一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统技术方案

本发明专利技术公开了一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统，属于煤矿安全开采领域和检测技术领域，采用光纤声发射传感器

【技术实现步骤摘要】
一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统


[0001]本专利技术涉及煤矿安全开采领域和检测
，更具体的说是涉及一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统
。

技术介绍

[0002]在煤矿开采过程中，随着地下煤炭的不断运出，会产生煤矿采空区，相应的地表区域会逐渐生成裂缝，并最终产生地表塌陷，严重破坏环境，甚至造成人员生命危险
。
因此在煤炭保水开采过程中实时监测裂缝状况至关重要，直接影响着煤矿企业的经济效益与人员安全
。
[0003]在煤炭保水开采过程中，现有技术一般采用分布式光纤监测
、
声发射监测
、
超声监测和光纤光栅监测等方法和系统获取温湿度
、
应力等多个参量监测裂缝的变化，然而上述方法和系统具有以下局限性：
[0004](1)
多参量检测精确度不高，易出现温度和应变交叉敏感问题
。
[0005](2)
不能适用于恶劣环境
。
由于恶劣的工作环境
、
复杂的外部荷载以及化学腐蚀，导致主流胶结封装的光纤光栅传感器经常出现胶结体劣化
、
敏感基体剥离
、
光纤断裂等诸多问题，严重影响传感器的成活率
。
[0006]因此，提出一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统，提高数据的测量精度和传感器的使用寿命，是本领域技术人员亟需解决的问题
。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统，实现煤炭保水开采过程中多参量信息的高精度获取，同时提高传感器的性能和耐久性
。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统，包括光纤声发射传感器
、
光纤温度传感器
、
光纤压力传感器和信号采集仪；
[0010]所述光纤声发射传感器采用金属化封装工艺，所述光纤声发射传感器包括两端固定简支梁结构声发射传感器和栅格状
MOEMS
结构声发射传感器，两种结构的光纤声发射传感器配合使用，用于监测多频段声发射信号的位置和强度变化获取布设区域内的弹性波场；
[0011]所述光纤温度传感器用于获取布设区域内湿度场的分布信息；
[0012]所述光纤压力传感器采用碳纤维一体化植入工艺，用于获取布设区域内应力场的分布信息；
[0013]所述信号采集仪与所述光纤声发射传感器
、
所述光纤温度传感器
、
所述光纤压力传感器连接，用于同时接收所述光纤声发射传感器
、
所述光纤温度传感器
、
所述光纤压力传感器获取的参量信息
。
[0014]优选的，所述光纤声发射传感器采用金属化封装工艺包括：
[0015]将光纤光栅直接镀接在所述光纤声发射传感器的弹性元件上，并融合光纤多层金属化镀膜技术，形成所述金属化封装工艺
。
[0016]优选的，所述两端固定简支梁结构声发射传感器包括支撑架
、
弹性元件
、
传感光栅
、
振子；
[0017]所述弹性元件固定在其两端放置的所述支撑架上，所述传感光栅均匀粘贴在所述弹性元件的中间区域，所述振子与所述弹性元件连接
。
[0018]优选的，所述两端固定简支梁结构声发射传感器还包括外壳，所述外壳上设置有中间留有小孔的引线固定装置，用于将光纤引线引出声发射传感器，光纤粘贴在所述弹性元件上
。
[0019]优选的，当所述弹性元件受垂直于所述弹性元件的力时，所述弹性元件发生挠度变形，所述弹性元件中间区域应变增大，带动所述传感光栅发生轴向变形，引起光栅中心波长的变化，通过调节所述振子的质量与体积，实现中低频声发射信号的增敏，获取中低频声发射信号
。
[0020]优选的，所述栅格状
MOEMS
结构声发射传感器包括依次连接的微型光源
、
第一准直器
、
振动敏感源
、
第二准直器
、
光电转换模块
、
数据分析模块
、
无线传输模块
。
[0021]优选的，所述微型光源发出的光强信号经过所述第一准直器进入所述振动敏感源，经过所述振动敏感源调制之后的光信号通过所述第二准直器进入所述光电转换模块，所述光电转换模块将所述光信号转换为电信号输入到所述数据处理分析模块进行处理，得到外界环境振动信号的振幅及频率信息，对所述振动信号的振幅及频率信息进行编码并通过所述无线传输模块实现所述振动信号的无线传输，获取高频声发射信号
。
[0022]优选的，所述碳纤维一体化植入工艺包括：
[0023]碳纤维预浸料分层布设，将光纤埋设在两层碳纤维中间，通过加压加热，制作碳纤维板，所述光纤和所述碳纤维板一体成形
。
[0024]优选的，所述信号采集仪包括半导体激光放大器
、DSP+FPGA
控制单元
、TEC
控制电路；
[0025]所述半导体激光放大器输出激光，所述激光通过跨阻放大器进行
AD
转换成为离散的波长数据和功率数据，所述离散的波长数据和功率数据由所述
DSP+FPGA
控制单元读取和接收；
[0026]所述
DSP+FPGA
控制单元通过相位
、
左右反射器
、
驱动电流控制所述半导体激光放大器的波长和功率；
[0027]所述
TEC
控制电路同时对所述半导体激光放大器和所述
DSP+FPGA
控制单元进行协调控制
。
[0028]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统，有益效果如下：
[0029](1)
传感器种类多，获取裂缝多参量信息准确
。
[0030]本专利技术通过设置声发射传感器
、
光纤温度传感器
、
光纤压力传感器，可分别准确获取煤炭保水开采过程中裂缝的弹性波场
、
湿度场
、
应力场信息，以上参量通过同一信号采集仪同时获取，进而实现多参量信息的实时监测和全光纤多源感知与获取
。
[0031](2)
采用特殊封装技术，传感器耐用性高，寿命长
。
[0032]本专利技术创造性提出了光纤传感器封装新技术和光纤植入式一体化成型封装新方法
。
光纤声发射传感器采用了金属化封装工艺，将光纤直接电镀在弹性元件上，提高了传感器的重复性和使用寿命
。
光纤温度传感器采用光纤光栅镀铜的方法提高了温度灵敏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统，其特征在于，包括光纤声发射传感器
、
光纤温度传感器
、
光纤压力传感器和信号采集仪；所述光纤声发射传感器采用金属化封装工艺，所述光纤声发射传感器包括两端固定简支梁结构声发射传感器和栅格状
MOEMS
结构声发射传感器，两种结构的光纤声发射传感器配合使用，用于监测多频段声发射信号的位置和强度变化获取布设区域内的弹性波场；所述光纤温度传感器用于获取布设区域内湿度场的分布信息；所述光纤压力传感器采用碳纤维一体化植入工艺，用于获取布设区域内应力场的分布信息；所述信号采集仪与所述光纤声发射传感器
、
所述光纤温度传感器
、
所述光纤压力传感器连接，用于同时接收所述光纤声发射传感器
、
所述光纤温度传感器
、
所述光纤压力传感器获取的参量信息
。2.
根据权利要求1所述的一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统，其特征在于，所述光纤声发射传感器采用金属化封装工艺包括：将光纤光栅直接镀接在所述光纤声发射传感器的弹性元件上，并融合光纤多层金属化镀膜技术，形成所述金属化封装工艺
。3.
根据权利要求1所述的一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统，其特征在于，所述两端固定简支梁结构声发射传感器包括支撑架
、
弹性元件
、
传感光栅
、
振子；所述弹性元件固定在其两端放置的所述支撑架上，所述传感光栅均匀粘贴在所述弹性元件的中间区域，所述振子与所述弹性元件连接
。4.
根据权利要求3所述的一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统，其特征在于，所述两端固定简支梁结构声发射传感器还包括外壳，所述外壳上设置有中间留有小孔的引线固定装置，用于将光纤引线引出声发射传感器，光纤粘贴在所述弹性元件上
。5.
根据权利要求3所述的一种煤炭保水开采多源多参量数据采集系统，其特征在于，当所述弹性元件受垂直于所述弹性元件的力时，所述弹性元件发生挠度变形，所述弹性元件中间区域应变增大，带动所述传感光栅发生轴向变形，引起光栅中心波长的变化，通过调节所述振子的质...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾大钊，王汉鹏，曹志国，张勇，王静，吴宝杨，王正方，武洋，
申请(专利权)人：山东大学北京低碳清洁能源研究院，
类型：发明
国别省市：