一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器转让专利
申请号 : CN202010641093.1
文献号 : CN111811408B
文献日 : 2022-01-28
发明人 : 刘柯
申请人 : 天津求实飞博科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器,其特征在于,包括硬件部分和数据处理部分,
所述硬件部分包括主机盒、设置在所述主机盒内的至少一个位移传感机构和一个温度补偿传感器,
所述位移传感机构包括从上至下依次连接的锚点、钢丝、传动筒和FBG光纤光栅应变传感器,
所述钢丝穿越所述传动筒和所述主机盒,所述传动筒挂在所述钢丝上,二者采用顶丝固接,在所述传动筒内挂有沿竖向延伸的拉簧,所述应变传感器包括水平设置的片状金属悬臂梁和设置在所述悬臂梁上的FBG光纤光栅Ⅰ,所述悬臂梁的固定端与所述主机盒固接,所述悬臂梁的悬臂端与所述拉簧的下端连接,
在所述悬臂梁的底部沿宽度方向居中设有纵向定位槽,所述FBG光纤光栅Ⅰ粘接在所述纵向定位槽中,粘接方法为:
1)将粘接面挫毛,
2)对所述FBG光纤光栅Ⅰ预加拉应力,直至FBG光纤光栅的中心波长值较其原始中心波长值大1‑2nm,
3)涂胶粘接,
4)在粘接胶固化完全后,对所述应变传感器的进行老化,直至所述FBG光纤光栅Ⅰ反射的中心波长值在同一温度下保持在允许误差范围内;
所述温度补偿传感器是采用FBG光纤光栅Ⅱ制作的,所述应变传感器和所述温度补偿传感器与外部光源连接,所述处理部分采用以下方程组进行计算:其中:
Δε—实时位移结果,单位mm,λε—应变传感器实时波长值,单位nm,λε0—应变传感器标定波长值,单位nm,λT—温度补偿传感器实时波长值,单位nm,λT0—温度补偿传感器标定波长值,单位nm,T—实时温度,单位℃,
T0—温度补偿传感器标定温度,单位℃,KT—温度补偿传感器温度系数,单位℃/nm,Kε—位移传感机构应变系数,单位mm/nm,a,b—位移传感机构应变系数随实时温度自动调节的参数,—位移传感机构的温度系数,单位nm/℃,其中,Kε、a,b和 的确定方法:将应变传感器至于高低温试验温箱中,采用位移试验台模拟顶板下沉对位移传感机构实施拉伸,获取位移传感机构在其工作温度范围内和工作位移范围内关于温度‑拉伸量‑波长的二维数据组,
利用该二维数据组,将同一拉伸量下的温度与中心波长值做线性拟合,以温度为x轴,中心波长值为y轴,得出该拉伸量下位移传感机构中心波长与温度的拟合系数,命名为该拉伸量下的温度系数KTε,再将所有拉伸量下的温度系数求平均得出 命名为位移传感机构的温度系数;
利用该二维数据组,将同一温度下的拉伸量和中心波长值做线性拟合,以中心波长值为x轴,拉伸量为y轴,得出该温度下位移传感机构中心波长值和拉伸量的拟合系数,命名为该温度下的应变系数,
再将各个温度下得出的应变系数和相对应温度做线性拟合,以温度为x轴,应变系数为y轴,得到位移传感机构应变系数和温度的拟合关系式Kε=aT+b,获得参数a,b的数值。
2.根据权利要求1所述的应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器,其特征在于,在所述主机盒内安装有分光器,所述分光器的入射端通过尾纤与外部光源连接,所述分光器的发射端与所述FBG光纤光栅Ⅰ和所述FBG光纤光栅Ⅱ分别连接。
3.根据权利要求1所述的应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器,其特征在于,所述粘接胶采用环氧胶。
说明书 :
一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器
技术领域
背景技术
当光栅受到轴向应变作用或周围的温度发生改变时,光栅周期和纤芯有效折射率就会发生
改变,从而引起光栅的布拉格波长发生位移,且单独的应变或温度物理量与光纤波长存在
良好的线性关系。通过解调系统检测波长漂移量,即可获得待测的应变、温度信息,实现光
纤光栅传感。而市面上其他应用于围岩位移的光纤光栅传感器在长时间测试中会出现位移
量数据波动的情况,不仅不利于对当前围岩状态变化进行判断,也无法保护煤矿开采人员
的人身安全。
发明内容
设置在所述主机盒内的至少一个位移传感机构和一个温度补偿传感器,所述位移传感机构
包括从上至下依次连接的锚点、钢丝、传动筒和FBG光纤光栅应变传感器,所述钢丝穿越所
述传动筒和所述主机盒,所述传动筒挂在所述钢丝上,二者采用顶丝固接,在所述传动筒内
挂有沿竖向延伸的拉簧,所述应变传感器包括水平设置的片状金属悬臂梁和设置在所述悬
臂梁上的FBG光纤光栅Ⅰ,所述悬臂梁的固定端与所述主机盒固接,所述悬臂梁的悬臂端与
所述拉簧的下端连接,在所述悬臂梁的底部沿宽度方向居中设有纵向定位槽,所述FBG光纤
光栅Ⅰ粘接在所述纵向定位槽中,粘接方法为:1)将粘接面挫毛,2)对所述FBG光纤光栅Ⅰ预
加拉应力,直至FBG光纤光栅的中心波长值较其原始中心波长值大1‑2nm,3)涂胶粘接,4)在
粘接胶固化完全后,对所述应变传感器的进行老化,直至所述FBG光纤光栅Ⅰ反射的中心波
长值在同一温度下保持在允许误差范围内;所述温度补偿传感器是采用FBG光纤光栅Ⅱ制
作的,所述应变传感器和所述温度补偿传感器与外部光源连接;所述处理部分采用以下方
程组进行计算:
感器标定波长值,单位nm,T—实时温度,单位℃,T0—温度补偿传感器标定温度,单位℃,
KT—温度补偿传感器温度系数,单位℃/nm,Kε—位移传感机构应变系数,单位mm/nm,a,b—
位移传感机构应变系数随实时温度自动调节的参数, —位移传感机构的温度系数,单位
nm/℃;
量‑波长的二维数据组,利用该二维数据组,将同一拉伸量下的温度与中心波长值做线性拟
合,以温度为x轴,中心波长值为y轴,得出该拉伸量下位移传感机构中心波长与温度的拟合
系数,命名为该拉伸量下的温度系数KTε,再将所有拉伸量下的温度系数求平均得出 命
名为位移传感机构的温度系数;利用该二维数据组,将同一温度下的拉伸量和中心波长值
做线性拟合,以中心波长值为x轴,拉伸量为y轴,得出该温度下位移传感机构中心波长值和
拉伸量的拟合系数,命名为该温度下的应变系数,再将各个温度下得出的应变系数和相对
应温度做线性拟合,以温度为x轴,应变系数为y轴,得到位移传感机构应变系数和温度的拟
合关系式Kε=aT+b,获得参数a,b的数值。
确可靠的实时位移结果,工作性能稳定,精确度高,量程大。
附图说明
具体实施方式
面上常用温度补偿法,即在相同环境中连接一个光栅温度传感器测量实时温度值,通过计
算消除温度影响成分。但由于光纤光栅制备为基于悬臂梁的传感器后,会受到悬臂梁金属
片和粘接用胶的影响,且在测量位移时光栅上同时存在轴向应变和径向应变,导致应变传
感器的应变系数会随温度的变化而产生一定偏移。而传统的温度补偿法无法补偿该部分误
差,导致在高温低温下应变传感器的测量误差普遍增大。
位移传感机构实施拉伸,FBG光纤光栅Ⅰ的应变变化,特性与测量应变时完全一致。
设置的片状金属悬臂梁6‑1和设置在所述悬臂梁6‑1上的FBG光纤光栅Ⅰ。
端与所述拉簧11的下端连接。
FBG光纤光栅Ⅰ的中心波长值较其原始中心波长值大1‑2nm。
量‑波长的二维数据组,利用该二维数据组,将同一拉伸量下的温度与中心波长值做线性拟
合,以温度为x轴,中心波长值为y轴,得出该拉伸量下位移传感机构中心波长与温度的拟合
系数,命名为该拉伸量下的温度系数KTε,再将所有拉伸量下的温度系数求平均得出 命
名为位移传感机构的温度系数;
名为该温度下的应变系数,再将各个温度下得出的应变系数和相对应温度做线性拟合,以
温度为x轴,应变系数为y轴,得到位移传感机构应变系数和温度的拟合关系式Kε=aT+b,获
得参数a,b的数值。
应变系数自适应算法的位移传感机构,有±6mm的误差,而加入应变系数自适应算法的位移
传感机构,误差缩减至±2mm。由此可以可见,本发明能够减少温度变化对拉伸精度的影响。
感器的高精度。
接。所述粘接胶采用环氧胶。
拧入顶丝孔固定钢丝,达到测试不同深浅基点的目的。将矿用位移传感器接入解调仪,当巷
道顶板发生沉降时,顶板会推动挡板5,使整体位移传感器向下位移,此时传动结构中的弹
簧会发生形变,将顶板沉降的位移量转化为拉力,拉动应变传感器自由端使其产生相应挠
度,导致应变传感器中的光纤光栅产生微弯,中心波长产生位移,同时如果环境温度发生变
化,内置的温度传感器的中心波长也会产生变化,将解调出的应变传感器和温度补偿传感
器的中心波长,带入上述方程组即可计算出顶板沉降位移量。
可靠的实时位移结果Δε。
技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下,还
可以做出很多形式,这些均属于本发明的保护范围之内。