【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及光纖監測，尤其是涉及一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統及方法。
技術介紹
1、隨著社會的發展進步和科技的日新月異，煤礦機械化程度大幅度提高，開采深度不斷增加，開采速度日益加快，造成采空區面積不斷擴大，進而引發滑坡、地面塌陷、地裂縫等地質災害，因此，對煤礦集中開采區進行全覆蓋、長時序、高精度的沉降監測至關重要，是開展礦區地質災害防治的首要前提。
2、傳統的地表沉降監測方法有很多，如精密水準測量、合成孔徑雷達干涉測量、全球定位系統測量和遙感測量等。精密水準測量采用高精度光學儀器和高質量的測量尺進行測量，其優點是精度高、穩定性好、適用范圍廣。但是，精密水準測量需要專業人員操作，且數據處理復雜，需要專業的軟件進行處理；合成孔徑雷達干涉測量利用雷達信號進行掃描并進行相關處理得到干涉圖，其優點是精度高、測量速度快、可以實時監測地面的移動變形情況。但是受限于衛星信號的覆蓋范圍和可用性，難以應用于一些偏遠地區；全球定位系統利用信號接收機接收衛星信號并計算其時間差，其優點是測量速度快、精度高、可以實時監測地面的移動變形情況，適用于大范圍區域沉降監測。但是，這種方法需要高精度的接收機和數據處理技術，成本較高；遙感測量是一種利用衛星或其他飛行器獲取地表信息的方法。利用遙感技術進行沉降監測時，需要選擇合適的衛星和傳感器，并對獲取的數據進行處理和分析。其優點是測量范圍大、信息獲取速度快、可以實時監測地面的移動變形情況，適用于大范圍區域沉降監測。但是，這種方法需要專業人員操作和處理數據，精度較低。因此開發一種高效、經濟且可靠
3、分布式光纖傳感技術具有感測點連續分布、抗電磁干擾、應變測量精度高、韌性好、抗變形、磨損能力強等適合工程應用的特點，非常符合地質和工程應用，近年來，分布式光纖傳感技術在我國煤炭行業已開始大面積應用，dfos（分布式光纖傳感）使人們能夠更好地了解每層土的變形歷史、變形程度和速率，這對評估地面沉降至關重要。
技術實現思路
1、本專利技術的目的是提供一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統及方法，采用分布式光纖傳感技術，利用光頻域反射和光纖布拉格光柵來測量沿深度方向的應變變化，計算傳感光纜的變形、位移和孔隙壓力，以此來監測煤礦沉降情況。
2、為實現上述目的，本專利技術提供了一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統，包括測量部分和數據采集與處理部分，測量部分包括埋置在煤礦土體中的光纜、基于fbg的滲壓計和基于fbg的引伸計，數據采集與處理部分包括ofdr解調儀、fbg解調儀和計算機，光纜包括由內到外依次設置的第一光纖、護層鋼管和puc外護套。
3、優選的，基于fbg的滲壓計包括方形外殼、利用fdm?3d打印技術打印而成的薄膜和含有fbg光纖布拉格光柵的光纖，方形外殼設置于薄膜下方，薄膜上表面開設有凹槽，含有fbg光纖布拉格光柵的光纖安裝于凹槽中，光纖分布于薄膜的中間和四周。
4、優選的，基于fbg的引伸計包括含有fbg光纖布拉格光柵應變傳感器的光纖和pvc管，含有fbg光纖布拉格光柵應變傳感器的光纖利用環氧樹脂粘貼在pvc管外壁上，光纖包括五個fbg光纖布拉格光柵應變傳感器，fbg光纖光柵應變傳感器之間按照均勻間隔串聯。
5、優選的，含有fbg光纖布拉格光柵應變傳感器用于反射布拉格波長的光，并允許其他所有波長的光透過，fbg光纖布拉格光柵應變傳感器反射光的中心波長取決于光柵的有效折射率和周期，有效折射率和周期受應變或環境溫度變化而改變。
6、優選的，puc外護套為聚氨酯材質，用于確保光纜內光信號的傳輸。
7、本專利技術還提供一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統的煤礦沉降監測方法，包括以下步驟：
8、s1、將光纜埋置在煤礦土體中、通過光頻域反射法測量應變，確定光纜變形情況；
9、s2、通過基于fbg的滲壓計測量應變，確定孔隙壓力；
10、s3、通過基于fbg的引伸計測量應變，確定測量位移情況；
11、s4、利用孔隙壓力、測量位移和光纜的變化情況表示煤礦沉降。
12、優選的，s1中，光頻域反射法測量應變，具體過程為：
13、當光源發出連續光后被耦合器分開為參考光和探測光，探測光在光纖中產生瑞利散射信號，通過對背向瑞利散射信號與參考信號進行相關運算得到光譜移動值，光譜移動值與應變值線性正相關，獲得光纖受拉或受壓狀態的應變值。
14、優選的，s2具體為：利用基于fbg的滲壓計測量應變，基于fbg的滲壓計上側因土壤沉降而受到壓力，下側發生拉伸變形，拉伸變形引起光纖布拉格光柵的波長發生偏移，建立應變與孔隙壓力之間的應變關系，通過測量波長的變化得知孔隙壓力的大小，若孔隙壓力降低則表示土壤壓縮?。
15、優選的，s3具體為：
16、利用基于fbg的引伸計測量應變，若發生沉降，fbg光纖布拉格光柵上的壓力發生變化，應變變化改變布拉格波長，建立應變與波長、波長與測量位移之間的數學關系，將應變轉換為測量位移，用于表示沉降情況。
17、因此，本專利技術采用上述一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統及方法，有益效果如下：
18、本專利技術通過光頻域反射技術測量應變，建立將應變轉換為光纜變形的數學方程；通過光纖布拉格光柵測量應變，建立孔隙壓力、位移與應變之間的數學關系；并且進行現場實驗驗證了數學方程的準確性，為分布式光纖傳感技術監測煤礦沉降情況提供科學依據。
19、下面通過附圖和實施例，對本專利技術的技術方案做進一步的詳細描述。
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1.一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統，其特征在于：包括測量部分和數據采集與處理部分，測量部分包括埋置在煤礦土體中的光纜、基于FBG的滲壓計和基于FBG的引伸計，數據采集與處理部分包括OFDR解調儀、FBG解調儀和計算機，光纜包括由內到外依次設置的第一光纖、護層鋼管和PUC外護套。
2.根據權利要求1所述的一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統，其特征在于：基于FBG的滲壓計包括方形外殼、利用FDM?3D打印技術打印而成的薄膜和含有FBG光纖布拉格光柵的光纖，方形外殼設置于薄膜下方，薄膜上表面開設有凹槽，含有FBG光纖布拉格光柵的光纖安裝于凹槽中，光纖分布于薄膜的中間和四周。
3.根據權利要求2所述的一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統，其特征在于：基于FBG的引伸計包括含有FBG光纖布拉格光柵應變傳感器的光纖和PVC管，含有FBG光纖布拉格光柵應變傳感器的光纖利用環氧樹脂粘貼在PVC管外壁上，光纖包括五個FBG光纖布拉格光柵應變傳感器，FBG光纖光柵應變傳感器之間按照均勻間隔串聯。
4.根據權利要求3所述的一種用于煤礦沉降監測的分
5.根據權利要求4所述的一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統，其特征在于：PUC外護套為聚氨酯材質，用于確保光纜內光信號的傳輸。
6.一種如權利要求1-5任一項所述的用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統的煤礦沉降監測方法，其特征在于，包括以下步驟：
7.根據權利要求6所述的一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統的煤礦沉降監測方法，其特征在于，S1中，光頻域反射法測量應變，具體過程為：
8.根據權利要求7所述的一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統的煤礦沉降監測方法，其特征在于，S2具體為：利用基于FBG的滲壓計測量應變，基于FBG的滲壓計上側因土壤沉降而受到壓力，下側發生拉伸變形，拉伸變形引起光纖布拉格光柵的波長發生偏移，建立應變與孔隙壓力之間的應變關系，通過測量波長的變化得知孔隙壓力的大小，若孔隙壓力降低則表示土壤壓縮?。
9.根據權利要求8所述的一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統的煤礦沉降監測方法，其特征在于，S3具體為：
...【技術特征摘要】
1.一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統，其特征在于：包括測量部分和數據采集與處理部分，測量部分包括埋置在煤礦土體中的光纜、基于fbg的滲壓計和基于fbg的引伸計，數據采集與處理部分包括ofdr解調儀、fbg解調儀和計算機，光纜包括由內到外依次設置的第一光纖、護層鋼管和puc外護套。
2.根據權利要求1所述的一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統，其特征在于：基于fbg的滲壓計包括方形外殼、利用fdm?3d打印技術打印而成的薄膜和含有fbg光纖布拉格光柵的光纖，方形外殼設置于薄膜下方，薄膜上表面開設有凹槽，含有fbg光纖布拉格光柵的光纖安裝于凹槽中，光纖分布于薄膜的中間和四周。
3.根據權利要求2所述的一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統，其特征在于：基于fbg的引伸計包括含有fbg光纖布拉格光柵應變傳感器的光纖和pvc管，含有fbg光纖布拉格光柵應變傳感器的光纖利用環氧樹脂粘貼在pvc管外壁上，光纖包括五個fbg光纖布拉格光柵應變傳感器，fbg光纖光柵應變傳感器之間按照均勻間隔串聯。
4.根據權利要求3所述的一種用于煤礦沉降監測的分布式光纖傳感系統，其特征在于：含有fbg光纖布拉格光柵應變傳感器用于反射布拉格...
【專利技術屬性】
技術研發人員：馬杰，孫丹丹，陳鵬，趙澤家，郝珂瑤，
申請(專利權)人：山西大學，
類型：發明
國別省市：
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