开采环境智能感知（中篇共上中下3篇）

《开采环境智能感知》目录

一光纤基本结构及传输理论光纤光栅传感原理与特征参数

二光纤光栅传感特性

三第四章开采环境光纤光栅感知技术光纤光栅传感关键理论及技术

四四、开采环境光纤光栅感知技术4.1光纤基本结构及传输理论光纤（光导纤维）是工作在光波波导的一种介质波导，因其具有数据容量大、耐久性好、传输快、价格低廉等优点，已经广泛应用于通信领域。光纤纤芯和包层是光纤的主体，对光波的传输起决定性作用，光纤的纤芯由纯石英（成分为SiO2）组成，光纤纤芯中含有少量的掺杂剂，如硼或锗，目的是为了提高光纤纤芯的折射率，形成全内反射条件下传导光波限制在光纤纤芯中，包层的折射率稍小于光纤纤芯的折射率，为光波在光纤中的全内反射提供条件。4.1.1光纤基本结构四、开采环境光纤光栅感知技术光波在光纤中的工作传输原理是基于光的全反射现象。当光波在纤芯内传输时，由于光纤纤芯折射率大于包层折射率，则当满足数值孔径要求的光束传输到纤芯和包层的光纤界面时，在光束入射角大于临界角情况下，入射光束将不发生折射，全部沿着光纤纤芯反射向前传播。光纤按传输模式分为单模光纤（纤芯中只传输一种模式的光波）和多模光纤（纤芯中传输多种模式的光波）。光纤能把以光波形式出现的电磁波能量利用全内反射的原理将其约束限制在光纤纤芯内，并引导光波沿着光纤轴线的方向向前传播。四、开采环境光纤光栅感知技术4.1.2光纤光栅耦合模理论耦合模理论是由Yariv应用于光波导分析而开发出来的，后经Mizrahi和Erdogan等学者的改进，将其成功地应用于FBG的理论分析。四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术4.1.3光纤光栅传输矩阵理论在光纤光栅的实际测量中，往往会处于非均匀的应变场，而且，为了实现某种功能，也会采用周期不均匀的光纤光栅。对于此类光纤光栅，原本均匀一致的周期和相位将不复存在，导致耦合模方程不再是常系数一阶微分方程，使得求解更加复杂，很难直接求出解析解。问题Yamada提出了传输矩阵法将一个均匀或非均匀周期的布拉格光纤光栅看成是由一系列小的均匀周期的布拉格光纤光栅串联而成，这样，只要将每一小段的均匀周期光纤光栅的传输矩阵相乘，即可以得到整个布拉格光纤光栅的传输矩阵，所以非常适用于非均匀周期的光纤光栅或均匀的光纤布拉格光栅受非均匀应力应变作用等情况。四、开采环境光纤光栅感知技术将长度为L的非均匀周期光纤光栅或多周期的均匀光纤光栅近似地看做由m段均匀的周期光纤光栅的串联叠加而成，每一段光纤光栅传输特性用一个2×2的传输矩阵表示。由耦合模理论可以得到每小段光纤光栅的耦合模方程解析解，然后将各个传输矩阵一次相乘就是光纤光栅的传输光谱，利用传输矩阵理论分析方法为非均匀光纤光栅及均匀周期光纤光栅受非均匀应力应变作用下的光谱传输特性提供理论依据。coupled

mode

theorycoupled

mode

theory四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术参数取值/m-1参数取值/m-1b0.01b0.1b0.03b-0.06b0.06b-0.1

应变函数参量b的取值方案非均匀应变的光纤光栅反射图谱四、开采环境光纤光栅感知技术4.2光纤光栅传感原理与特征参数光纤光栅制作和写入技术有：相位掩模板技术、全息成栅技术、振幅掩模技术、在线写入技术和逐点写入技术等。4.2.1光纤光栅制作通过压制紫外光束的衍射光，有效利用±l阶衍射光束通过相位掩模板形成的空间干涉条纹照射掺锗的光纤，光纤纤芯经过一定时间的照射后，纤芯内的折射率便会发生永久性的改变，形成了永久性的周期性折射率调制四、开采环境光纤光栅感知技术4.2.2光纤光栅传感原理光纤光栅结构及传感原理图，(a)光纤束，(b)光纤横截面，(c)光纤光栅结构，(d)光纤光栅传感原理四、开采环境光纤光栅感知技术光纤布拉格光栅反射波长的基本关系式为：其中：为光纤布拉格光栅反射后的中心峰值波长，通常在1510~1590nm；为光纤传播时纤芯的有效折射率通常取1.33~1.55；为相邻光栅之间的栅距，称作光纤光栅周期。四、开采环境光纤光栅感知技术4.2.3光纤光栅主要特征参数

在进行光纤光栅传感器设计研制时，光纤光栅是决定传感器性能优良的重要环节，可以通过其主要特征参数进行评价。名称单位参数中心波长nm1510~1590光栅长度mm10反射率%≥90反射带宽nm≤0.3边模抑制比dB≥15光栅阵列波长间隔nm5四、开采环境光纤光栅感知技术4.3光纤光栅传感特性4.3.1光纤光栅应变传感特性

目前各种光纤光栅传感器基本上都是通过被测量来直接或间接改变光纤光栅反射中心波长，达到被测物理量感测的目的。光纤光栅解调仪

研究光纤布拉格光栅的应变感知模型及传感特性、温度感知模型及传感特性、应变感知的温度补偿以及应变-温度交叉敏感耦合效应等是研究开发光纤布拉格光栅传感器的基础。直接间接中心波长物理量四、开采环境光纤光栅感知技术

当温度保持恒定时，光纤光栅只受到轴向应力应变情况下，中心波长将会跟着发生漂移变化，研究光纤光栅应变感知特性之前，做如下假设：（1）在研究的应力应变范围内，假定光纤光栅看作为理想的弹性体，遵循胡克定律，且在其内部不发生剪切应力应变；（2）假定折射率变化在光纤光栅横截面均匀分布，且这种折射率变化对光纤本身材料特性及各向同性特点不产生影响。

基于以上两点假设，建立光纤布拉格光栅的应力应变感知模型四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术中心波长取1550nm，光栅长度为10mm，光栅周期为527.9nm，轴向应变分别为2000με、1000με、0με、-1000με、-2000με时的反射光谱从图中可以看出对于均匀周期光纤光栅，在其受静态应变时，光纤光栅的反射光谱只是整体波长发生偏移，而其光谱形状并不发生改变。四、开采环境光纤光栅感知技术光纤光栅中心波长（nm）每微应变下波长变化（pm）15401.201215451.205115501.20915551.212915601.216815651.2207取中心波长为1540nm、1545nm、1550nm、1555nm、1560nm、1565nm，可计算得每微应变导致的波长变化

可见，对于1550nm的光波波段，单位微应变导致的反射中心波长变化约为1.2pm，即光纤光栅应变灵敏度为1.2pm/με。中心波长变化不大时，光纤光栅应变灵敏度相差不大，但是由于实际应用中采用的光纤不同、写入光栅的工艺方法不同以及退火工艺的差别，导致不同光纤光栅的传感灵敏度会有差异，因此不同的光纤光栅必须经过标定才能用作实际测量。四、开采环境光纤光栅感知技术4.3.2光纤光栅温度传感特性

当光纤光栅处于不受外力作用的自由状态时，如果温度发生改变，光纤自身材料如热光效应、热膨胀效应会引起光纤光栅反射中心波长发生漂移。光纤材料的热光效应使光纤光栅的折射率发生改变，热膨胀效应会使光栅的周期发生改变。为了得到光纤光栅温度感知特性，作以下假设：（1）假定光纤光栅处于均匀的温度场中，不考虑光栅不同位置的温差效应，同样忽略光纤光栅不同位置温差引起的热应力效应；（2）假定光纤光栅处于光纤材料的线性热膨胀范围，不考虑温度的变化对热膨胀系数的影响，即认为在测量范围内的热膨胀系数保持不变；（3）假定光纤光栅反射中心波长在其波长变化范围内，光纤材料的热光系数保持不变。四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术

可以看出当光纤光栅材料确立之后，光纤光栅对温度的灵敏度系数基本上是一个常数，这就从理论上保证了采用光纤光栅作为温度传感器进行温度感知测量时可以得到很好的线性输出。四、开采环境光纤光栅感知技术光纤光栅中心波长（nm）每单位温度波长变化（pm）154011.627154511.665155011.701155511.74156011.778156511.816可见，对于1550nm的光波波段，单位温度变化导致的光纤光栅反射中心波长变化约为11.7pm，即光纤光栅温度灵敏度为11.7pm/℃。中心波长变化不大时，光纤光栅温度灵敏度相差不大。四、开采环境光纤光栅感知技术4.3.3光纤光栅应变-温度交叉传感特性

根据以上的分析，光纤光栅是一种对应变和温度都同时敏感的传感元件，仅测量单个的光纤光栅中心波长漂移量，很难区别出应变和温度分别造成的波长变化，由前两节的应变和温度感知模型分析可知，对于中心波长在1550nm的波段，其应变灵敏度约为1.2pm/με，温度灵敏度约为11.7pm/℃，温度灵敏度相当于应变灵敏度的10倍，因此当温度变化较大的环境中使用光纤光栅做传感器件必须考虑温度的影响，需要剔除应变-温度耦合感知的作用，否则会因为温度变化导致测量精度的不准确。应变单独引起的波长漂移为：

通过公式就可以实现温度的补偿，另外，在同一个温度场中，可以使用一个光纤光栅温度传感器实现多个光纤光栅应变的温度补偿，进而消除应变-温度耦合感知效应。四、开采环境光纤光栅感知技术4.3.4光纤光栅准分布式传感特性光纤光栅准分布感知模型四、开采环境光纤光栅感知技术4.4光纤光栅传感关键理论及技术4.4.1光纤光栅应变传递机制目前传感用的光纤光栅多为石英光纤写入制作，其主要成分为二氧化硅，是一种脆性材料，而且光纤光栅纤细、易损、脆弱，抗剪切能力较差，直接应用的存活率极低，因此在实际工程应用中必须涂覆封装成光纤光栅传感器，将光纤光栅传感器安装被测基体上，从而获取被测基体的应力应变信息。四、开采环境光纤光栅感知技术

光纤光栅传感器感应到的应变是基体通过封装材料传递给传感元件的应变，使光纤光栅和基体之间形成一个涂覆层和粘结层，其物理力学特性与光纤光栅存在较大差异，以致光纤光栅传感器的测量应变和被测基体的真实应变不一致，二者之间的差别也就是光纤光栅感知测量误差，误差主要来源有基体材料、封装材料以及感知元件之间的应变传递。四、开采环境光纤光栅感知技术4.4.1.1应变传递模型及基本假定基体表贴光纤光栅感知传递模型：(a)三维模型，(b)俯视图，(c)正视图，(d)侧视图四、开采环境光纤光栅感知技术（1）假设光纤的纤芯和包层这两个具有相同的物理力学特性和材料属性，并将两者看作一个整体。实际上这两者力学特性会有不同，如光纤纤芯的折射率较大，而且由于在光纤纤芯内要进行激光写入光栅，但这些对纤芯的物理力学特性改变不大。为了本论文力学推导的方便，将纤芯和包层看作为一个整体。（2）基体结构、胶结层、光纤纤芯和光纤包层物理性质上都为均匀各向同性，且都处于线弹性范围状态，不考虑塑性变形状态。四、开采环境光纤光栅感知技术（3）基体结构与胶结层、胶结层与光纤的接触面之间保持完整的接触面，保证各层之间结合紧密，没有相对滑移甚至脱落。（4）整个模型只有基体结构受沿光纤轴向方向的均匀应变，不考虑径向应变，胶结层和光纤的两端和自由面不直接受力，都是通过层间的剪应力应变进行传递。（5）各层内的剪切应力应变线性分布，且各层同步变形，具有相同的应变梯度。（6）胶结层受力作用之后后同样反作用于基体结构。（7）不考虑环境温度、湿度效应的影响。四、开采环境光纤光栅感知技术4.4.1.2应变传递理论分析

将光纤光栅粘贴于基体结构表面时，作为传感元件，粘贴式光纤光栅本身并未受到外力的作用，基体材料的变形通过粘接剂传递到光纤光栅传感元件，使其产生伸长或缩短，进而导致光纤光栅传感元件的反射光波长发生改变。而实际上，光纤感知到的应变为胶结层内表面的应变，与实际的基体结构应变并不相同。因此，为了搞清楚实际的基体结构应变，需要对基体结构、胶结层和光纤三者之间力学关系进行详细分析。四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术四、开采环境光纤光栅感知技术

由图可以看出，由于胶结层的存在，使基体的应变和光纤的应变不相同，在基体结构表面粘贴长度范围内，感知传递最大的部位在中间位置（x=0的点）。

通过上述分析可知，基体结构表面粘贴光纤光栅时，光纤光栅感知的轴向应变并不是均匀分布的，而沿轴向方向呈现中间大、两边小的“倒盆形”分布规律。四、开采环境光纤光栅感知技术

在基体表贴光纤光栅的实际感知测量时，沿粘贴长度方向每一点处的应变值不可能得到，而且光纤光栅所感知的应变是整个胶结长度有效范围内的平均应变值，因此必须求得基体结构与光纤光栅的平均应变感知传递率（平均应变感知传递因子），而平均应变感知传递率才是最能够反映出基体结构真实的变形状态。在整个胶结长度范围内光纤与基体结构之间的平均应变感知传递因子为：

由平均应变感知传递因子公式（7-76）可知，基体结构表面粘贴光纤光栅胶结长度范围内平均应变传递因子主要取决于胶结长度Lg和感知滞后因子k，而感知滞后因子由光纤、胶结层和基体的物理参数决定。四、开采环境光纤光栅感知技术4.4.1.3应变传递影响因素分析（1）胶结层长度（光纤粘贴长度）的影响

从图可以看出，随着胶结层长度的增加，基体结构表面粘贴光纤光栅的平均应变感知传递因子逐渐增大，传递效率达到95%以上，即表示应变感知传递变得更加充分，但变化幅度越来越平稳，即表示长度增加到一定程度后，传递效率趋于平稳，因此在实际的光纤光栅封装时，要尽可能的增加胶结长度来满足更高的应变感知传递效率。四、开采环境光纤光栅感知技术

但是在实际工程应用时，不可能一味的增加其长度，还要考虑过长会影响测量点的精准度，另外对于被测基体结构较小或者光纤光栅传感器的安装空间不大时，又希望光纤光栅传感器的长度尽可能小。为了兼顾上述两个方面，需要选择合适的胶结层长度，据此提出基体结构表贴光纤光栅的有效感知长度（EffectiveSeningLength，ESL），定义光纤光栅传感器在至少一半的粘接长度范围内，应变感知传递因子不小于90%的粘贴长度为有效感知长度。在此范围内，基体结构的应变能够得到充分的感知传递，即(7-77)由上式可解得表贴光纤光栅的有效感知长度为：

(7-78)四、开采环境光纤光栅感知技术（2）胶结层宽度的影响

从图可以看出，随着胶结层宽度的增加，平均应变感知传递因子逐渐增大，传递效率能够达到92%以上，但变化幅度并不大，说明胶结层宽度对平均应变传递的影响不大，因此在实际的光纤光栅封装时，在保障光纤光栅-基体之间粘贴牢固情况下，可以适当增加胶结层宽度，但宽度过大会对传感器布置工艺及基体结构的应力场分布产生影响，综合考虑胶结层宽度一般取1~3mm，本文理论分析时取2mm。四、开采环境光纤光栅感知技术（3）胶结层厚度的影响从图可以看出，平均应变感知传递因子随胶结层厚度的增大而变小，即厚度越大，感知传递越不充分，因此在保证基体-光纤光栅牢固情况下，胶结层越薄应变传递感知越充分，综合考虑本论文选取胶结层厚度为1mm。四、开采环境光纤光栅感知技术（4）胶结层弹性模量的影响

从图中可以看出，胶结层弹性模量越大，平均应变感知传递因子越小，但从平均应变感知传递因子的变化范围来看，胶结层的弹性模量对传递效率的影响不大。（5）胶结层泊松比的影响

从图7-18可以看出，平均应变感知传递因子几乎不受泊松比的影响，因此在实际封装应用中可以忽略胶结层泊松比对应变感知传递效率的影响。四、开采环境光纤光栅感知技术（6）基体剪切模量的影响

从图可以看出，随着基体剪切模量（弹性模量）的增大，平均应变感知传递因子越高，但是变化幅度越来越趋于平稳，当剪切模量达到一定值（4GPa）之后，基体剪切模量对平均应变感知传递因子的影响可以不用考虑。因此当基体结构的剪切模量相对于光纤光栅传感器较高时，这种剪切模量的影响可以忽略，不过如果被测基体结构的剪切模量与光纤光栅传感器相接近或者更低时，这种影响将不能忽略，否则会给平均应变感知传递效率的计算带来很大的误差。四、开采环境光纤光栅感知技术

通过以上分析，胶结层的长度和厚度是影响光纤光栅平均应变感知传递的两个重要参数，这两者对应变传递影响的三维图如图所示。

从图中可以得出：①当胶结层长度最大，厚度最小时，平均应变感知传递因子达到最大值；当胶结层长度最小，厚度最大时，平均应变传递因子为最小值。④从两个方向曲线的斜率来看，应变传递受胶结层厚度的影响更明显，所以在这两种因素中，胶结层厚度占主导地位。所以在实际应用中，为了达到一定的平均应变感知传递率，应该首先考虑胶结层的厚度，其次考虑胶结层的长度。③当胶结层厚度一定时，应变传递随着胶结层长度的增加而变大，但是增幅变小。②当胶结层长度较小时，胶结层厚度对应变感知传递的影响十分显著，随着长度的增加，应变传递受胶结层厚度的影响程度逐渐减弱。四、开采环境光纤光栅感知技术4.4.2光纤光栅封装技术4.4.2.1封装材料（1）金属材料。根据用途不同，光纤光栅传感器封装过程中所釆用的金属材料分为三类，一是基体材料的合金刚基片，二是管式封装用到的铜管或其他金属毛细管，三是在光纤光栅金属化工艺中所用到的镍、铜、银等电镀材料。（2）非金属材料。采用胶黏剂封装光纤光栅传感器是目前较为常用的一种封装方法。利用胶黏剂良好的粘贴性使光纤光栅与基体材料紧紧粘贴一起，从而达到传递应变的目的。4.4.2.2封装形式

根据传感器在使用场合及设计结构的不同，可分为保护性封装、敏化封装和补偿性封装。四、开采环境光纤光栅感知技术（1）保护性封装铜片封装光纤光栅传感器示意图管式封装光纤光栅传感器示意图

保护性封装可以保护光纤光栅少受损害，提高传感器的成活率，但是保护性封装较少考虑到传感器的灵敏性，而且不同测试情况对于灵敏度的要求是不同的，有的时候需要提高传感器对某些参数的灵敏度，即进行增敏处理；而有些时候需要降低传感器对其他参数的敏感度，这就需要减敏处理。（2）敏化封装四、开采环境光纤光栅感知技术（3）补偿性封装温度补偿性封装是为了解决温度-应变的交叉敏感问题而提出的一种封装方法，采用这种封装方法，可以删除某一干扰参数。4.4.3解调技术光谱仪检测法原理四、开采环境光纤光栅感知技术匹配光栅滤波法原理可调谐F-P滤波器解调法原理可调F-P滤波器腔结构示意图四、开采环境光纤光栅感知技术4.4.4复用技术

在煤矿开采光纤光栅智能感知应用场合，需要对多个物理参量进行感知监测，包括巷道围岩状态、锚杆载荷、顶板离层、锚杆杆体应力、支架压力、支架倾角等，因此需要布置多个不同类型的传感器，有时对某一个参数测量也需要布置多个传感器，然后综合利用光纤光栅传感器感知的基础信息来了解煤矿开采过程中的各参数演变规律。1）波分复用技术

在光纤光栅传感的实际应用中，光纤光栅传感器的特征参量信息是以波长编码的形式出现的，因此，光纤光栅传感易于实现波分复用(WDM，WavelengthDivisionMultiplexing)，WDM也成为了光纤光栅传感应用的最基本、最常用的复用方法。波分复用传感网络示意图四、开采环境光纤光栅感知技术2）时分复用技术时分复用(TDM，TimeDivisionMultiplexing)是指多路信号可以在同一信道中传输的一种方法，这种复用方式的基本原理是：使多路信号在同一信道中分别占有不同的时间间隙(时隙)，从而在同一信道中传输互不干扰，最终实现多路复用。3）空分复用技术空分复用(SDM，SpaceDivisionMultiplexing)也被称作多路复用，是指利用空间分割成不同信道的一种方法。在光纤光栅传感领域，SDM的实现方式是：利用并行的物理拓扑结构，将光栅按传输信道的不同进行空间编码，从而构成多维的传感网络结构。时分复用传感网络示意图四、开采环境光纤光栅感知技术煤矿开采光纤光栅智能感知网络采用了WDM和SDM的混合复用方法，构建多通道、大容量、多参量的智能感知系统。光纤光栅智能感知系统布置示意图空分复用传感网络示意图四、开采环境光纤光栅感知技术4.4.5传感网络拓扑结构煤矿开采光纤光栅智能感知系统采用复用技术构建的准分布式传感网络中不同反射波长的多个FBG传感器通过串联方式连接至解调仪进行信号的解调。这样，后一个FBG传感器信号的解调依赖于其前面传感器的完好性，如果与其相邻的前一个FBG传感器断裂，则它与其相邻的后面连接的传感器信号将全部得不到解调，造成网络的局部瘫痪，大大降低了系统的可靠性，因此必须设计一种可靠的FBG传感器网络拓扑结构。FBG传感器的最大优点是可以实现准分布式测量，即多个FBG传感器可以采用串联或并联这两种最基本的拓扑结构连接成网络埋置在结构中，实现对被测对象的多点监测，因此网络拓扑结构对光纤传感器网络的可靠性有很大影响。四、开采环境光纤光栅感知技术（a）光纤传感器串联网络拓扑结构（b）光纤传感器并联网络拓扑结构（c）改进的光纤传感器网络拓扑结构

谢谢《开采环境智能感知》目录

一光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式煤矿安全环境智能感知

二光纤传感式工作面装备智能感知

三

四光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用第五章光纤传感式煤矿开采智能感知系统五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.1光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式感知系统概述结合光纤传感技术，创成的新型矿用顶板安全、围岩应力、锚杆（索）受力、支架工作阻力、水压水位、采空区温度、机电设备健康状态、液压支架姿态、采煤机姿态、刮板输送机直线度等实时在线监测系统。通过本系统不仅可以实时掌握巷道围岩与采场顶板状态及其他工况环境煤矿安全状态监测，实现对煤矿安全事故的预测预警，为巷道围岩及采场顶板的稳定程度、环境灾害危险性和机电设备安全性评估提供科学依据，而且也能够有效解决智能工作面液压支架姿态协同控制、采煤机精准定位、刮板输送机直线度监测等关键技术问题。五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.1光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式感知系统结构系统内核：光纤传感式煤矿开采智能感知系统是指在不需要人工直接干预情况下，通过多参量光纤光栅传感器实时采集与分析煤矿开采环境基础信息，对开采过程中的应力、应变、位移、角度、压力等一系列能够反映煤矿安全生产状态的参量进行监测和必要信息获取，在此基础上，结合先进的光纤光栅解调技术、复用技术以及准分布感知方法，提取能够显著反映煤矿开采环境状态的特征参量，评估工作面、巷道及其支护结构的健康状况、可靠性、耐久性及承载能力等，在出现危险状态的早期对隐患进一步发展进行预防控制或加以消除，实现煤矿开采过程中工作面、巷道环境及工作状态的实时在线监测，确保煤矿安全生产并减少维护费用，将有助于提高煤矿开采智能感知水平和监测效率，为智能决策和控制提供数据依据。五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.1光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式感知系统结构可靠性原则先进性原则经济性原则实用性原则扩展性原则光纤光栅传感器，本质安全，抗电磁干扰能力强，可靠性高。采用国内外先进、成熟的技术产品对煤矿安全进行实时在线监测较高的性价比，光纤作为传感介质，不易损坏，降低维护开销系统操作简便，监测软件界面友好，显示直观明了，维护方便在扩展时，前端设备数量灵活增加，但不改变系统的运行方式设计原则五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.1光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式感知系统结构需求分析工作环境恶劣煤矿动压影响大容量在线监测远距离关键位置的监测方法五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.1光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式感知系统结构需求分析传感网络子系统系统架构该子系统位于煤矿开采光纤光栅智能感知系统的最前端，是最基础的部分，也是该智能感知系统的关键部分，其作用是全面地感知获取煤矿开采工作面、巷道围岩及其支护结构等整体和局部特征基础信息数据采集与传输子系统数据采集与传输子系统主要由传感光缆、光纤光栅解调仪和光纤连接配套设备组成，是连接传感网络子系统和数据处理与管理子系统的桥梁数据处理与管理子系统数据处理与管理子系统主要由数据接收计算机、监测服务器和客户端组成。该子系统的主要任务时对数据进行收集、传输、处理、存储与管理工作五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.1光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式感知系统结构光纤传感式煤矿开采智能感知系统整体架构五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.1光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式感知系统结构光纤传感式煤矿开采智能感知系统通过自主研制的系列矿井光纤光栅传感器及工作环境，并按照其功能可分为：光纤传感式煤矿安全环境智能感知系统和光纤传感式工作面装备智能感知系统，光纤传感式煤矿开采智能感知系统组成五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.1光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式感知系统结构根据光纤传感关键技术及煤矿开采智能感知系统的整体架构，采用C/S（客户机/服务器）模式的设计思路，基于C#语言设计开发了光纤光栅智能感知系统软件，主要包括客户端程序、服务器程序和数据库三部分，总体功能结构如图（1）所示，系统软件工作流程如图（2）所示。（1）光纤传感式煤矿开采智能感知系统软件总体结构五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.1光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式感知系统结构（2）光纤传感式煤矿开采智能感知系统软件工作流程图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.1光纤传感式感知系统结构与概述光纤传感式感知系统结构实时显示异常预警监测点定位状态查询报警设定分布式监测能够自动对多种光纤光栅传感器所在区域进行实时监测，计算机实时动态显示监测数据能够自动感知现场监测参量的异常波动，在灾害事故发生前及时预警以电子地图方式实时显示各个监测点位置编号、当前监测数据以及实际地理位置，方便管理人员操作和维护各个监测点的监测数据和报警信息都保存到本系统的大容量数据库可对本系统的报警触发条件进行设定，预警报警阈值自由可调，以适用各种不同工况、不同区域的条件采用大量的传感器，利用光纤传感的分布式组网功能，构成大容量、多参量智能动态分布式监测网络，实现多断面、多测点、同时段的煤矿开采环境的在线监测系统功能五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道锚杆索载荷智能感知光纤光栅锚杆测力传感器主要由压力环、油管、压力表和FBG压力传感器组成，油缸通过油管和三通分别与压力表和FBG压力传感器连接，如图8-10所示。其中压力环内装有液压油，利用O型圈、活塞和端盖进行封装，如右图所示。液压油作为传感器的传力介质，是外力向传感器内部传递的途径，其作用是将外部载荷传递到FBG压力传感器，并通过压力表实时显示测量值。五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道锚杆索载荷智能感知光纤光栅传感器标定测试系统如右图所示。为了测试传感器的力响应，实验时传感器放置在万能试验机上加载-卸载，由试验机的控制台进行载荷控制，传感器通过光纤及FC/APC接头连接至光纤光栅解调仪，解调仪通过网线连接PC机。五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道锚杆索载荷智能感知实验过程在0~100kN范围内采用阶梯力分多级加载，每级10kN，并且在每级保持3分钟，然后以逐步形式进行卸载，整个实验过程在室温下进行。两个光纤光栅中心波长的变化与施加载荷呈线性关系，且波长的峰值强度值没有大的变化。传感器两个光纤光栅波长漂移与载荷的关系在右图中绘制，很明显波长的变化与加载和卸载呈线性关系。光纤光栅中心波长变化差与压力表读数随载荷的变化五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道锚杆索载荷智能感知右图为FBG锚杆测力传感器的安装示意图，在围岩内钻取一个钻孔，将锚固剂和锚杆依次放入钻孔中，利用锚固剂的黏结性将锚杆与围岩粘结在一起，在围岩的锚杆外漏端依次安装托盘、传感器、垫片与螺母，利用扭矩扳手对螺母施加作用力使锚杆产生预紧力，从而实现锚杆对围岩的主动支护功能。当围岩产生受力发生变形时，锚杆体所受载荷情况也相应的发生变化，借助FBG传感器即可实现对锚杆体的载荷以及现场的围岩状态进行实时感知和分析。光纤光栅锚杆测力传感器安装示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道顶板安全智能感知基于光纤光栅传感原理，结合锚杆的自身结构特征，提出了基于光纤光栅的锚杆杆体应力感知技术，设计的准分布式光纤光栅锚杆应力传感器如右图所示。该传感器主要由螺母、托盘、锚杆、光纤、光纤光栅串组成。首先需沿锚杆杆体方向刻制凹槽，随后在杆体凹槽内粘贴光纤光栅传感器来感知锚杆杆体应力特征。光纤光栅锚杆应力传感器五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道顶板安全智能感知锚杆应力计标定实验在100kN范围内进行，每次增加载荷为5kN，每次加载时记录锚杆杆体上三个光纤光栅波长漂移的数据，三个光纤光栅波长漂移与载荷变化曲线如右图所示。从图中可以看出，随着载荷的增加，三个光纤光栅的波长漂移均增大，具有良好的线性度。三个光纤光栅波长漂移与载荷的关系曲线五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道顶板安全智能感知光纤光栅锚杆应力传感器在监测锚杆工作状态时，其安装示意图如右图所示，用于锚杆全长范围内锚杆应力分布等数据测量。这些力学数据作为分析顶板应力状态及顶板安全状况的基本依据，对煤巷锚杆支护安全施工及参数设计优化具有重要意义。光纤光栅锚杆应力传感器安装示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道顶板离层智能感知悬臂梁式光纤光栅顶板离层传感器，如右图所示。在光纤光栅-机械变送部分内布置两个矩形悬臂梁。当传感器所监测的巷道顶板受采动影响而出现离层时，传感器的钢丝绳挡套在锚固爪的带动下，驱使弹簧产生形变，弹簧拉动矩形悬臂梁发生弯曲并产生应变，粘贴在悬臂梁上的光纤光栅在其挠度变形作用下产生轴向应变，引起光纤光栅波长漂移。1-锚固爪，2-固定管，3-钢丝绳紧固螺丝，4-光栅—机械变送部分，5-横托管，6-光纤接线头，7-光纤尾纤，8-刻度尺，9-钢丝绳，10-钢丝绳挡套图8-22光纤光栅顶板离层传感器结构：五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道顶板离层智能感知标定测试：通过等梯度位移增加的方法，每次位移增加2cm，本次实验在室内操作，环境温度不变，根据标定数据拟合图如右图所示，根据拟合曲线可以看出FBG1的拟合灵敏度为7.75pm/mm，线性系数为0.9993，FBG2的拟合灵敏度为7.80pm/mm，线性系数为0.9989，表明两个悬臂梁上的光纤光栅对位移都有良好的灵敏度。五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道顶板离层智能感知光纤光栅顶板离层传感器用于监测顶板离层过程，可有效防止顶板垮落事故的发生。光纤光栅顶板离层传感器的安装示意图如下图所示。光纤光栅顶板离层传感器安装示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道围岩应力智能感知基于光纤光栅传感的精度高、误差小、抗干扰能力强、寿命长、能进行远程实时在线监测和长期监测、全自动信息化处理数据的巷道围岩应力监测的装置及方法，如右图所示，可以提高矿山的安全性，保障煤矿的安全高效生产。6-矿用光缆，7-光纤光栅解调仪，8-计算机系统，9-围岩，10-锚固剂，11-水泥砂浆基于光纤光栅传感的巷道围岩应力感知系统示意图1-金属杆，2-凹槽，3-FBG光栅组，4-光纤，5-光纤光栅保护管光纤光栅钻孔应力传感器示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知沿空留巷充填体应力智能感知利用双膜片式光纤光栅土压力传感器的沿空留巷充填体应力智能感知方法，双膜式光纤光栅土压力传感器示意图如下图所示，这种传感器为新型全光纤无源器件，与普通传感器相比，具有本质防爆、无电传感、性能稳定、传输距离远等明显的优势和特点。双模式光纤光栅土压力传感器示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知沿空留巷充填体应力智能感知光纤光栅土压力传感器测量土压力的原理为：土压力作用在一次膜片上，使一次膜片中心产生大小与所受应力呈线性关系的挠度变化，同时传压油腔内的液压油受到一次膜片的挤压作用，二次膜片在受到液压油产生的等值均布压力作用下产生挠度变化，推动下方的传压杆向下移动，压迫传压杆下方的等强度悬臂梁使其自由端发生相同的挠度变化，从而使粘贴在等强度悬臂梁中心轴线上的光纤光栅发生波长漂移。双模式光纤光栅土压力传感器示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知沿空留巷充填体应力智能感知利用光纤光栅土压力传感器对沿空留巷充填体应力进行监测时，系统布置如右图所示。该应力监测系统由监测主机、光纤光栅土压力传感器及通信光缆组成，当工作面停止采掘并开始进行留巷充填时，光纤光栅土压力传感器随之安装，安装在靠近采空区一侧充填体适当位置，传感器通过接续盒与主光缆连接，将波长信号传送到监测主机中，并将传感器波长的变化解调为应力变化，并在监控计算机上实时显示监测结果。沿空留巷充填体应力智能感知系统布置示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道微震智能感知光纤光栅加速度传感器的力学模型：利用三维光纤光栅加速度传感器进行巷道微震的监测。其原理为在发生外界振动时，光纤光栅加速度传感器发生同步同频的振动。振动信号引起光纤光栅的布拉格周期和折射率发生变化，从而使光栅中心波长的移动。此时反射光带有振动信号的信息和光栅本身的信息，除去在静止状态下的信息，可得到单纯外界振动信号的信息，达到检测外部振动的目的。其力学模型如右图所示。光纤光栅加速度传感器力学模型五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道微震智能感知传感子系统包括多个光纤光栅加速度传感器、光纤尾纤和光纤接线盒数据采集与传输子系统由矿用电缆、光纤光栅动态解调仪和矿用多芯传输光缆组成。光纤光栅加速度传感器的微震监测系统数据管理与存储子系统由客户端计算机、监测服务器和数据接收计算机组成，设置在地面中央调度室内五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知含水层水压智能感知基于光纤光栅压力传感器的煤矿巷道顶板含水层水压智能感知方法。测力原理为：基于弹性膜片结构，膜片在环境水压力作用下发生挠度变形，变形会通过与之连接的固定支架传递到压力敏感光栅上，使压力敏感光栅产生轴向压缩，从而引起光纤光栅的中心波长发生漂移，然后根据压力-波长漂移数学模型计算出压力值。1-O型密封圈，2-平面膜片，3-温度补偿光栅，4-壳体，5-光纤尾纤，6-光纤保护套，7-尾纤保护套，8-保护螺母，9-耦合器，10-凹槽，11-压力敏感光栅，12-固定支架，13-挡圈

光纤光栅压力传感器结构图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知含水层水压智能感知1-光纤光栅静态解调仪，2-监控服务器，3-煤矿局域网，4-客户端，5-矿用传输光缆，6-光纤终端盒，7-通讯光纤，8-光纤尾纤，9-光纤光栅温度传感器，10-水阀，11-光纤光栅压力传感器，12-水管，13-巷道上覆含水层，14-巷道上覆岩层，15-监测测站基于光纤光栅压力传感器的巷道顶板含水层水压智能感知系统布置示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道多点温度智能感知基于光纤光栅温度传感可以感知巷道多点温度。光纤光栅温度传感器的结构示意图和实物图如右图所示。光纤光栅温度传感器主要由毛细钢管、金属管、胶粘剂、环氧胶和两种护套管组成。1-粗护套管，2-环氧胶，3-毛细钢管，4-细护套管，5-光纤尾纤，6-光纤光栅，7-金属管，8-胶粘剂图8-40光纤光栅温度传感器结构示意图光纤光栅温度传感器实物图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知巷道多点温度智能感知多个光纤光栅串联起来，组成准分布式温度测量系统，使用光缆连接线路，可实现远程监测。基于光纤光栅温度传感器的巷道温度智能感知系统布置示意图如右图所示。基于光纤光栅温度传感器的巷道温度智能感知系统布置示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.2光纤传感式煤矿安全环境智能感知采空区温度智能感知为适应现在煤矿安全高效生产，满足煤矿井下安全需要，本节提供一种可靠性好的煤矿采煤工作面采空区光纤光栅温度感知方法，其系统布置示意图如下图所示。1-光纤光栅静态解调仪，2-监控计算机，3-网络服务器，4-煤矿局域网，5-客户端，6-矿用传输光缆，7-光纤终端盒，80-通讯光纤，81-通讯光纤，9-采煤工作面，10-监测测站，11-光纤光栅温度传感器，12-采空区，100-光纤尾纤煤矿采煤工作面采空区光纤光栅温度感知系统布置示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.3光纤传感式工作面装备智能感知液压支架姿态智能感知应对液压支架姿态智能感知，研制了一种光纤光栅支架压力表，其主要由直读式压力表、光纤光栅压力计、三通阀、导压孔、挂钩、光纤接口等组成，光纤光栅支架压力表的结构图如右图所示。直读式压力表、三通阀和光纤光栅压力计连接定位于本安型压力膜盒中，油管连接导压孔，光纤接入端接入光纤接口。光纤光栅支架压力表结构图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.3光纤传感式工作面装备智能感知液压支架姿态智能感知光纤光栅倾角传感器如右图所示，重球与摆杆固定连接，摆杆通过球铰连接于传感器外壳上，重球可在垂直纸面平面内连续转动，受壳体约束重球和摆杆不能沿摆杆长度方向运动；摆杆杆体中部与一悬臂梁连接，该悬臂梁梁末端与另一固定在壳体上的悬臂梁连接，上述的两个悬臂梁都为等强度梁。该光纤光栅倾角传感器共布置三条光栅。光纤光栅倾角传感器结构示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.3光纤传感式工作面装备智能感知液压支架姿态智能感知1-液压支架，2-顶梁，3-光纤光栅倾角传感器，4-光纤光栅压力传感器，5-光纤光栅位移传感器，6-掩护梁，7-前连杆，8-接压口，9-油管，10-底座，11-立柱，12-尾纤，13-接线盒，14-矿用光缆，15-光纤光栅解调仪，16-计算机系统液压支架运行姿态智能感知系统布置示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.3光纤传感式工作面装备智能感知刮板输送机直线度智能感知光纤光栅三维曲率传感器由柔性基材、光纤光栅串和硅胶材料组成，如下图所示光纤光栅传感器分别沿外表面轴向对称布置，使用502胶将光纤光栅传感器粘结在柔性基材表现事先刻好的槽中，并用硅胶填充加以封装保护。1-柔性基材，2-光纤光栅串，3-刻槽光纤光栅三维曲率传感器设计与封装五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.3光纤传感式工作面装备智能感知刮板输送机直线度智能感知为了确定空间曲线上某点的曲率矢量，需测出该点处两个已知方向上的曲率矢量的大小值，从而合成出曲率矢量的方向和大小值。而一根光纤光栅在某一点只能反映出一个方向的曲率大小值。因此，必须要至少两根光纤光栅。为了简化两个方向的曲率合成，两根光纤光栅串沿圆截面型基材轴向布置并在基材截面两点呈90°分布，如下图所示。柔性基材表面光纤光栅串布置截面示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.3光纤传感式工作面装备智能感知刮板输送机直线度智能感知1-井下数据感知子系统，2-井下数据传输子系统，3-地面数据处理子系统，4-光纤光栅三维曲率传感器，5-FC/APC接头，6-柔性基材，7-光纤光栅串，8-刮板输送机电缆槽，9-光纤光栅接线盒，10-矿用多芯光缆，11-光纤光栅静态解调仪，12-网线，13-服务器主机，14-打印机，15-供电电源，16-客户端电脑基于光纤光栅的刮板机直线度智能感知系统布置示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.3光纤传感式工作面装备智能感知采煤机姿态智能感知联惯导系统（SINS）是一种将惯性器件直接固定在运行载体上的导航系统。运行载体的角速度和加速度分别由陀螺仪和加速度计测量，当它们与运行载体的初始惯性信息相结合时，可以通过计算获得速度、位置、航向和姿态等导航信息捷如右图所示，由于采煤机的位置和姿态是三维的，采煤机定位系统的IMU不是单轴陀螺仪和加速度计，而是三轴陀螺仪和三轴加速度计，它们的轴是正交的。基于捷联惯导的采煤机定位系统五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.3光纤传感式工作面装备智能感知提升设备钢丝绳张力智能感知为了满足煤矿安全生产的需要，本节提供了一种结构简单、安装方便、操作方便、监测过程简易，测量精度高、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、可靠性高的基于光纤光栅压缩式的矿井提升设备钢丝绳张力监测装置及智能感知方法。1-封装壳体，2-钢丝绳，3-防滑楔形橡胶圈，4-定滑轮，5-U型固定支架，6-光纤光栅，7-弹性压柱，8-光纤，9-光纤引出孔，10-密封胶，11-光纤连接头，12-铠装保护胶皮，13-光纤尾纤光纤光栅压缩式张力监测装置五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在巷道矿压监测中的应用研究14301工作面为南三采区第一个回采工作面，采用倾向长壁后退式综合机械化采煤方法，南面为未开掘的14302工作面，北面和东面为村庄保护煤柱，西面至南三采区大巷。工作面布置两进一回巷道，三条巷道与南三集中回风巷均呈80°14301工作面布置方式五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在巷道矿压监测中的应用研究14301轨道巷矿压监测测站布置14301轨道巷传感器布置示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在巷道矿压监测中的应用研究离层监测光缆线路布置示意图应力监测光缆线路布置示意图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在巷道矿压监测中的应用研究整个巷道矿压光纤光栅感知系统的光缆铺设工艺设计如下图所示，整个光缆线路连接完毕后，用笔式红光源对线路通断情况进行检测，确保线路通畅。五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在巷道矿压监测中的应用研究安装效果（a）煤帮光纤光栅锚杆测力传感器（b）顶板光纤光栅锚杆应力传感器（c）煤帮光纤光栅锚杆应力传感器（d）煤帮光纤光栅钻孔应力传感器（e）光纤光栅顶板离层传感器（f）光缆接线盒五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在巷道矿压监测中的应用研究14301轨道巷光纤光栅矿压在线监测系统在井下铺设好光缆线路、光纤光栅信号解调主机、传感设备等所有工作后，需要在地面进行软件调试解调主机通道传感器参数配置传感器参数配置后得出的光波波长图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在巷道矿压监测中的应用研究系统运行一周后锚杆载荷变化曲线系统运行一周后顶板离层变化曲线五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在巷道矿压监测中的应用研究从2015年1月26日开始监测，截止5月15日，连续监测110d，期间工作面一共推进了198m，得到轨道巷两个测站的锚杆测力传感器监测曲线。按测站及顺时针编号为1-i、2-i，i=1,2,3,4，编号为1的位于巷道采煤侧，编号为4的位于巷道非采煤侧测站锚杆载荷变化曲线五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在巷道矿压监测中的应用研究测站锚杆应力变化曲线600m处测站顶板离层变化曲线五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在液压支架姿态监测中的应用研究101工作面巷道布置图如图8-86所示。101工作面布置三条回采巷道：101工作面辅助运输巷道、胶带运输巷道和回风巷道。胶带运输巷道和辅助运输巷之间的隔离煤柱宽度为20m。101工作面辅助运输巷与胶带运输巷通过1-1煤层北翼辅运大巷与北翼胶运大巷形成工作面的运输、进风系统，回风巷道通过1-1煤层北翼回风大巷形成工作面的回风系统。工作面布置平面图五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在液压支架姿态监测中的应用研究1）测站布置2）倾角传感器布置五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在液压支架姿态监测中的应用研究3）线路连接：跳线一端接头连接光纤光栅倾角传感器，另一端在光纤接线盒中连接到工作面测区的光缆干路中。(a)光缆布置(b)光纤光栅解调仪布置五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在液压支架姿态监测中的应用研究1）对101工作面正常回采期间的液压支架姿态进行了连续10天的数据采集，可得工作面支架顶梁的整体姿态如下图所示。液压支架姿态概况五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在液压支架姿态监测中的应用研究2）工作面推进过程中单个顶梁的姿态3）底座姿态工作面推进阶段平均姿态监测结果底座姿态五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在液压支架姿态监测中的应用研究（3）掩护梁姿态工作面推进阶段平均姿态监测结果支架横向姿态分布（4）横向姿态五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在液压支架姿态监测中的应用研究选取101工作面正常推进约100m距离的液压支架工作阻力和姿态监测结果，分析液压支架的工况，对它们的工作阻力和顶梁姿态做研究分析。1号液压支架工作阻力与顶梁倾角21号液压支架工作阻力与顶梁倾角五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在液压支架姿态监测中的应用研究41#液压支架工作阻力与顶梁倾角61#液压支架工作阻力与顶梁倾角五、光纤传感式煤矿开采智能感知系统5.4光纤传感式煤炭开采环境智能感知系统的应用光纤光栅感知系统在液压支架姿态监测中的应用研究81#液压支架工作阻力与顶梁倾角

谢谢《开采环境智能感知》目录

一地理信息系统概述地理信息系统应用技术

二地理信息系统应用实例

三第六章地理信息系统概述六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述地理信息系统概念与特征地理+信息+系统地理信息+信息系统六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述地理信息系统概念剖析地理：关于大地（地球）的规律（研究地球上自然或人文现象，以及它们之间的相互关系）。信息：是用文字、数字、符号、语言、图像等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量或特征。具有客观性、适用性、可传输性和共享性等特征。系统：是由相互作用相互依赖的若干组成部分结合而成，具有特定功能的有机整体。六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述地理信息系统概念与特征地理信息：是表征地理系统诸多要素的数量、质量、分布特征、相互联系和变化规律的数字文字、图像和图形等的总称。它是与地理位置相关的信息，具有空间、属性、时间特征。信息系统：能对数据和信息进行采集、存储、加工和再现，并能回答用户一系列问题的系统。简单地说，它是基于数据库的问题的回答系统。六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述地理信息系统概念与特征地理信息系统（GeographicalInformationSystem，GIS)是指具有采集、存储、查询、分析、显示和输出地理数据的功能，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。它一种决策支持系统，它具有信息系统的各种特点。地理信息系统与其他信息系统的主要区别在于其存储和处理的信息是经过地理编码的，地理位置及与该位置有关的地物属性信息总成为信息检索的重要部分。六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述地理信息系统概念与特征地理信息系统是一个技术系统，是以地理空间数据库（GeospatialDatabase)为基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。地理信息系统是一门学科，是描述、存储、分析和输出空间信息的理论和方法的一门新兴的交叉学科。地理信息系统定义的两个部分组成具有采集、管理、分析和输出多种地理信息的能力，具有空间性和动态性六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述地理信息系统概念与特征地理信息系统的特征由计算机系统支持进行空间地理数据转换，并由计算机程序模拟常规的或专门的地理分析方法计算机系统的支持是地理信息系统的重要特征六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述地理信息系统组成与分类六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述地理信息系统组成与分类地理信息系统的组成硬件软件数据人员方法（模型）六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述地理信息系统组成与分类地理信息系统的分类专题地理信息系统区域信息系统地理信息系统工具信息系统六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述地理信息系统空间数据模型地理数据也可以称为空间数据（SpatialData）。地理空间是指物质、能量、信息的存在形式在形态、结构过程、功能关系上的分布方式和格局及其在时间上的延续。地理信息系统中的地理空间分为绝对空间和相对空间两种形式。绝对空间是具有属性描述的空间位置的集合，它由一系列不同位置的空间坐标值组成；相对空间是具有空间属性特征的实体的集合，由不同实体之间的空间关系构成。三维地理信息系统数字地球地理信息系统数据涵义六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述GIS中的数据通常描述三部分信息：空间信息（位置，空间关系等）、非空间的属性信息、时间信息。数据按照其测量尺度可分为定名、定比、间隔、比率量四种类型①数据涵义在地理空间数据中，元数据是说明数据内容、质量、状况和其他有关特征的背景信息②元数据地理信息系统功能六、地理信息系统概述6.1地理信息系统概述空间数据获取与处理：空间数据获取是地理信息系统建设首先要进行的任务，它可以有多种实现方式，包括数据转换、遥感数据处理以及数字测量等等。数字地形模型分析：数字地形模型主要用于描述地面起伏状况，可以用于提取各种地形参数，如坡度、坡向、粗糙度等。空间建模与地图制图：模型是人类对事物的一种抽象，人们在正式建造实物前，往往首先建立一个简化的模型，以便抓住问题的要害。六、地理信息系统概述6.2地理信息系统应用技术3S集成技术3S集成技术指遥感（RS）、全球定位系统技术（GPS）和GIS的集成应用。作为实时、客观获取空间信息的新兴技术手段，遥感和全球定位系统成为地理信息系统的重要数据来源而通过GIS时其获得的数据进行处理和分析，可以提取各种有用信息，以进行决策支持。3S技术为科学研究、政府管理、社会生产提供了新一代的观测手段、描述语言和思维工具。3S之间的关系网络地理信息系统六、地理信息系统概述6.2地理信息系统应用技术分布式网络地理系统是指一组独立计算机的集合，在网络中的一次通信过程要涉及到多台计算机的配合，但从用户的角度来看，如同于一台计算机。与集中式系统以及独立的微机系统相比，分布式系统具有如下优点，另外也有自身的不足。项目描述经济多个微处理器提供了更好的性能和价格比速度一个分布式系统比大型机有更好的总体计算能力固有的分布一些应用系统需要运行于空间上分离的机器可靠性如果一台机器奔溃，整个系统还能够运行增量发展计算能力能够以很小的增量增长与集中式系统相比分布式系统的优势网络地理信息系统六、地理信息系统概述6.2地理信息系统应用技术项目描述数据共享允许多个用户访问同一数据库速度允许多个用户共享昂贵的外设固有的分布使人与人之间的通讯变得简单，如Email可靠性以最有效的方式将工作量分布在所有可能的机器上增量发展计算能力能够以很小的增量增长项目描述软件当前支持分布式系统的软件较少网络网络可能充满了或者引发其他的错误安全性容易使得需要保密的数据被访问与微机系统相比分布式系统的优势分布式系统的不足之处六、地理信息系统概述6.2地理信息系统应用技术网络地理信息系统

分布式网络地理信息系统中，客户机和服务器分别有相应的软件、硬件以及数据库组成，其组合方式可以按照数据和应用功能的分布分成五种。组合方式数据应用功能全集中式中央服务器中央服务器数据集中式中央服务器客户端功能集中式客户端中央服务器全分布式客户端客户端函数库分布式客户端或服务器中央服务器存储，客户端动态连接执行六、地理信息系统概述6.2地理信息系统应用技术地理信息系统软件工程技术在GIS开发过程中应用软件工程技术，可以提高软件开发效率和质量。软件工程技术在GIS系统开发中的几个应用方面：GIS软件架构、需求分析、数据管理设计、用户界面设计、设计模式