光纤声发射检测技术在煤矿井塌方预测中的应用研究
发布时间：2021-03-11 06:18
煤炭约占我国能源使用量的三分之二左右,煤矿事故时有发生。采用科学的方法提前进行精准预警,减少煤矿安全事故发生率显得尤为重要。光纤声发射检测技术作为一种新型的无损检测技术,在矿井塌方预测中发挥着重要的作用。光纤声发射传感器具有体积比较小、频率带宽高、灵敏度高、损伤阈值高等优点,检测时与被测物体无接触,并能适应不同的恶劣环境。本文对现有的光纤声发射传感器进行分析,设计出适用于煤矿井塌方预测的光纤声发射传感器结构,研究了提高其灵敏度的方法,并提出了如何预测煤矿井塌方及塌方点的定位方法。首先,分析了几种典型的光纤声发射传感器,为实现精准的煤矿井塌方预测提供理论依据。分析其结构及原理,对比其特性,选择了具有方向性且抗干扰能力强的Sagnac光纤声发射传感器用于煤矿井塌方的预测。其次,结合煤矿井下的特殊环境及存在的问题,设计了Sagnac光纤声发射传感器应变花做为测量的应变元件应用于煤矿井下。由于煤矿井下的噪声较多,而声发射信号非常微弱,因此需要提高此应变花的灵敏度。根据此应变花的结构及原理,提出了通过调制初始相位的方法提高其相位灵敏度。将初始相位调制到3π/2时,其相位灵敏度增大了6倍左右。通过...
【文章来源】：黑龙江科技大学黑龙江省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Sagnac光纤声发射传感器的结构
硕士学位论文12果传感探头没有接收到信号，则光束不会被干扰；若有信号对传感探头作用时，光波的相位就会被调制。当传感探头接收到AE信号时，两束光束的相位被调制，这将导致非互易的相移，此时可根据两光束的变化判断声发射信号的大致方向。则光电探测器PD被传达的顺时针光束的场强E1和逆时针光束的场强E2表示如下])([111φtωt-js=AeE（2-1）])([222φtωt-js=AeE（2-2）其中A是与3dB耦合器的损耗和入射光的振幅是成正比的常数，是光波的角频率；s是光波的相位变化；1和2表示时间，这两个时间是光通过传感臂抵达检测器所用的[43]；而1和2则分别为两光束的初相位，是由传导光纤的长度所决定的。从上述可以看出，光电探测器检测的光强可用下式表示：I（E+E×）（E+E）cos+[12A=（△+φ△φ]）s2*2121D（2-3）其中）（）（2s1stts（2-4）21（2-5）2.2.2Mach-Zehnder光纤声发射传感器Mach-Zehnder光纤AE传感器的结构图如图2-2所示。图2-2Mach-Zehnder光纤AE传感器的结构Figure2-2PrincipleoftheMach-ZehnderOpticalFiberAcousticEmissionSensor此传感器检测灵敏度为：)(2221110maxNiiDCJkRnV（2-6）
硕士学位论文14图2-3DFB光纤激光器的结构Figure2-3PrincipleoftheDFBOpticalFiberSensor相移光栅的相移量是通过遮挡法实现的，其掺铒光纤的折射率为：)](2cos[1)()(effeffzzvznnzneff（2-7）式中，neff——光纤纤芯的平均折射率，zn)(eff——平均折射率变化量，v——调制因子，——光栅周期，为附加相位量。相移光栅的折射率调制成余弦分布，由于存在相位突变（)(z不为0）使光谱中存在一个透射窗口，由相移量确定窗口的中心波长。当)(z时，其波长为布拉格波长B，即：effB2n（2-8）2.4强度调制型光纤声发射传感器强度调制是一种通过声发射信号变化引起光纤中光强度变化时通过测量光强度的变化来检测声发射信号的方法。光纤传感中最早使用的方法是强度调制，它具有技术简单，成本低的优点，在不要求声发射源定位的低精度场合有一定的应用[47]。缺点是难以构成点传感器，灵敏度很低，无法检测到微弱的声发射信号。2.5本章小结本章介绍了几种典型的光纤声发射传感器：相位调制型光纤声发射传感器、波长调制型光纤声发射传感器和强度调制型光纤声发射传感器。并对它的系统结构以及工作原理进行了阐述，为实现精准的煤矿井塌方预测提供理论依据
【参考文献】：
期刊论文
[1]Machine learning methods for rockburst prediction-state-of-the-art review[J]. Yuanyuan Pu,Derek B.Apel,Victor Liu,Hani Mitri. International Journal of Mining Science and Technology. 2019(04)
[2]基于GMM模型的煤矿顶板事故致死人数预测[J]. 李闯,袁梅,王玉丽,许石青,杨萌萌. 工业安全与环保. 2017(08)
[3]声发射监测评价冲击地压危险状态的机制及应用研究[J]. 杨磊,冯美华. 煤矿开采. 2016(06)
[4]基于SPSS软件的煤矿安全事故分析及预测[J]. 徐金潇. 能源技术与管理. 2015(06)
[5]我国煤矿冲击地压的研究现状:机制、预警与控制[J]. 姜耀东,赵毅鑫. 岩石力学与工程学报. 2015(11)
[6]基于Sagnac光纤声发射传感器研究[J]. 马云栋,李英年,薛为,张璇. 装备制造技术. 2015(07)
[7]基于新阈值函数的小波阈值去噪算法及仿真[J]. 郭继坤,马鹏飞,赵肖东. 工业仪表与自动化装置. 2015(01)
[8]新型传感网络技术的特征及应用[J]. 吴康. 中国公共安全. 2014(24)
[9]声发射信号分析与处理方法研究进展[J]. 许中林,李国禄,董天顺,刘金海,王海斗,康嘉杰. 材料导报. 2014(09)
[10]矿山灾害在线预测预警系统的设计与实现[J]. 侯志华. 矿业安全与环保. 2012(S1)
博士论文
[1]王家岭煤矿首采工作面的矿压显现特征及关键技术研究[D]. 王国洪.中国矿业大学(北京) 2016
[2]直升机复合材料试件声发射信号处理算法研究[D]. 于金涛.哈尔滨工业大学 2012
[3]矿井顶板（围岩）状态监测及灾害预警系统研究及应用[D]. 连清旺.太原理工大学 2012
硕士论文
[1]矿井下分布式光纤定位范围及精度研究[D]. 陈司晗.黑龙江科技大学 2019
[2]煤岩失稳破坏声发射—微震特征及在冲击地压预测中应用[D]. 蒋军军.煤炭科学研究总院 2016
[3]基于声发射技术的氨制冷系统压力容器在线安全检测研究[D]. 赵淑珍.山东大学 2014
[4]基于LabVIEW的光纤光栅声发射传感系统设计[D]. 夏明俊.山东大学 2014
[5]具有无线传输功能的数显扭矩测量系统的研究与开发[D]. 黄兴伟.浙江工业大学 2012
[6]用于声发射探测的塑料光纤传感器研究[D]. 徐莎莎.哈尔滨工程大学 2012
[7]烟花爆炸优化算法及其改进研究[D]. 贾红.华中科技大学 2010
[8]深部开采复合顶板层间规律研究[D]. 杨蔡君.安徽建筑工业学院 2010
[9]光纤声发射检测与定位的理论及实验研究[D]. 刘俊锋.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3076008
【文章来源】：黑龙江科技大学黑龙江省
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Sagnac光纤声发射传感器的结构
硕士学位论文12果传感探头没有接收到信号，则光束不会被干扰；若有信号对传感探头作用时，光波的相位就会被调制。当传感探头接收到AE信号时，两束光束的相位被调制，这将导致非互易的相移，此时可根据两光束的变化判断声发射信号的大致方向。则光电探测器PD被传达的顺时针光束的场强E1和逆时针光束的场强E2表示如下])([111φtωt-js=AeE（2-1）])([222φtωt-js=AeE（2-2）其中A是与3dB耦合器的损耗和入射光的振幅是成正比的常数，是光波的角频率；s是光波的相位变化；1和2表示时间，这两个时间是光通过传感臂抵达检测器所用的[43]；而1和2则分别为两光束的初相位，是由传导光纤的长度所决定的。从上述可以看出，光电探测器检测的光强可用下式表示：I（E+E×）（E+E）cos+[12A=（△+φ△φ]）s2*2121D（2-3）其中）（）（2s1stts（2-4）21（2-5）2.2.2Mach-Zehnder光纤声发射传感器Mach-Zehnder光纤AE传感器的结构图如图2-2所示。图2-2Mach-Zehnder光纤AE传感器的结构Figure2-2PrincipleoftheMach-ZehnderOpticalFiberAcousticEmissionSensor此传感器检测灵敏度为：)(2221110maxNiiDCJkRnV（2-6）
硕士学位论文14图2-3DFB光纤激光器的结构Figure2-3PrincipleoftheDFBOpticalFiberSensor相移光栅的相移量是通过遮挡法实现的，其掺铒光纤的折射率为：)](2cos[1)()(effeffzzvznnzneff（2-7）式中，neff——光纤纤芯的平均折射率，zn)(eff——平均折射率变化量，v——调制因子，——光栅周期，为附加相位量。相移光栅的折射率调制成余弦分布，由于存在相位突变（)(z不为0）使光谱中存在一个透射窗口，由相移量确定窗口的中心波长。当)(z时，其波长为布拉格波长B，即：effB2n（2-8）2.4强度调制型光纤声发射传感器强度调制是一种通过声发射信号变化引起光纤中光强度变化时通过测量光强度的变化来检测声发射信号的方法。光纤传感中最早使用的方法是强度调制，它具有技术简单，成本低的优点，在不要求声发射源定位的低精度场合有一定的应用[47]。缺点是难以构成点传感器，灵敏度很低，无法检测到微弱的声发射信号。2.5本章小结本章介绍了几种典型的光纤声发射传感器：相位调制型光纤声发射传感器、波长调制型光纤声发射传感器和强度调制型光纤声发射传感器。并对它的系统结构以及工作原理进行了阐述，为实现精准的煤矿井塌方预测提供理论依据
【参考文献】：
期刊论文
[1]Machine learning methods for rockburst prediction-state-of-the-art review[J]. Yuanyuan Pu,Derek B.Apel,Victor Liu,Hani Mitri. International Journal of Mining Science and Technology. 2019(04)
[2]基于GMM模型的煤矿顶板事故致死人数预测[J]. 李闯,袁梅,王玉丽,许石青,杨萌萌. 工业安全与环保. 2017(08)
[3]声发射监测评价冲击地压危险状态的机制及应用研究[J]. 杨磊,冯美华. 煤矿开采. 2016(06)
[4]基于SPSS软件的煤矿安全事故分析及预测[J]. 徐金潇. 能源技术与管理. 2015(06)
[5]我国煤矿冲击地压的研究现状:机制、预警与控制[J]. 姜耀东,赵毅鑫. 岩石力学与工程学报. 2015(11)
[6]基于Sagnac光纤声发射传感器研究[J]. 马云栋,李英年,薛为,张璇. 装备制造技术. 2015(07)
[7]基于新阈值函数的小波阈值去噪算法及仿真[J]. 郭继坤,马鹏飞,赵肖东. 工业仪表与自动化装置. 2015(01)
[8]新型传感网络技术的特征及应用[J]. 吴康. 中国公共安全. 2014(24)
[9]声发射信号分析与处理方法研究进展[J]. 许中林,李国禄,董天顺,刘金海,王海斗,康嘉杰. 材料导报. 2014(09)
[10]矿山灾害在线预测预警系统的设计与实现[J]. 侯志华. 矿业安全与环保. 2012(S1)
博士论文
[1]王家岭煤矿首采工作面的矿压显现特征及关键技术研究[D]. 王国洪.中国矿业大学(北京) 2016
[2]直升机复合材料试件声发射信号处理算法研究[D]. 于金涛.哈尔滨工业大学 2012
[3]矿井顶板（围岩）状态监测及灾害预警系统研究及应用[D]. 连清旺.太原理工大学 2012
硕士论文
[1]矿井下分布式光纤定位范围及精度研究[D]. 陈司晗.黑龙江科技大学 2019
[2]煤岩失稳破坏声发射—微震特征及在冲击地压预测中应用[D]. 蒋军军.煤炭科学研究总院 2016
[3]基于声发射技术的氨制冷系统压力容器在线安全检测研究[D]. 赵淑珍.山东大学 2014
[4]基于LabVIEW的光纤光栅声发射传感系统设计[D]. 夏明俊.山东大学 2014
[5]具有无线传输功能的数显扭矩测量系统的研究与开发[D]. 黄兴伟.浙江工业大学 2012
[6]用于声发射探测的塑料光纤传感器研究[D]. 徐莎莎.哈尔滨工程大学 2012
[7]烟花爆炸优化算法及其改进研究[D]. 贾红.华中科技大学 2010
[8]深部开采复合顶板层间规律研究[D]. 杨蔡君.安徽建筑工业学院 2010
[9]光纤声发射检测与定位的理论及实验研究[D]. 刘俊锋.哈尔滨工程大学 2009
本文编号：3076008
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