基于光纖光柵原理的智能錨桿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

付宏偉

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)新產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司， 山西 介休 032000）

0 引言

在煤礦頂板監(jiān)測(cè)方面，目前仍是以傳統(tǒng)的電子、機(jī)械方式為主，部分甚至還是靠人工觀測(cè)。相比之下，基于光纖光柵原理制造的傳感器通過測(cè)量光的波長(zhǎng)來判斷外界物理量，具有對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)，基于該原理的智能錨桿具備應(yīng)力自監(jiān)測(cè)功能，可實(shí)時(shí)進(jìn)行應(yīng)力數(shù)據(jù)采集和安全狀態(tài)評(píng)估，配合錨桿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境條件下對(duì)煤礦頂板狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警，對(duì)于保障煤礦安全生產(chǎn)具有重要的意義[1-2]。

1 光纖光柵的優(yōu)勢(shì)及傳感機(jī)理

當(dāng)前，在傳感器應(yīng)力應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)原理方面，常用的應(yīng)變傳感器為振弦式應(yīng)變計(jì)、電阻式應(yīng)變計(jì)以及光纖光柵應(yīng)變計(jì)，其特性對(duì)比如表1 所示。

表1 常見的應(yīng)變計(jì)特性對(duì)比

電阻式應(yīng)變計(jì)是傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感元件，解調(diào)設(shè)備比較成熟，但其受環(huán)境影響較大，長(zhǎng)期應(yīng)變測(cè)試的結(jié)果會(huì)嚴(yán)重失真，只適用于短期應(yīng)變測(cè)量；振弦式應(yīng)變計(jì)傳感器輸出信息為頻率特征，不受導(dǎo)線長(zhǎng)度的影響，靈敏度和穩(wěn)定性也較好，但由于振弦蠕變的原因，正常使用期僅為3 年左右。相比之下，光纖光柵傳感器具有質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、傳輸頻帶較寬等優(yōu)點(diǎn)，且采用分布或者準(zhǔn)分布式測(cè)量，能夠用一根光纖測(cè)量多點(diǎn)或者無限多自由度的參數(shù)分布，具備傳統(tǒng)的機(jī)械類、電子類、微電子類等分立型器件無法實(shí)現(xiàn)的功能，是傳器技術(shù)的新發(fā)展。光纖光柵本質(zhì)就是光纖，是利用摻鍺光纖非線性吸收效應(yīng)的紫外全息曝光等方法使纖芯中某一段長(zhǎng)度上折射率周期性變化。根據(jù)模耦合理論，光纖光柵會(huì)反射特定波長(zhǎng)的光信號(hào)，其中波長(zhǎng)λB=2nΛ（λB為光纖光柵的中心波長(zhǎng)；n 為纖芯的有效折射率；Λ 為光柵周期），其他波長(zhǎng)的光信號(hào)繼續(xù)沿光纖傳播，如圖1 所示。

圖1 光纖光柵的工作原理示意圖

2 光纖光柵智能錨桿及平臺(tái)的設(shè)計(jì)研發(fā)

2.1 光纖光柵智能錨桿設(shè)計(jì)原理

基于光纖光柵的優(yōu)勢(shì)及傳感機(jī)理，提出一種監(jiān)測(cè)復(fù)雜荷載作用的智能錨桿，可以利用植入FBG 應(yīng)變傳感器將錨桿封裝為FBG 智能錨桿對(duì)錨桿在工作狀態(tài)下全長(zhǎng)范圍內(nèi)的應(yīng)變、軸向力、彎矩、剪應(yīng)力及錨桿變形等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多節(jié)點(diǎn)處復(fù)合荷載自動(dòng)分離與在線監(jiān)測(cè)；同時(shí)引入FBG 溫度傳感器，對(duì)應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償，對(duì)煤礦巷道及煤層環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以預(yù)警煤礦巷道的災(zāi)害隱患。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)錨桿的應(yīng)力監(jiān)測(cè)，判斷出錨桿截面最大應(yīng)力，需要在錨桿多個(gè)截面上120°對(duì)稱布置3 個(gè)應(yīng)力傳感器，通過多個(gè)傳感器的綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)推導(dǎo)出整個(gè)鉆桿的應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其應(yīng)力監(jiān)測(cè)。選擇通過開槽布設(shè)傳感器的方式對(duì)錨桿進(jìn)行封裝，可防止其受外部剮蹭的損壞。錨桿軸的軸截面徑向互成120°的位置設(shè)3 個(gè)槽，在槽內(nèi)植入光纖光柵應(yīng)變傳感器。可通過傳感器的靈敏度調(diào)節(jié)，來改變智能錨桿的量程。通過標(biāo)定試驗(yàn)獲得所測(cè)試的錨桿量程，根據(jù)實(shí)際圍巖受力分析和實(shí)測(cè)結(jié)果綜合考慮，調(diào)整傳感器的量程，以得到最優(yōu)智能錨桿配置。

2.2 智能錨桿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研發(fā)

根據(jù)智能錨桿的應(yīng)用需求，需要建立一套監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)來對(duì)所有業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行全面的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和管理，以減輕系統(tǒng)管理員的維護(hù)工作量，提高管理水平。系統(tǒng)應(yīng)包括傳感器單元子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及控制子系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)等模塊。其中，傳感器與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)為數(shù)據(jù)獲取的前端，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理子系統(tǒng)為聯(lián)系各子系統(tǒng)的紐帶和中心。數(shù)據(jù)分析及控制系統(tǒng)涵蓋了安全報(bào)警與狀態(tài)評(píng)估，為整個(gè)系統(tǒng)的功能核心，用于對(duì)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、并具備預(yù)警和結(jié)構(gòu)評(píng)估功能，可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果、評(píng)估結(jié)論的圖表顯示，人工信息的錄入，指令的輸入等。具體搭建情況如下：

1）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)部分使用B/S 結(jié)構(gòu)，用戶通過瀏覽器即可登錄使用系統(tǒng)。在這種結(jié)構(gòu)下，極少部分事務(wù)邏輯在前端（Browser）實(shí)現(xiàn)，主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端（Server）實(shí)現(xiàn)。可簡(jiǎn)化了客戶端操作，減輕了系統(tǒng)維護(hù)與升級(jí)成本，能實(shí)現(xiàn)不同的人員，從不同的地點(diǎn)，以不同的接入方式訪問和操作共同的數(shù)據(jù)庫，它能有效地保護(hù)數(shù)據(jù)平臺(tái)和管理訪問權(quán)限，保障服務(wù)器數(shù)據(jù)庫安全。

2）各系統(tǒng)間通過光纖網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系而進(jìn)行運(yùn)作，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、PC 機(jī)、專用工控機(jī)以及各種放大器、傳感器等組成。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)往下由工控機(jī)、信號(hào)調(diào)理器、傳感器等構(gòu)成微型網(wǎng)絡(luò)，以保證系統(tǒng)的可維護(hù)性和擴(kuò)充性，以便系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)和監(jiān)測(cè)規(guī)模的擴(kuò)大。整個(gè)系統(tǒng)采用環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)正常運(yùn)行的可靠性。

3）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能：巷道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫服務(wù)、系統(tǒng)管理（用戶管理、角色管理、權(quán)限管理）、傳感器管理（傳感器配置）、數(shù)據(jù)分析（按用戶需求選擇并分析不同監(jiān)測(cè)斷面的數(shù)據(jù)）、項(xiàng)目管理（沉降監(jiān)測(cè)、溫度監(jiān)測(cè)、應(yīng)變監(jiān)測(cè)、裂縫監(jiān)測(cè)）等。

3 智能錨桿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)及應(yīng)用

首先需要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研巷道地質(zhì)特征、技術(shù)條件及采動(dòng)巷道圍巖環(huán)境狀態(tài)等，總結(jié)分析巷道對(duì)于錨桿支護(hù)及監(jiān)測(cè)的具體需求。然后基于光纖傳感理論與技術(shù)，對(duì)傳感器及錨桿進(jìn)行封裝。最后根據(jù)煤礦現(xiàn)場(chǎng)條件及技術(shù)要求，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定，對(duì)軟硬件兼容性、系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)試，試驗(yàn)過程中，布置合理的傳感器監(jiān)測(cè)位置及實(shí)施方法，確定安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)合理的預(yù)警極限值，實(shí)現(xiàn)礦井安全實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)驗(yàn)證指標(biāo)情況為：錨桿支護(hù)力測(cè)量范圍≥600 kN，傳輸距離≥5 km，頂板變形預(yù)警準(zhǔn)確率≥90%，試點(diǎn)區(qū)域傳感器覆蓋率≥80%，技術(shù)成熟度達(dá)到7 級(jí)應(yīng)用水平，能夠勝任頂板應(yīng)力監(jiān)測(cè)的任務(wù)，并在試點(diǎn)巷道連續(xù)運(yùn)行超過2 000 h。

4 結(jié)論

1）基于光纖光柵的優(yōu)勢(shì)及傳感機(jī)理，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力自監(jiān)測(cè)的智能錨桿，該錨桿能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和安全狀態(tài)評(píng)估等功能，能夠解決錨桿實(shí)際工作中的應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難題。

2）研發(fā)出智能錨桿監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和超限預(yù)警、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、歷史查詢以及數(shù)據(jù)信息共享等功能?？蔀楝F(xiàn)場(chǎng)解決具體技術(shù)問題，并掌握礦井安全監(jiān)測(cè)參量的實(shí)時(shí)變化規(guī)律。

3）成功進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，具有對(duì)惡劣環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、抗電磁干擾能力強(qiáng)、精度高、靈敏度高、易于傳輸、無源本質(zhì)安全、準(zhǔn)分布式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，估算年產(chǎn)值可達(dá)500 萬元以上，且可減少95%的頂板事故，綜合效益顯著。