一种组合型量程可调式光纤多点离层仪及测量方法

摘要

本发明公开了一种组合型量程可调式光纤多点离层仪及测量方法，属于矿井安全监测技术领域，其结构包括离层仪传感器、安装件和调节件，离层仪传感器包括基板，基板中心设置有钢丝绳穿孔，钢丝绳穿孔周围安装有悬臂梁，悬臂梁上设置有光纤光栅；基板上还安装有内芯，内芯上的通孔内活动设置有导杆，导杆穿过通孔后顶在悬臂梁的受力点，导杆另一端固定有钢丝绳；安装件一端安装在基板上，另一端设置有套筒，钢丝绳从套筒伸出；调节件包括弹簧，弹簧一端连接弹簧固定钩，另一端通过拉伸活塞连接至钢丝绳上，弹簧固定钩连接锚爪。本发明示例的技术方案，能够实现三点及三点以上的离层监测，为复杂顶板的安全状态监测提供了一种技术手段。

说明书

技术领域

本发明涉及矿井安全监测技术领域，尤其涉及一种光纤离层仪，具体的说是一种组合型量程可调式光纤多点离层仪及测量方法。

背景技术

煤矿顶板属于典型的层状结构，井下煤层开采时，工作面周围的岩体平衡遭到破坏，随着工作面不断推进，顶板失去支持后将产生程度不一的下沉，下沉量决定着顶板的安全程度；顶板老顶与直接顶的位移监测是判断顶板安全的必要技术手段。当遇到煤矿顶板较厚、顶板易碎或岩体较软等复杂顶板时，仅仅依靠两个监测点无法满足巷道安全监测的需求，需要多点离层传感器对顶板安全状况进行细致观测。

目前的顶板安全监测多采用电子式传感装置，由于工作面有电磁干扰，容易造成测量不准确；现有的光纤光栅离层传感器采用光信号作为测量与传输介质，抗电磁干扰、精度较高、本质安全，但光纤光栅离层传感器受限于复杂的精密导轨、齿轮等结构，仅能制作监测两个点的光纤离层传感器，尚无法做出三点以上的光纤多点式离层传感器。

发明内容

为了解决上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种组合型量程可调式光纤多点离层仪及测量方法，以实现三点及三点以上的离层监测，为复杂顶板的安全状态监测提供了一种技术手段。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一方面，本发明提供了一种组合型量程可调式光纤多点离层仪，包括：

离层仪传感器，所述离层仪传感器包括基板，所述基板上设置有至少三个悬臂梁固定位，所述悬臂梁固定位围绕所述基板的中心分布在同一个圆周上，所述基板的中心处设置有多个钢丝绳穿孔；所述悬臂梁固定位处固定安装有悬臂梁，所述悬臂梁的上侧设置有第一光纤光栅，悬臂梁的下侧设置有第二光纤光栅；所述基板上还固定安装有内芯，所述内芯上设置有多个通孔，所述通孔与悬臂梁的端面同心；所述通孔内活动设置有导杆，导杆一端穿过通孔后顶在所述悬臂梁的受力点，导杆另一端设置有一个或多个螺纹孔；所述螺纹孔内固定有钢丝绳，所述钢丝绳穿过悬臂梁和基板后延伸至基板的另一侧；

安装件，所述安装件一端安装在基板上，安装件另一端设置有套筒，所述套筒的外侧壁上设置有爪勾，所述钢丝绳穿过所述套筒并从套筒的末端伸出；

调节件，所述调节件包括弹簧，所述弹簧一端与弹簧固定钩相连接，弹簧另一端与拉伸活塞相连接；所述拉伸活塞的另一侧连接至所述钢丝绳上，所述弹簧固定钩的另一侧连接有锚爪。

进一步的，所述离层仪传感器的基板上设置有保护外壳，所述保护外壳包括圆筒和后筒，所述圆筒一端与基板相连接，圆筒的另一端设置有后盖，所述后筒安装在后盖上且与圆筒相连通，后筒的直径小于圆筒；所述保护外壳将悬臂梁、内芯和导杆罩住。

进一步的，所述弹簧和拉伸活塞均位于弹簧套管内，拉伸活塞能够沿弹簧套管移动，所述弹簧固定钩固定安装在弹簧套管的一端。

进一步的，所述钢丝绳穿孔处设置有密封防水结构。

进一步的，所述后盖上设置有密封圈安装槽和用于固定光缆的光缆防水接头。

进一步的，所述后筒与后盖的配合处通过螺纹进行连接，并在连接处设置有密封圈。

进一步的，所述离层仪传感器、安装件和调节件的构成部件均经过防水密封处理。

另一方面，本发明还提供了上述组合型量程可调式光纤多点离层仪的测量方法，包括：

将组合型量程可调式光纤多点离层仪安装在被测结构上；

被测结构形变后，拉动锚爪，使得拉伸活塞牵引弹簧伸长，弹簧的伸长量即为离层仪传感器需要测量的位移量；

弹簧伸长产生的弹力经过钢丝绳和导杆传递至悬臂梁上；

悬臂梁的挠曲应变通过第一光栅光纤和第二光栅光纤的波长变化表征出来；

根据悬臂梁的挠曲应变获取被测结构的变形量；

其中，所述位移量x与挠曲应变量、光纤光栅波长变化量的标定公式为：

上述公式中：

ε

λ

k为弹性系数，

E为悬臂梁的弹性模量，

h为悬臂梁的厚度，

l为悬臂梁的长度，

B为悬臂梁的宽度，

Δλ

Δλ

进一步的，所述将组合型量程可调式光纤多点离层仪安装在被测结构上，包括：

S1：在煤矿顶板上打出与组合型量程可调式光纤多点离层仪的安装件和调节件相适配的安装孔；

S2：将钢丝绳和调节件的弹簧套管穿入空心安装杆，使锚爪裸露在安装杆顶端，将安装杆插入安装孔，将锚爪顶入煤矿顶板的老顶位置；

S3：抽出安装杆，轻拉钢丝绳，确保锚爪卡在安装孔中；

S4：重复S2和S3，将N组调节件和钢丝绳的组合体置入安装孔，N为大于1的自然数；

S5：将前述步骤中的多条钢丝绳插入安装件的套筒内，并将安装件插入安装孔中固定；

S6：将钢丝绳依次穿过基板上的钢丝绳穿孔和导杆上的螺纹孔；

S7：将基板与安装件固定连接；

S8：按照安装顺序依次拉伸钢丝绳和调节件的弹簧，使得全部钢丝绳与相应的导杆固定连接；

S9：剪断钢丝绳的多余部分，安装离层仪传感器的保护外壳，完成组合型量程可调式光纤多点离层仪的安装。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明示例的组合型量程可调式光纤多点离层仪，不需要精密导轨、齿轮等复杂结构，结构简单、抗冲击，采用光纤光栅传感原理，监测与传输均为光信号，不需要供电、本质安全，消除了在易燃易爆环境中应用时的安全隐患，非常适用于煤矿井下复杂恶劣环境下的顶板安全监测。

2、本发明示例的组合型量程可调式光纤多点离层仪，无需测量电路，结构更加简单，安装方便，节约成本，可靠性高，不耗费电能从而可进行连续性测量。

3、本发明示例的组合型量程可调式光纤多点离层仪，在离层仪传感器参数不变的前提下，仅通过增减悬臂梁的数量，可实现测量点数不同，通过调节弹簧套管及弹簧的长度、线径、圈数可实现传感器量程的变化，具有三点以上的离层监测能力，适用于复杂顶板的内部离层情况监测，为顶板治理提供详实的数据。

4、本发明示例的组合型量程可调式光纤多点离层仪，当出现不同的应用需求时，离层仪传感器部分无需改变，只需改变外部的调节件部分，方便了离层仪传感器的批量生产，减轻了库存压力。

5、本发明示例的组合型量程可调式光纤多点离层仪，设置保护外壳、安装件、弹簧套管等，对于核心部件进行全面有效的保护，保证了使用的可靠性和使用寿命；离层仪传感器部分内部钢丝绳移动量小于1mm，通过在基板钢丝绳穿孔中设置密封防水结构，优于现有技术中其他光纤离层传感器的结构设计，防止顶板水对传感器的侵蚀。

6、本发明示例的组合型量程可调式光纤多点离层仪，离层仪传感器与安装件、调节件之间为组合式结构且传感部分密封性好，可重复利用；当需要重复利用时，只需将传感部分与安装部分分离，剪断钢丝绳即可，减少了用户的投资成本。

7、本发明示例的测量方法，利用光纤光栅波长变化与挠曲应变成线性且一一对应关系，悬臂梁参数与弹簧参数为确定值时，光纤光栅波长变化与弹簧伸长量成线性且一一对应关系，通过运算得出被测结构的变形量，数据具备科学根据，准确性高。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例组合型量程可调式光纤多点离层仪的整体结构示意图；

图2为本发明实施例组合型量程可调式光纤多点离层仪中基板的结构示意图；

图3为本发明实施例组合型量程可调式光纤多点离层仪中内芯的结构示意图；

图4为本发明实施例组合型量程可调式光纤多点离层仪中导杆的结构示意图；

图5为本发明实施例测量方法中组合型量程可调式光纤多点离层仪安装的示意图。

图中：1基板，2圆筒，3内芯，4导杆，5后筒，6后盖，7悬臂梁，8安装件，9钢丝绳，91第一钢丝绳，92第二钢丝绳，93第三钢丝绳，10弹簧套管，11拉伸活塞，12弹簧固定钩，13弹簧，14锚爪，141第一锚爪，142第二锚爪，143第三锚爪，15套筒，16离层仪传感器，17尾缆，18安装孔，19老顶，20直接顶。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种组合型量程可调式光纤多点离层仪，包括：

离层仪传感器，所述离层仪传感器包括基板1，基板1的结构如图2所示，所述基板1上设置有至少三个悬臂梁固定位，所述悬臂梁固定位围绕所述基板1的中心分布在同一个圆周上，所述基板1的中心处设置有多个钢丝绳穿孔；所述悬臂梁固定位处固定安装有悬臂梁7，所述悬臂梁7的上侧设置有第一光纤光栅，悬臂梁7的下侧设置有第二光纤光栅；所述基板1上还固定安装有内芯3，内芯3的结构如图3所示，所述内芯3上设置有多个通孔，所述通孔与悬臂梁7的端面同心；所述通孔内活动设置有导杆4，导杆4的结构如图4所示，导杆4一端穿过通孔后顶在所述悬臂梁7的受力点，导杆4另一端设置有一个或多个螺纹孔；具体的，本实施例的导杆4上设置两个螺纹孔，所述螺纹孔内固定有钢丝绳9，所述钢丝绳9穿过悬臂梁7和基板1后延伸至基板1的另一侧；

安装件8，所述安装件8一端安装在基板1上，安装件8另一端设置有套筒15，所述套筒15的外侧壁上设置有爪勾，所述钢丝绳9穿过所述套筒15并从套筒15的末端伸出；

调节件，所述调节件包括弹簧13，所述弹簧13一端与弹簧固定钩12相连接，弹簧13另一端与拉伸活塞11相连接；所述拉伸活塞11的另一侧连接至所述钢丝绳9上，所述弹簧固定钩12的另一侧连接有锚爪14。

爪勾和锚爪14均为弯曲的爪状结构。

为了对重要部件形成保护，所述离层仪传感器的基板1上设置有保护外壳，所述保护外壳包括圆筒2和后筒5，所述圆筒2一端与基板1相连接，圆筒2的另一端设置有后盖6，所述后筒5安装在后盖6上且与圆筒2相连通，后筒5的直径小于圆筒2；所述保护外壳将悬臂梁7、内芯3和导杆4罩住。

弹簧13和拉伸活塞11均位于弹簧套管10内，拉伸活塞11能够沿弹簧套管10移动，所述弹簧固定钩12固定安装在弹簧套管10的一端。

为防止顶板水对传感器的侵蚀，所述钢丝绳穿孔处设置有密封防水结构。具体的，密封防水结构可采用密封油脂或者橡胶圈。

后盖6上设置有密封圈安装槽和用于固定光缆的光缆防水接头。密封圈安装槽内安装密封圈，具体为O型圈等，实现传感部分的防水密封。

后筒5与后盖6的配合处通过螺纹进行连接，并在连接处设置有密封圈，密封圈采用O型圈。

离层仪传感器、安装件8和调节件的构成部件(弹簧13等)均经过防水密封处理。防水密封处理为所属领域技术人员熟练掌握的现有技术，具体密封处理过程在此不再赘述。

组合型量程可调式光纤多点离层仪的传感部分参数不变，仅根据测量点数不同，增减悬臂梁7数量；其安装调节部分，通过调节弹簧套管10及弹簧13的长度、线径、圈数可实现传感器量程的变化。

另一方面，本实施例还提供了上述组合型量程可调式光纤多点离层仪的测量方法，包括：

将组合型量程可调式光纤多点离层仪安装在被测结构上；

被测结构形变后，拉动锚爪，使得拉伸活塞牵引弹簧伸长，弹簧的伸长量即为离层仪传感器需要测量的位移量；

弹簧伸长产生的弹力经过钢丝绳和导杆传递至悬臂梁上；

悬臂梁的挠曲应变通过第一光栅光纤和第二光栅光纤的波长变化表征出来；

根据悬臂梁的挠曲应变获取被测结构的变形量；

其中，所述位移量x与挠曲应变量、光纤光栅波长变化量的标定公式为：

上述公式中：

ε

λ

k为弹性系数，

E为悬臂梁的弹性模量，

h为悬臂梁的厚度，

l为悬臂梁的长度，

B为悬臂梁的宽度，

Δλ

Δλ

如图5所示，所述将组合型量程可调式光纤多点离层仪安装在被测结构上，包括：

S1：在煤矿顶板上打出与组合型量程可调式光纤多点离层仪的安装件和调节件相适配的安装孔18。

S2：将钢丝绳和调节件的弹簧套管10穿入空心安装杆，使锚爪14裸露在安装杆顶端，将安装杆插入安装孔18，将锚爪14顶入煤矿顶板的老顶19位置。

具体的，老顶19和直接顶20均为煤矿用语，老顶19就是基本顶，位于直接顶20或伪顶之上，厚而坚硬不容易冒落的岩层。在回采完毕后，直接顶垮落一段时间后，将会垮落一整块的顶板岩石，就是基本顶，俗称“老顶”，第一次垮落时就形成了工作面初次来压，以后每隔一段距离垮落一次，就形成了周期来压。直接顶20位于伪顶或煤层(无伪顶时)之上，一般是由一层或几层泥岩、页岩、粉砂岩等比较容易垮落的岩层所组成，在回柱后即垮落。

S2中，锚爪14尺寸大于安装杆的内径，将第一锚爪141所处的弹簧管、第一钢丝绳91穿入空心安装杆，第一锚爪141裸露在安装杆顶端，将安装杆插入安装孔18中，用力将第一锚爪141顶入顶板上老顶19位置，该位置深度可根据安装杆插入长度确定。

S3：抽出安装杆，轻拉第一钢丝绳91，确保第一锚爪141卡在安装孔18中。

S4：重复S2和S3，将N组调节件和钢丝绳的组合体置入安装孔，N为大于1的自然数。具体的，依次将第二锚爪142-弹簧套管10-第二钢丝绳92组合体、第三锚爪143-弹簧套管10-第三钢丝绳93组合体......锚爪N-弹簧套管N-钢丝绳N组合体置入安装孔18预定位置。

S5：将前述步骤中的多条钢丝绳9插入安装件8的套筒15内，并将安装件8插入安装孔18中固定。

S6：旋开传感器的后筒5，将钢丝绳9依次穿过基板1上的钢丝绳穿孔和导杆4上的螺纹孔。

S7：将基板1与安装件8用螺丝紧固连接。

S8：按照安装顺序依次拉伸钢丝绳和调节件的弹簧，使得全部钢丝绳与相应的导杆固定连接。具体的，拉伸第一钢丝绳91-弹簧结构，使得第一钢丝绳91产生预应力，将第一钢丝绳91通过导杆4中两个螺纹孔与导杆4固定；然后依次拉伸第二钢丝绳92-弹簧结构、第三钢丝绳93-弹簧结构、钢丝绳N-弹簧结构，使得全部钢丝绳9都与相应导杆4固定，钢丝绳9通过螺丝固定在导杆4的螺纹孔内。

S9：剪断钢丝绳的多余部分，旋紧后筒5从而安装好离层仪传感器16的保护外壳，完成组合型量程可调式光纤多点离层仪的安装。

后盖6上设置有光缆防水接头，用于连接尾缆17。

为保证传感器测量数据的准确，传感器封装完毕后，可进行传感器标定，标定设备为电子位移标定平台，电子位移标定平台为现有技术中的产品，比如采用HLC系列精密直线位移传感器。

具体标定过程为：

通过固定离层仪传感器16与钢丝绳9，设置标定间隔为10mm(或其它间隔长度)，从正行程0mm开始依次标定至最大量程值，然后再进行负行程标定，依次从最大量程标定至0mm，反复3次。标定过程中对第一光纤光栅与第二光纤光栅波长以及标定平台实际位移进行记录，然后计算出各参数值。

本实施例中，悬臂梁7的挠曲应变通过第一光栅光纤和第二光栅光纤的波长变化表征出来，以及根据悬臂梁7的挠曲应变获取被测结构的变形量，其具体原理及运算方法如下：

等强度悬臂梁的应变ε

其中：E为悬臂梁的弹性模量；h为悬臂梁的厚度；l为悬臂梁的长度；B为悬臂梁的宽度；

载荷F由弹簧拉伸产生，根据胡克定律：

F＝-kx (2)

其中：k为弹簧的弹性系数；x为弹簧的形变量；

由式(1)和式(2)可知：

根据已有技术和资料已知温度和应变共同产生的波长变化Δλ

形变产生后，两根光栅的应变为：

ε

ε

其中ε

由式(5)和式(6)得：

由式(4)知

光纤光栅(FBG)波长变化

同时，温度对同种环境下的光栅产生的应变相同，都为ε

由式(3)和式(8)得：

悬臂梁参数与弹簧参数为确定值时，光纤光栅(FBG)波长变化

当需要改变传感器量程时，改变弹簧参数k即可。

当悬臂梁的截面为圆形时，悬臂梁的厚度、宽度即为其直径。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本发明的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。