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采动条件下断层活动性综合监测方法与模拟研究

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采动条件下断层活动性综合监测方法与模拟研究

作者：徐宝超安徽理工大学

学位级别：硕士

煤炭资源开采过程中,会遇到各种地质灾害问题,其中采动条件下,断层活动引发的一系列矿井事故造成了巨大的经济损失和人员伤亡。这引起了矿山人们广泛的关注和高度的重视,正设法采用相关监测技术手段和方法来研究采场断层活动发育的规律... 详细信息

煤炭资源开采过程中,会遇到各种地质灾害问题,其中采动条件下,断层活动引发的一系列矿井事故造成了巨大的经济损失和人员伤亡。这引起了矿山人们广泛的关注和高度的重视,正设法采用相关监测技术手段和方法来研究采场断层活动发育的规律。目前,对于采场断层活动规律的研究单一方法过多,定量化程度不高,探测精度难以保证。因此,综合利用相关监测技术和数值模拟手段对采动影响下的断层活动性进行有效的探测和分析,发现其变化规律和演变机理对于矿山煤层安全、高效生产具有重大的意义。本文首先介绍了孔间电阻率CT法和布里渊光纤应变测试法2中测试手段的工作原理、采集方式以及后期数据的处理与分析方法;接着结合淮南某矿区的地层条件,运用FLAC3D软件建立不同断层倾角、落差、采动方向的开采模型,研究模型开采过程中断层接触面位置相对位移和剪切应力的时空演化规律,揭示了不同影响因素下断层产生活化时的响应特征;最后分别构建孔间电阻率CT法和光纤应变测试法2种现场原位方法的测试系统,根据地电场和应变场的响应特征进行断层活化带区域围岩的裂隙发育及其演化规律研究。主要获得的结论如下:(1)基于FLAC3D数值模拟方法对不同倾角、不同落差、不同开采方向的正断层进行相对位移、剪应力变化规律的分析和研究表明:在单一影响因素改变时,低角度正断层附近岩体发生的相对位移和受到的剪应力较高角度正断层大,容易产生活化;正断层落差越大,在断层下盘煤层顶板一定高度处发生的相对位移和受到的剪应力越大,该位置越容易产生活化;对于正断层而言,从断层下盘开采时,采动对断层面的影响较断层上盘开采有更明显的相对位移、剪应力响应特征,在煤层底板断层带附近,可能受到采动的影响最容易产生活化。(2)孔间电阻率CT法和光纤应变测试法2种现场原位测试方法系统的构建,对采场顶底板断层活动性发育规律进行全方位、多角度的监测,其中视电阻率反演结果确定了淮南潘二矿11223工作面底板断层影响下煤层开采导致的破碎裂隙带深度范围为20m,且底板灰岩水并没有因为这一范围内的断层带裂隙而导通上移;光纤应变监测结果显示潘一东矿区1231(1)工作面顶板FS断层面附近受采动的影响应力比较集中,沿着断层面位置容易产生剪切滑动,且根据由该断层应力分布特征和煤层开采之间的关系,提出保护煤柱的合理宽度应该大于60m。(3)孔间电阻率CT法作为一种传统的物探技术手段,可行性、实用性强;布里渊光纤应变测试法灵敏度强,精准度高。这2种方法无论从前期测试方案设计、现场的施工安装、后期的数据采集与处理,还是到最终的监测结果解析,整个过程清晰、准确、全面地揭示了利用这2种时下成熟、有效的监测方法掌握断层活化带区域围岩的变形分布及其演化特征对于深部煤层综放开采具有重大的意义。

关键词：煤层采动断层活动性 FLAC3D 电阻率CT 光纤应变

测量引力波的新方法光孤子存储环－共振棒测引力波

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测量引力波的新方法光孤子存储环－共振棒测引力波

作者：刘雪敏华中科技大学

学位级别：硕士

广义相对论预言了引力波的存在,人们对它的性质研究,发现引力波有极强的穿透性和相干性,为人类了解宇宙提供了一个新的窗口。在试验上探测引力波的先驱工作是Weber于1960年开始的。自此以后,世界各国科学家进行了引力波探测,目前,世界... 详细信息

广义相对论预言了引力波的存在,人们对它的性质研究,发现引力波有极强的穿透性和相干性,为人类了解宇宙提供了一个新的窗口。在试验上探测引力波的先驱工作是Weber于1960年开始的。自此以后,世界各国科学家进行了引力波探测,目前,世界上建立了两类引力波探测器,共振质量探测器和激光干涉仪探测器。现在,我们提出了一种测引力波的新方法。用折叠固定在共振棒上光孤子存储环测引力波。光孤子存储环多次折叠的固定在两个共振棒上,把两个共振棒分别悬挂在水平方向上,使它们成 900 角。当引力波通过时,使棒发生形变。如果棒的方向和引力波的极化方向相同,则棒1伸长时,棒2缩短,反之亦然。由于光纤固定在棒上,所以它随棒的形变而变化。如果存储环中注入光孤子串,则孤子运行的距离将发生变化,那么孤子的运行时间将发生变化。我们选择相位相反的两个特殊孤子,通过对设备的优化设计,使孤子1永远在伸长的棒上运行,孤子2永远在缩短的棒上运行,通过测量这两个孤子运行时间差的变化来测量连续引力波。这种用共振棒-光孤子存储环测引力波的新方法,即利用了棒和引力波共振放大信号,又利用了光纤多次折叠延长光路放大信号。它的最大特点是,两个孤子的时间差可以连续积累。但是,为了使孤子长期运行,光路中加入放大器,引起了孤子到达时间抖动。这种时间抖动可以通过滤波器压制到与光孤子运行距离成正比。然后把孤子运行数据通过Kalman滤波进行数据处理,可使时间抖动的误差变成一个常数C。当孤子运行时间差的变化超过这个常数时,并且超过测量分辨率和棒的热噪声时,引力波就能被探测到。建立了光孤子测量光纤应变的一个简单模型,研究如何利用卡曼滤波器对这个模型的测量数据进行处理,指出卡曼滤波在这种情况下是时不变的。尽管光孤子到达时间的抖动正比于它的运行时间,但经过较长时间的测量,测量结果的方差可以保持为一常数,说明这个方案是可行的。

关键词：引力波光孤子存储环共振棒光纤应变卡曼滤波

FBG传感器粘贴工艺及其在风电叶片损伤监测中的应用研究

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FBG传感器粘贴工艺及其在风电叶片损伤监测中的应用研究

作者：段磊湘潭大学

学位级别：硕士

风电叶片作为风机唯一的高空动态承力运行部分,长期处于交变疲劳载荷之中,叶尖前缘与叶根极易产生损伤。光纤应变监测是常用的风电叶片在役健康监测手段之一,但风电叶片多在山区与海上安装,服役地区昼夜温差大、湿度高,会使得叶片内部... 详细信息

风电叶片作为风机唯一的高空动态承力运行部分,长期处于交变疲劳载荷之中,叶尖前缘与叶根极易产生损伤。光纤应变监测是常用的风电叶片在役健康监测手段之一,但风电叶片多在山区与海上安装,服役地区昼夜温差大、湿度高,会使得叶片内部附着冷凝水,同时细小开裂以及砂眼都会导致叶片内部积水,因此表面粘贴式布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器在使用过程中会处于高温高湿环境下。恶劣的环境会影响传感器的粘结效果,从而使得传感器在长期动态监测过程中疲劳脱粘,如不及时进行维护,甚至会使得传感器断裂,造成与其熔接的其他传感器失效,从而影响监测效果。论文针对FBG传感器在运行过程中由于粘贴失效带来的不可靠运行问题,开展粘贴工艺探究,并进行传感特性静态与动态验证,最后将粘贴工艺应用于单叶片疲劳及风场监测过程中。论文主要研究内容包括以下方面:第一,基于GB/T 7124-2008,选用502胶、5210胶、353ND胶和LOCTITE胶四种粘接剂以不同湿度条件进行固化,通过拉剪强度测试得出不同湿度环境下胶粘剂剪切模量,选定最大剪切模量的LOCTITE胶,随后通过数值计算与仿真选定适用于风电叶片监测的最佳的粘贴长度为100 mm、粘贴宽度为11 mm。第二,制作等强度梁样品,随后基于应变片监测数据对粘接剂、粘接长度与宽度进行应变传递率验证。通过悬臂梁实验验证了静态载荷下,采用LOCTITE胶,以100 mm长、11 mm宽进行粘贴的FBG传感器具有较好的应变传递特性,通过弯曲疲劳实验,得出优化工艺粘贴的FBG传感器在200万次动态疲劳加载后,传递率维持在96.1%,具有较好的应变传递特性与粘贴可靠性。第三,制作预制不同裂纹长度的拉伸样品,分析其应变载荷规律发现裂纹损伤占比越大,相同载荷下应变增大且增速加快,随后应用探究得的粘接工艺粘接FBG传感器进行单叶片疲劳测试,通过动态应变监测发现叶片应变增加,从初始应变增加到108%并长期维持,表明叶片损伤的出现。最后应用粘贴工艺将FBG传感器粘贴于风场在役叶片内部进行损伤在线监测,监测结果表明,在不同风况下,应变变化量的范围为±6.5%,传感器在长期监测过程中监测数据基本保持稳定。

关键词：风电叶片服役损伤光纤应变在线监测粘接工艺

基于布里渊光时域分析技术的围栏入侵检测方法的研究

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基于布里渊光时域分析技术的围栏入侵检测方法的研究

作者：易平安电子科技大学

学位级别：硕士

基于布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)技术的传感器具有检测距离长,测量精度高,抗外界干扰能力强等优势,而围栏入侵检测系统在周界安防领域有着广阔的应用前景,因此,研究基于BOTDA围栏入侵检测系统具有... 详细信息

基于布里渊光时域分析(Brillouin Optical Time Domain Analysis,BOTDA)技术的传感器具有检测距离长,测量精度高,抗外界干扰能力强等优势,而围栏入侵检测系统在周界安防领域有着广阔的应用前景,因此,研究基于BOTDA围栏入侵检测系统具有重要的现实意义。本论文通过查阅国内外文献和调研重要场所的周界安防中的围栏入侵检测技术的现状后,结合受激布里渊散射独特的优点,设计了一种基于BOTDA围栏入侵检测系统,该系统克服了传统BOTDA分布式光纤传感器测量耗时多,检测反应慢的缺点,并创新地提出了重心频率的算法,对几种围栏入侵的检测方法(以检测光纤应变为例)进行了深入研究,最后通过相关实验验证了该系统对围栏入侵检测的可行性。本论文主要研究内容如下:1.简要介绍了布里渊散射理论,分析了光纤的传感机理,重点分析了布里渊频移和布里渊光功率与光纤应变的关系,为本论文的系统设计奠定了理论基础;2.重点研究了实验传感数据处理方法和系统中的软件设计方案,介绍了均值滤波对传感信号处理的原理,分析了布里渊频移拟合与寻峰技术;接着重点分析了布里渊频移检测法和重心频率检测法的检测原理;最后简要分析了系统性能指标,包括系统信噪比、传感精度和空间分辨率,为后续的实验研究指明了方向;3.设计并搭建了基于BOTDA围栏入侵检测系统。首先利用光谱分析仪获取+1阶的边带光波构成了增益型的BOTDA系统;接着通过RS232串口通信显示界面发送指令和采集界面的初始化设置获取到了实验所需的原始光信号;然后利用VC++中的MFC模块设计程序实现了对实验数据的采集和传感信号的显示;接着运用布里渊频移检测法、重心频率检测法以及原始光信号强度检测法分别对光纤应变检测实验并对相应的检测结果进行了分析。4.对本系统性能指标做了相关测试和分析,得到本系统的传感精度为25 g,实验测定的布里渊频移应变系数为0.5983MHz/g,系统的空间分辨率为4m。最后提出了阈值法、谱分析法来对围栏入侵的检测方法,并给出了谱分析法的模拟测试实施方案和实验结果分析。上述研究结果表明,本论文设计的系统及检测方法应用于围栏入侵监测是可行的。

关键词：布里渊光时域分析光纤应变布里渊频移重心频率围栏入侵

掺Yb3+环形光纤激光器可调谐和锁模特性实验研究

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掺Yb3+环形光纤激光器可调谐和锁模特性实验研究

作者：张继荣吉林大学

学位级别：硕士

光纤激光器具有体积小、重量轻、高功率、稳定性好、可调谐范围大及应用性强等优良特性，可作为未来高速大容量光纤通信系统的关键器件，同时在高性能光传感、高精度光谱分析、激光医疗、军事等多个领域中也将发挥越来越重要的作用。其... 详细信息

光纤激光器具有体积小、重量轻、高功率、稳定性好、可调谐范围大及应用性强等优良特性，可作为未来高速大容量光纤通信系统的关键器件，同时在高性能光传感、高精度光谱分析、激光医疗、军事等多个领域中也将发挥越来越重要的作用。其中，掺杂稀土元素(Er，Yb等)的光纤激光器在密集波分复用通信系统中的应用受到了广泛的关注。Yb具有很宽的吸收谱和发射谱，可以将其掺入石英光纤中作为激光器的增益介质，或者与其他稀土元素共掺作为能量传递介质。被动锁模是一种全光非线性技术，在腔内不用调制器之类的有源器件就能实现超短脉冲输出。光纤激光器实现被动锁模的方式有很多，但都离不开光纤的非线性效应。在本文研究的激光系统中，利用非线性偏振旋转效应实现锁模，其机理是利用光纤中的自相位调制(SPM)和交叉相位调制(XPM)效应，使光场不同强度部分在通过光纤后积累不同的非线性相移量，然后结合偏振滤波原理，产生光信号强度的相关损耗，从而达到自振幅调制(APM)的作用，最终实现锁模输出。本文研究光纤应变对环形光纤激光器连续波调谐及输出特性的影响，并对实验现象进行分析讨论。接下来对激光器的锁模调谐进行了较细致的实验研究。具体来说，论文主要包含以下四个部分：第一部分，阐述光纤激光器的起源和发展背景，并对此类激光器的主要特点进行了说明，总结了目前存在的主要技术问题，对其发展前景进行了分析。第二部分，比较全面的阐述了电压驱动压电陶瓷管产生的光纤应变对系统的相位调制作用，分析了基于非线性偏振旋转效应的锁模机制，为理解实验现象和优化激光器的性能提供了理论依据。第三部分，首先对光纤应变影响激光器单波长连续调谐性能进行了实验研究。电压驱动缠有7m单模光纤的压电陶瓷管，其半径的周期性变化导致缠绕光纤的长度变化，从而起到相位调制作用，实现了跳跃步长为0.36nm的单波长稳定连续调谐。而且，施加50V、100V和150V的驱动电压后对单波长调谐范围未产生较大影响，分别为51nm、53nm和52nm。接下来讨论了驱动压电陶瓷管的电压对激光器斜效率的影响。实验过程中，分别测量了施加50V、100V和150V的驱动电压后，1032.14nm、1045.46nm和1038.08nm激光输出时激光器的斜效率，并对同一波长在不同驱动电压下的斜效率进行了对比。结果表明，相比于不施加电压的情况，1032.14nm、1045.46nm和1038.08nm激光输出时的斜效率在施加100V和150V的电压后有所提高。因此，可以说驱动压电陶瓷管引入的光纤应变对激光器斜效率的提高有一定作用。第四部分，首先对锁模脉冲波长连续调谐幅度与泵浦功率和波片旋角的关系进行了实验研究。在波片旋角固定的情况下，调节泵浦功率，锁模脉冲中心波长可以在1035.9–1033.3nm之间连续调谐，调谐幅度达到2.6nm。接下来将泵浦功率固定在232mW，调节环形腔左侧的1/4波片和中间的1/2波片，实现了1036.03–1038.98nm的锁模脉冲连续调谐，调谐幅度接近3nm。之后测量了锁模脉冲波长的调谐范围，即不要求连续调谐的情况下激光器可以输出的锁模脉冲中心波长的集合。通过对采集的光谱进行处理，得知锁模脉冲中心波长调谐范围为1035.8–1043.6nm，调谐宽度为7.8nm。最后，将环形腔中直径为34mm的压电陶瓷管分别更换成与其材质相近的直径为12mm和80mm的柱形模具(我们称之为螺线管)，并观察这两种情况下对激光器实现锁模和单波长调谐的影响。把7m的光纤缠绕在直径为12mm的螺线管上后，激光器输出的单波长调谐范围拓宽到1019–1078nm。但是，光纤曲率过大，致使附加损耗增加，已经不能实现稳定的锁模脉冲输出。之后将7m的单模光纤缠绕在直径为80mm的螺线管上，能够得到稳定的锁模脉冲输出，且长时间稳定存在。由于光纤弯曲半径比较大，相比之下减弱了光纤中的双折射效应，导致单波长调谐范围缩小到1026–1053nm，宽度只有27nm。由此可知，螺线管的直径对系统输出性能的影响很大，可以对其进行理论模拟，找到最佳的匹配直径，以实现激光器锁模和调谐性能的共同优化。本论文的研究结果有助于进一步认识光纤激光器连续波调谐、输出及锁模脉冲波长调谐的特性。另外，本文中还提出了一些优化激光器调谐及输出特性的技术方案，并且对本文实验系统中存在的问题进行了阐述，可为今后进一步完善此类激光器的相关性能提供技术参考。

关键词：环形光纤激光器掺 Yb3+光纤波长调谐锁模光纤应变

用于边坡监测的光纤Michelson位移传感器研究

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用于边坡监测的光纤Michelson位移传感器研究

作者：田德中大连理工大学

学位级别：硕士

山体滑坡是一种严重威胁人们生命和财产安全的地质灾害。中国作为一个地质复杂的国家,是世界上滑坡灾害爆发最严重的国家之一。滑坡会造成一系列的后果,比如破坏道路桥梁造成交通中断,损坏基础设施影响能源供应,导致巨额的经济损失,一... 详细信息

山体滑坡是一种严重威胁人们生命和财产安全的地质灾害。中国作为一个地质复杂的国家,是世界上滑坡灾害爆发最严重的国家之一。滑坡会造成一系列的后果,比如破坏道路桥梁造成交通中断,损坏基础设施影响能源供应,导致巨额的经济损失,一些滑坡甚至还会造成严重的人员伤亡。边坡监测自诞生起至今已有一百多年的历史,从早期的宏观地质监测法、设站观测法等传统方法发展到后来的时域反射测试技术(TDR)、GPS技术、光纤传感技术等高新技术。光纤传感技术自上世纪七十年代末诞生以来一直发展迅速,也因其诸多优点在边坡监测领域得到了广泛的应用。本文主要是设计了基于光谱解调的Michelson干涉式光纤位移传感器系统来监测边坡的位移。该测量系统主要由sm125-500扫描激光解调仪、光纤耦合器、光纤Michelson干涉仪及信息处理设备等部分组成。基于计算机的Labview软件编程实现对位移信号的解调:对采集的干涉信号进行三次样条插值实现其在频率域的等间隔采样,然后采用汉宁窗滤波并通过Hilbert变换实现归一化,消除光源光谱的影响,最后设计快速傅里叶变换算法实现对位移信号的大范围、高精度地解调。综合分析实验系统的偏振衰落问题,使用法拉第旋镜消除系统的偏振衰落。重点讨论光纤应变对折射率变化的影响,通过理论推导得到光纤拉伸过程中的等效折射率,通过实验对传感器系统进行校准,保证传感器的测量性能。采用光纤拉伸装置拉伸光纤以模拟实际边坡滑移,实验结果表明,本套光纤Michelson干涉位移监测系统的精度可达19μm,重复性可达17.7μm,分辨率最高可达30nm,动态范围约10cm。本文在最后简单介绍了该位移监测系统在现场边坡监测中的选址和安装过程,并采用一种无宏弯损耗的稳定的光纤固定方式。通过在边坡现场的实际边坡滑移监测中测得符合预期的有效数据,测量位移一天之内随温度有着稳定的变化规律,而且整个边坡在所测时间段内有缓慢地轻微滑移地趋势。在边坡的实际监测中本套系统运行良好,工作性能符合理想的预期,证明是一种可靠的边坡位移监测方案。

关键词：迈克尔逊干涉法拉第旋镜光纤应变折射率位移监测

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分布式光纤技术在覆岩岩层运动监测中的应用

黑龙江科技大学学报 2021年第6期31卷 704-711页

作者：胡涛滕琳赵文忠孟祥谊齐鲁理工学院土木工程学院济南250200 山东煤炭技术服务公司济南250032 章丘自然资源局济南250020

为监测上覆岩层运动,利用BOTDR分布式光纤传感技术,研究了上覆岩层随工作面开采变形破坏运动规律。结果表明:随工作面推进,采空区顶板岩层存在悬臂梁和砌体梁两种形态,呈现旋转沉降和平移下沉两种运动状态;开采初期,采空区中部顶板岩层... 详细信息

为监测上覆岩层运动,利用BOTDR分布式光纤传感技术,研究了上覆岩层随工作面开采变形破坏运动规律。结果表明:随工作面推进,采空区顶板岩层存在悬臂梁和砌体梁两种形态,呈现旋转沉降和平移下沉两种运动状态;开采初期,采空区中部顶板岩层首先断裂垮落,采空区未垮落的顶板岩层呈现裂纹发育的悬臂梁状态,旋转下沉运动;开采中期,悬臂梁岩块断裂为旋转下沉运动的砌体梁B关键块;开采后期,该岩块破断为平移下沉的砌体梁C关键块。覆岩破坏范围呈现由中央向两侧煤柱移动的规律。

关键词：顶板岩层运动分布式光纤监测技术布里渊时域反射计光纤应变

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制导光缆线包光附加损耗分析与计算

应用光学 1998年第6期19卷 44-47页

作者：胡君良马恒坚崔德东西北工业大学陕西青华机电研究所

为了求得制导光缆线包的光附加损耗，首先对光缆缠绕时引起的光纤应变进行研讨，然后分析微弯应变谱密度，推导计算光附加损耗的公式。计算机模拟验证了计算结果的实用性。

关键词：缠绕张力微弯应变谐密度光附加损耗制导光缆线包光纤应变导弹制导绕放技术

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基于光纤传感技术的扭矩测量方法研究

长春理工大学学报（自然科学版） 2019年第1期42卷 5-8页

作者：张占鹏白素平闫钰锋长春理工大学光电工程学院长春130022 长春理工大学光电工程国家级实验教学示范中心长春130022

提出了一种扭矩测量的方法,并建立了新型扭矩测量结构的理论模型。利用差模原理,使光纤的变形更加敏感,提高测量精度。应用仿真软件对设计的扭矩测量结构进行有限元的仿真分析,通过软件拟合出扭矩和变形量之间的数学模型,并对仿真分析... 详细信息

提出了一种扭矩测量的方法,并建立了新型扭矩测量结构的理论模型。利用差模原理,使光纤的变形更加敏感,提高测量精度。应用仿真软件对设计的扭矩测量结构进行有限元的仿真分析,通过软件拟合出扭矩和变形量之间的数学模型,并对仿真分析结果进行了精度分析。结果表明:结构变形量引起的光纤长度变化与扭矩输入之间呈良好的线性关系,且由结构及温度引起的扭矩测量误差不大于±0.294N·m。

关键词：光纤应变扭矩测量仿真分析精度分析