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

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