郭 锋 1 ，韩 辉 2 ，宋光状 2
（1.山东兖州市大统矿业有限公司，山东 兖州 273155；2.兖矿集团机电设备制造厂，山东 邹城 273500）
摘 要 结合煤矿井下液压支柱压力传感探头，基于布拉格光栅的传感模型，设计了一 种新颖的基于金属弹性膜片的压力传感器，这种传感器将布拉格光栅粘贴在金属膜片的中 央，通过光纤光栅解调仪监测布拉格波长的漂移，给出了光纤布拉格光栅的布拉格波长偏移 量与压力的关系表达式。实验结果表明, 该传感器的压强响应灵敏度系数的实验值约为 0.024 nm/MPa，是裸光纤光栅压强灵敏度系数的接近 10 倍。另外,传感器在所测压强范围内呈现出 较好的线性特性、重复性，适合于易燃易爆场合的较大范围内的矿山井下的液体压强测量。
关键词 光纤布拉格光栅；光纤光栅压力传感
引言
压强作为工业传感中最基本的参数之一，准 确、安全、可靠地测量其大小，在许多易燃、易爆的 场合，对保证工业生产过程的安全和经济效益意义 重大。传统的压强测量方法主要有液柱式、负载平 衡式和弹性元件式。其中, 弹性元件式测压方法应 用比较广泛, 主要原理是弹性元件在压强的作用下 变形产生位移或应变, 通过精确检测这个位移或应 变达到测量压强的目的。现在市场上的压力仪表、 传感器基本都属于弹性元件式测量原理，具体有指 针式、应变式、电容式、压电式等[1]。
光纤 Bragg 光栅作为一种新型的光无源器件， 具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、抗辐射性能好、 耐腐蚀、传输距离远和灵敏度高等优点，它实质上 是一个在纤芯内部形成的窄带（透射或反射）滤波 器，对温度和应变都比较敏感，采用波长绝对编码 技术，通过测量中心反射波长的漂移量获得测量物 理量，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强 电磁干扰等恶劣环境下使用，可以直接或间接监测 应变、温度、裂缝、位移、振动、腐蚀、应力等物理量， 广泛用于土木工程、航空航天工业、船舶工业、电力 工业、石油化工、核工业、医学等领域[2]。
本文将 FBG 与一个金属弹性膜片相结合，构成 煤矿井下液压支柱的光纤 Bragg 光栅压强传感器， 实验表明，中心波长的漂移与压强之间存在着较好 的线性、重复性，反射波长的半波带宽与压强之间 也存在着线性，并且该传感器有较大的量程 0~50MPa，在实际应用领域有较好的前景。
2 FBG 传感理论和压力传感器机械结构设计
2.1 FBG 传感原理
光纤布拉格光栅实质上是一个在纤芯内部形成 的窄带（透射或反射）滤波器，其滤波特性决定于光栅 本身的物理参数。当沿纤芯传播的光在每个光栅面发 生散射时，如果满足布拉格条件，每个光栅平面反射 回来的光将逐步累加，最终在反向形成一个反射峰， 其中心波长由光栅本身的物理参数决定。而与 Bragg 波长不相符的光，也就是不满足 Bragg 条件的光，在 每个光栅平面的反射会非常微弱，图 1 是 FBG 的反 射特性示意图。传感的基本原理是利用光纤光栅的有 效折射率和光栅外界参量的敏感特性，将外界参量的 变化转化为其 FBG 中心波长的移动，检测光栅反射 的中心波长移动实现对外界参量的测量。
图 1 FBG 的反射特性示意图
光纤 Bragg 光栅中心波长取决于光纤折射率调 制的变化以及空间分布的周期，即光纤光栅的 Bragg 波长取决于光栅周期 Λ 和反向耦合模的有 效折射率 neff。任何使这两个参量发生改变的物理 过程都将引起光纤 Bragg 波长的飘移。FBG 中心波 长由下式确定
λB=2neffΛ （1）
应变、应力和温度是在所有引起光栅 Bragg 波 长漂移的外界因素中，最直接改变光纤 Bragg 光栅 波长的物理量，因为无论是应力的变化还是温度的 改变，都将直接导致光栅周期的变化，并且光纤材 料的弹光效应和热光效应使得光纤 Bragg 光栅的有 效折射率发生变化。通过检测光纤光栅波长的变 化，就可获得温度、应力、应变等信息。
当外界环境温度不变时，光纤 Bragg 光栅只受 应力作用，其中心反射波长的变化量为
ΔλB=2neffΔΛ+2ΔneffΛ （2）
式中：ΔΛ- 光纤本身在应力作用下的弹性形变， Δneff- 光纤的弹光效应。
在轴向应力作用下，波长变化量和轴向应变之 间的关系为[4]
ΔλB/ λB =（1- Pe ）ε （3）
式中：Pe=n2 eff[P12- μ（P11+P12 ）]/2 为光纤的有效弹光 系数，P11 和 P12 为弹光系数，μ 为泊松比，ε 为光纤 光栅的轴向应变，对于石英光纤 Pe=0.216，应变灵敏 度系数为 7.84×10- 7 。
2.2 传感器机械结构及受力分析
光纤 Bragg 光栅压强传感器的实物图如图 2 所 示，通过预紧装置将 FBG 预拉之后，采用氰基丙烯 酸脂 502 T- 1 粘合剂纵向将光纤布拉格光栅沿金属 膜片径向粘贴在平面膜片上的中心制作成 FBG 压强 传感器，一段固定在膜片上，另一端通过光纤引出。
当从金属弹性膜片一段施加压力时，膜片在压力 作用下产生形变，即会从平直变为弯曲，由于 FBG 粘 贴在金属膜片的表面，也会随着膜片弯曲，膜片低压 侧表面每一点都会受到沿半径方向的径向力和垂直 于中心面的切应力两个作用[5] ，光栅主要受径向拉力 作用。
图 4 光栅受力示意图
由膜片形变理论可知，膜片中心处径向应力最 大，边缘处最小，故中心处光栅的形变量最大，沿半 径方向到边缘处逐渐减小。膜片中心径向应变最 大，为
εr= 3p/ 8t2 E（1- μ2 ）R2 （4）
FBG 各点应变不同,平均应变由下式等效表示[6]
ε=K 3p /8t2 E（1- μ2 ）R2 （5）
式中：K 为一系数,其值与膜片尺寸、FBG 粘贴位置 有关；p 为膜片两端压强差；t 为膜片厚度；R 为膜片 半径；E 为膜片材料的弹性模量；μ 为膜片材料的 泊松比。 将式 5 代入式 3 得
ΔλB=K 3p/ 8t2 E（1- μ2 ）R（2 1- Pe）λB （6）
从式中可看到, 布拉格波长偏移量 ΔλB 与压 强 p 成线性关系。
3 实验原理与结果分析
3.1 实验原理
本实验将光栅粘于探头的金属弹性膜片中央，用 光纤引出接到光纤光栅解调仪 sm125 的某一通道， 然后将光纤光栅解调仪通过对等网线和计算机相连， 通过监测与分析软件来监测光栅布拉格波长的漂移。
本传感探头采用中心波长为 1545nm 的布拉格 光栅，实验中保持室温 10℃不变，让光栅只受应力作 用，弹性膜片受压变形鼓起带动光栅一起变形，光栅 径向发生形变，光栅周期 Λ 和光弹系数 Pe 均发生变 化，从公式 1 知，光栅的中心波长会变大，发生漂移。
3.2 实验结果与分析
实验中，从 0 MPa 开始,依次增加压力,每次增加 5 MPa，一直到 60MPa。每增加一次压力通过计算机的 监测软件读一次数，记录 FBG 中心反射波长的值，监 测其波长的漂移情况。实验过程中保持室温不变，同 时记录光谱图的变化。图 3 是 FBG 的峰值波长随压 强加卸载的响应曲线。最小二乘拟合直线为λB=0. 023794p+1545.3
图 5 光栅峰值波长与压强的关系曲线
从图 5 中数据曲线可知，光栅的中心波长随压 强的不断增大而逐渐变大，这是由于光栅侧向受压 弯曲导致光栅各点伸长，光栅周期 Λ 变大，同时应 变也会引起光弹效应，两者导致峰值波长向右漂 移。图中红线为加载曲线，绿线为卸载曲线，蓝线为 加载拟合直线，根据拟合情况可以看出光栅的线性 度很好。，压强灵敏度为 23.794pm/MPa，是裸栅的 8 倍左右，灵敏度稍低但测量范围大，达到 50MPa 左 右。加载与卸载曲线比较一致，说明传感器基本没 有迟滞，多次加载的灵敏度分别为 24.156 pm/MPa， 22.983 pm/MPa，和 23.794 pm/MPa。
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。
便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。
具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。
上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同：
63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。
下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。
支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。
便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。
钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。
螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。
特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。
乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，乾坤矿装的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，乾坤矿装不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。
其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。
便携式螺旋支柱适用范围：
1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；
2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；
3、巷道破碎进行永久支护前。
便携式螺旋支柱使用方法和要求：
1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。
2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。
3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。
4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。
5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。
6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。
7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。
便携式螺旋支柱使用规定
1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。
2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。
3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。
4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。
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