[发明专利]一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器

说明书

本发明公开了一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器，包括硬件部分和数据处理部分，所述数据处理部分采用模拟试验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结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，得到位移传感结构应变系数和温度的拟合关系式K_ε＝aT+b，获得参数a，b的数值。本发明利用应变系数自动调节和温度补偿相结合的算法，工作性能稳定，精确度高，量程大。

技术领域

本发明涉及一种光纤位移传感器，特别是一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器。

背景技术

监测围岩位移对于矿业开采有着重大的安全意义。光纤布拉格光栅广泛应用于传感领域，作用原理为光栅的中心反射波长会随光栅周期和纤芯有效折射率的变化而变化。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

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器，该传感器工作性能稳定，精度高。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种应变系数自适应矿用围岩光纤位移传感器，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，λ_ε—应变传感器实时波长值，单位nm，λ_ε0—应变传感器标定波长值，单位nm，λ_T—温度补偿传感器实时波长值，单位nm，λ_T0—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℃，K_T—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：