基于光纖光柵原理的智能錨桿監測系統研發

付宏偉

（山西汾西礦業集團新產業發展有限責任公司， 山西 介休 032000）

0 引言

在煤礦頂板監測方面，目前仍是以傳統的電子、機械方式為主，部分甚至還是靠人工觀測。相比之下，基于光纖光柵原理制造的傳感器通過測量光的波長來判斷外界物理量，具有對惡劣環境適應性強、抗電磁干擾能力強、精度高等優點，基于該原理的智能錨桿具備應力自監測功能，可實時進行應力數據采集和安全狀態評估，配合錨桿監測系統，可以實現復雜環境條件下對煤礦頂板狀態的實時在線監測、預報和預警，對于保障煤礦安全生產具有重要的意義[1-2]。

1 光纖光柵的優勢及傳感機理

當前，在傳感器應力應變設計原理方面，常用的應變傳感器為振弦式應變計、電阻式應變計以及光纖光柵應變計，其特性對比如表1 所示。

表1 常見的應變計特性對比

電阻式應變計是傳統的應變傳感元件，解調設備比較成熟，但其受環境影響較大，長期應變測試的結果會嚴重失真，只適用于短期應變測量；振弦式應變計傳感器輸出信息為頻率特征，不受導線長度的影響，靈敏度和穩定性也較好，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、傳輸頻帶較寬等優點，且采用分布或者準分布式測量，能夠用一根光纖測量多點或者無限多自由度的參數分布，具備傳統的機械類、電子類、微電子類等分立型器件無法實現的功能，是傳器技術的新發展。光纖光柵本質就是光纖，是利用摻鍺光纖非線性吸收效應的紫外全息曝光等方法使纖芯中某一段長度上折射率周期性變化。根據模耦合理論，光纖光柵會反射特定波長的光信號，其中波長λB=2nΛ（λB為光纖光柵的中心波長；n 為纖芯的有效折射率；Λ 為光柵周期），其他波長的光信號繼續沿光纖傳播，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的設計研發

2.1 光纖光柵智能錨桿設計原理

基于光纖光柵的優勢及傳感機理，提出一種監測復雜荷載作用的智能錨桿，可以利用植入FBG 應變傳感器將錨桿封裝為FBG 智能錨桿對錨桿在工作狀態下全長范圍內的應變、軸向力、彎矩、剪應力及錨桿變形等參數實時監測，實現對多節點處復合荷載自動分離與在線監測；同時引入FBG 溫度傳感器，對應變檢測結果進行溫度補償，對煤礦巷道及煤層環境溫度進行監測，以預警煤礦巷道的災害隱患。

要實現對錨桿的應力監測，判斷出錨桿截面最大應力，需要在錨桿多個截面上120°對稱布置3 個應力傳感器，通過多個傳感器的綜合監測數據推導出整個鉆桿的應力狀態，實現對其應力監測。選擇通過開槽布設傳感器的方式對錨桿進行封裝，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3 個槽，在槽內植入光纖光柵應變傳感器?？赏ㄟ^傳感器的靈敏度調節，來改變智能錨桿的量程。通過標定試驗獲得所測試的錨桿量程，根據實際圍巖受力分析和實測結果綜合考慮，調整傳感器的量程，以得到最優智能錨桿配置。

2.2 智能錨桿監測系統研發

根據智能錨桿的應用需求，需要建立一套監測管理系統來對所有業務系統進行全面的自動監測和管理，以減輕系統管理員的維護工作量，提高管理水平。系統應包括傳感器單元子系統、數據采集子系統、數據分析及控制子系統、信息顯示系統等模塊。其中，傳感器與數據采集子系統為數據獲取的前端，數據存儲管理子系統為聯系各子系統的紐帶和中心。數據分析及控制系統涵蓋了安全報警與狀態評估，為整個系統的功能核心，用于對大量監測數據進行分析、并具備預警和結構評估功能，可實現監測結果、評估結論的圖表顯示，人工信息的錄入，指令的輸入等。具體搭建情況如下：

1）遠程監測部分使用B/S 結構，用戶通過瀏覽器即可登錄使用系統。在這種結構下，極少部分事務邏輯在前端（Browser）實現，主要事務邏輯在服務器端（Server）實現?？珊喕丝蛻舳瞬僮?，減輕了系統維護與升級成本，能實現不同的人員，從不同的地點，以不同的接入方式訪問和操作共同的數據庫，它能有效地保護數據平臺和管理訪問權限，保障服務器數據庫安全。

2）各系統間通過光纖網絡聯系而進行運作，網絡結構由網絡服務器、PC 機、專用工控機以及各種放大器、傳感器等組成。每個網絡節點往下由工控機、信號調理器、傳感器等構成微型網絡，以保證系統的可維護性和擴充性，以便系統的進一步開發和監測規模的擴大。整個系統采用環狀網絡結構，以提高系統正常運行的可靠性。

3）系統可實現的功能：巷道實時監測管理系統可實現數據庫服務、系統管理（用戶管理、角色管理、權限管理）、傳感器管理（傳感器配置）、數據分析（按用戶需求選擇并分析不同監測斷面的數據）、項目管理（沉降監測、溫度監測、應變監測、裂縫監測）等。

3 智能錨桿監測系統試驗及應用

首先需要現場調研巷道地質特征、技術條件及采動巷道圍巖環境狀態等，總結分析巷道對于錨桿支護及監測的具體需求。然后基于光纖傳感理論與技術，對傳感器及錨桿進行封裝。最后根據煤礦現場條件及技術要求，對監測系統的監測儀器進行測試和標定，對軟硬件兼容性、系統穩定性進行調試，試驗過程中，布置合理的傳感器監測位置及實施方法，確定安全監測系統合理的預警極限值，實現礦井安全實時連續監測。試驗驗證指標情況為：錨桿支護力測量范圍≥600 kN，傳輸距離≥5 km，頂板變形預警準確率≥90%，試點區域傳感器覆蓋率≥80%，技術成熟度達到7 級應用水平，能夠勝任頂板應力監測的任務，并在試點巷道連續運行超過2 000 h。

4 結論

1）基于光纖光柵的優勢及傳感機理，設計出能夠實現應力自監測的智能錨桿，該錨桿能夠實現應力數據實時采集和安全狀態評估等功能，能夠解決錨桿實際工作中的應力實時監測難題。

2）研發出智能錨桿監測系統，能夠實現遠程動態監測和超限預警、系統監測的數據自動存儲、歷史查詢以及數據信息共享等功能?？蔀楝F場解決具體技術問題，并掌握礦井安全監測參量的實時變化規律。

3）成功進行了工業性試驗，對系統的各項指標進行測試，具有對惡劣環境適應性強、抗電磁干擾能力強、精度高、靈敏度高、易于傳輸、無源本質安全、準分布式測量等優點，估算年產值可達500 萬元以上，且可減少95%的頂板事故，綜合效益顯著。