本书全面系统阐述了基于光纤光栅传感技术的煤矿巷道围岩智能感知理论与实践应用，概括了我国煤矿典型矿区巷道围岩智能感知研究的最新成果、经验及可供借鉴的国内先进巷道围岩智能感知技术。内容包括光纤光栅感知原理和传感特性、巷道锚固岩体收敛智能感知技术、巷道围岩应力智能感知技术、巷道锚杆 (索)受力载荷智能感知技术、巷道顶板离层智能感知技术及巷道围岩智能感知云平台设计与实现。
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序
前言
变量注释表
第1章 绪论 1
1.1巷道围岩智能感知研究背景 1
1.2巷道围岩智能感知国内外研究现状 2
1.2.1光纤光栅传感技术 2
1.2.2智能格栅技术 4
1.2.3锚固岩体力学行为 5
1.2.4采动应力监测方法 9
1.2.5煤矿巷道收敛变形监测技术 11
1.2.6顶板离层仪的发展 12
1.2.7J2EE软件开发技术及云平台技术 12
第2章 光纤光栅感知原理和传感特性 15
2.1光纤光栅传感基础理论 15
2.1.1光纤的基本结构 15
2.1.2光纤光栅耦合模理论 16
2.1.3光纤光栅传输矩阵理论 21
2.2光纤光栅感知原理 25
2.2.1FBG的中心波长感知原理 25
2.2.2FBG的3dB带宽感知原理 26
2.3光纤光栅传感特性 27
2.3.1光纤光栅温度传感特性 27
2.3.2光纤光栅应变传感特性 30
2.3.3光纤光栅应变-温度交叉敏感特性 34
第3章 巷道锚固岩体收敛智能感知技术 37
3.1巷道锚固岩体收敛特征感知 37
3.1.1FBG曲率传感原理 37
3.1.2矿用 FBG智能格栅系统的构建 38
3.1.3基于二维变形重构的 FBG智能格栅感知性能试验 43
3.1.4基于三维变形重构的 FBG智能格栅感知性能试验 50
3.2巷道锚固岩体力学状态感知 52
3.2.1光纤光栅自感知锚杆的结构设计 52
3.2.2光纤光栅自感知锚杆的感知原理 53
3.2.3光纤光栅自感知锚杆的结构实现 55
3.2.4光纤光栅自感知锚杆的性能测试 57
3.3光纤光栅的金属化原理及封装工艺 59
3.3.1光纤光栅金属化预处理 59
3.3.2光纤光栅金属化化学镀铜工艺 68
3.3.3光纤光栅金属化电镀锌工艺 70
3.4现场工程应用 74
3.4.1工程概况 75
3.4.2感知系统组成及传感器布置 76
3.4.3现场应用结果及分析 78
第4章 巷道围岩应力智能感知技术 81
4.1光纤光栅钻孔应力计设计理论 81
4.1.1建立力学模型 81
4.1.2相互作用分析 82
4.2光纤光栅钻孔应力计结构设计 85
4.2.1设计原理 85
4.2.2设计方案与分析 86
4.3光纤光栅压力计设计 94
4.3.1设计原理 94
4.3.2结构组成与设计 94
4.3.3理论分析 95
4.3.4仿真分析 96
4.3.5性能测试与结果分析 101
4.4现场工程应用 104
4.4.1工程概况 104
4.4.2感知系统组成及传感器布置 105
4.4.3现场应用结果及分析 109
第5章 巷道锚杆(索)受力载荷智能感知技术 113
5.1光纤光栅测力锚杆设计 113
5.1.1现有光纤光栅测力锚杆存在问题 113
5.1.2改进型光纤光栅测力锚杆设计原理 114
5.1.3增敏、减敏 FBG应变传感器原理 115
5.1.4改进型光纤光栅测力锚杆结构 118
5.1.5改进型光纤光栅测力锚杆封装与处理 120
5.1.6矿用光纤光栅测力锚杆调试安装方法 120
5.2光纤光栅测力锚杆试验测试 121
5.3光纤光栅锚杆(索)测力计设计 122
5.3.1传感器结构设计理论 122
5.3.2传感器结构有限元仿真 126
5.3.3传感器性能测试 129
5.4现场工程应用 134
5.4.1工程概况 134
5.4.2感知系统组成及传感器布置 136
5.4.3传感器现场安装 139
5.4.4现场应用结果及分析 141
第6章 巷道顶板离层智能感知技术 146
6.1光纤光栅顶板离层仪设计理论 146
6.1.1常见光栅位移传感器理论特性分析 146
6.1.2三种悬臂梁上光栅波长与应变的关系 151
6.2光纤光栅顶板离层仪设计及性能测试 153
6.2.1光纤光栅顶板离层仪结构设计 153
6.2.2光纤光栅顶板离层仪精度分析 155
6.2.3光纤光栅顶板离层仪性能测试 158
6.2.4实验数据分析 161
6.3现场工程应用 163
6.3.1工程概况 163
6.3.2感知系统组成及传感器布置 167
6.3.3现场应用结果及分析 169
第7章 巷道围岩智能感知云平台设计与实现 173
7.1巷道围岩智能感知云平台需求分析 173
7.1.1巷道围岩监测云平台的应用分析 173
7.1.2巷道围岩监测云平台的功能及要求 174
7.1.3回采巷道支护监测需求分析 175
7.2巷道围岩光纤感知云平台数据采集 175
7.2.1巷道围岩监测的数据采集 176
7.2.2巷道围岩监测的数据转换 176
7.2.3巷道围岩监测的数据结构 179
7.3巷道围岩光纤感知云平台总体架构设计 180
7.3.1巷道围岩监测系统总体架构 181
7.3.2巷道围岩监测云平台网络设计 190
7.3.3巷道围岩监测数据的存储设计 194
7.4巷道围岩光纤感知云平台实现及工业试验 198
7.4.1巷道围岩监测云平台的实现 198
7.4.2巷道围岩监测系统的云端实现 202
7.4.3现场工程应用 205
参考文献 219
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