專利名稱：一種巖塊回轉(zhuǎn)角測試傳感器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煤礦技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種巖塊回轉(zhuǎn)角測試傳感器及方法。
背景技術(shù)：
在煤礦開采活動中，下部煤層開采后由于下部懸空，必將引起上覆巖層的破斷、垮落。但由于巖石的強(qiáng)度較大，破碎的巖塊在垮落時將會由于相互的回轉(zhuǎn)而形成一定的結(jié)構(gòu)， 使其不再垮落。中國礦業(yè)大學(xué)教授、中國科學(xué)院院士錢鳴高提出了 “砌體梁”理論，即破斷巖塊由于互相擠壓形成水平力，從而在巖塊間產(chǎn)生摩擦力，形成了裂隙體梁的平衡關(guān)系，這種結(jié)構(gòu)稱之為“砌體梁”，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中α為巖塊回轉(zhuǎn)角。“砌體梁”理論已被相似模擬實驗及現(xiàn)場實踐所證明，特別是通過相似模擬實驗可以直觀地觀察到砌體梁的存在。但從“砌體梁”理論提出至今的幾十年中，巖塊之間的回轉(zhuǎn)角度從未被測試，人們都是通過直觀的觀察來確定。但對于立體相似模擬實驗或現(xiàn)場，無法被觀察時回轉(zhuǎn)角是無法得出的。無法得出回角就無法獲得巖梁結(jié)構(gòu)，也就不能判斷巖層的穩(wěn)定關(guān)系。從而使人們對巖梁結(jié)構(gòu)的形成只停留在“猜想”狀態(tài)。光纖光柵是20世紀(jì)90年代以來國際上新興的一種有著廣泛應(yīng)用前景的、性能優(yōu)良的反射濾波無源敏感元件，通過Bragg光柵反射波長的移動來感應(yīng)外界微小應(yīng)變變化而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)在線測量。其基本原理為當(dāng)光纖中的光波通過光柵時，滿足光柵波長條件的光被反射回來而成為反射光，其余的光成為透射光，外界參量的變化將引起反射光波長的漂移，而通過對波長漂移量的檢測即可得到外界參量的變化量。溫度和應(yīng)變是最能直接改變反射波長的外界參量。光纖光柵結(jié)構(gòu)如圖2所示，Λ為光柵周期；圖3為光通過光柵時的能量分配圖，其中3-1為入射光譜，3-2為反射光譜，3-3為透射(傳導(dǎo))光譜，橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示能量，Xb*反射光的中心波長。光纖光柵具有極高的測試精度，且不受電磁輻射等外界干擾，除此以外還具有易于布設(shè)、準(zhǔn)分布式測量等多種優(yōu)點，鑒于此，該項技術(shù)具有在航空航天、復(fù)合材料、混凝土結(jié)構(gòu)工程、電力工程及醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種以光纖光柵傳感原理為基礎(chǔ)的巖塊回轉(zhuǎn)角測試傳感器，并提供了一種使用本發(fā)明傳感器測試巖塊之間的回轉(zhuǎn)角度的方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種巖塊回轉(zhuǎn)角測試傳感器，包括合葉裝置、彈性裝置、光纖光柵合葉裝置可以繞軸自由旋轉(zhuǎn)，將所述彈性裝置的兩端分別固定在合頁裝置的兩頁上，所述光纖光柵粘貼在所述橡皮筋的表面。所述的巖塊回轉(zhuǎn)角測試傳感器，所述彈性裝置為橡皮筋。一種測量巖塊之間的回轉(zhuǎn)角度的方法，將所述巖塊回轉(zhuǎn)角測試傳感器埋入相似模擬實驗的模擬巖層中，下部煤層開采引上覆巖層的破斷、回轉(zhuǎn)時，將引起所述合頁裝置的兩片合葉的轉(zhuǎn)動，帶動粘貼其上的橡皮筋產(chǎn)生伸縮變形，引起光纖光柵的應(yīng)變變化，通過對所述光纖光柵的應(yīng)變測量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可得到巖塊之間的回轉(zhuǎn)角。通過光纖光柵測試巖塊之間的回轉(zhuǎn)角度，提出光纖光柵巖塊回轉(zhuǎn)角的測試量方法與技術(shù)，形成以此為基礎(chǔ)的傳感結(jié)構(gòu)，為煤礦開采現(xiàn)場實踐提供更多依據(jù)。


圖1為砌體梁結(jié)構(gòu)示意圖；圖2光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為光通過光柵時的能量分配圖；圖4本發(fā)明傳感器結(jié)構(gòu)示意5為圖4的局部放大圖；圖6本發(fā)明測試過程電路原理示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。1、傳感器結(jié)構(gòu)
本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)如圖4、圖5所示，包括合葉裝置10、彈性裝置(本實施例采用橡皮筋20，也可采用其他彈性部件，例如彈簧等)、光纖光柵30。合葉裝置10可以繞軸自由旋轉(zhuǎn)，將所述橡皮筋20的兩端分別固定在合頁裝置10的兩頁上，固定時使橡皮筋20保留一定的拉伸自由度，將所述光纖光柵30粘貼在橡皮筋的表面。3、傳感器工作原理將本發(fā)明的傳感器埋入相似模擬實驗的模擬巖層中，下部煤層開采引上覆巖層的破斷、回轉(zhuǎn)時，必將引起所述合頁裝置的兩片合葉的轉(zhuǎn)動，帶動粘貼其上的橡皮筋20產(chǎn)生伸縮變形，引起光纖光柵30的應(yīng)變變化，通過對光纖光柵的應(yīng)變測量，再進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，即可得到巖塊之間的回轉(zhuǎn)角α。4、測試過程如圖6所示，光纖光柵30通過外部引線與解調(diào)儀40連接，解調(diào)儀40通過網(wǎng)絡(luò)連線41與外接計算機(jī)42相連。解調(diào)儀40發(fā)出光信號，至光纖光柵30后，滿足反射條件的光被反射回來，反射光返回解調(diào)儀40，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換21生成電信號、數(shù)據(jù)采集22生數(shù)字信號 32，數(shù)字信號32經(jīng)過波長計算23、數(shù)據(jù)分析Μ，通過此過程可獲得反射波長的變化信息，再通過數(shù)據(jù)處理求可得到回轉(zhuǎn)角度的變化。應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換， 而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種巖塊回轉(zhuǎn)角測試傳感器，其特征在于，包括合葉裝置、彈性裝置、光纖光柵；合葉裝置可以繞軸自由旋轉(zhuǎn)，將所述彈性裝置的兩端分別固定在合頁裝置的兩頁上，所述光纖光柵粘貼在所述橡皮筋的表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖塊回轉(zhuǎn)角測試傳感器，其特征在于，所述彈性裝置為橡皮筋。
3.一種測量巖塊之間的回轉(zhuǎn)角度的方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1或2所述傳感器進(jìn)行測量，將所述巖塊回轉(zhuǎn)角測試傳感器埋入相似模擬實驗的模擬巖層中，下部煤層開采引上覆巖層的破斷、回轉(zhuǎn)時，將引起所述合頁裝置的兩片合葉的轉(zhuǎn)動，帶動粘貼其上的橡皮筋產(chǎn)生伸縮變形，引起光纖光柵的應(yīng)變變化，通過對所述光纖光柵的應(yīng)變測量，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即可得到巖塊之間的回轉(zhuǎn)角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種巖塊回轉(zhuǎn)角測試傳感器，包括合葉裝置、彈性裝置、光纖光柵；合葉裝置可以繞軸自由旋轉(zhuǎn)，將所述彈性裝置的兩端分別固定在合頁裝置的兩頁上，所述光纖光柵粘貼在所述橡皮筋的表面。還公開了一種測量巖塊之間的回轉(zhuǎn)角度的方法，通過光纖光柵測試巖塊之間的回轉(zhuǎn)角度，提出光纖光柵巖塊回轉(zhuǎn)角的測試量方法與技術(shù)，形成以此為基礎(chǔ)的傳感結(jié)構(gòu)，為煤礦開采現(xiàn)場實踐提供更多依據(jù)。
文檔編號G01B11/26GK102183220SQ201110047058
公開日2011年9月14日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者柴敬, 許力, 魏世明 申請人:河南理工大學(xué)