2017.6智能采礦概論中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院

一煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知的基本功能煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知體系

二煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知關(guān)鍵技術(shù)

三光纖光柵智能感知技術(shù)

四

五礦用光纖光柵智能傳感器第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知本章重點(diǎn)難點(diǎn)1、煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知的基本功能2、煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知體系3、煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知關(guān)鍵技術(shù)4、光纖光柵智能感知技術(shù)5、礦用光纖光柵智能傳感器第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知的工作特點(diǎn)3.1煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知的基本功能監(jiān)測(cè)設(shè)備工作環(huán)境異常惡劣監(jiān)測(cè)對(duì)象種類多、數(shù)量廣工作特點(diǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)范圍廣、分布不均煤礦井下是由巷道、豎井、斜井、各種設(shè)備設(shè)施等構(gòu)成的龐大的工程系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的特殊性，其井下開(kāi)采作業(yè)環(huán)境極其復(fù)雜與惡劣。由于井下生產(chǎn)系統(tǒng)工程龐大、環(huán)境惡劣且多種作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，從而形成了煤礦開(kāi)采過(guò)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控的特殊工作環(huán)境。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知的基本目的煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知的目的是為煤礦安全監(jiān)督管理引入了新的理念、新的技術(shù)和新的方法，通過(guò)把各種類型的傳感器應(yīng)用到煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)中，智能的感知“人員，機(jī)械，礦山環(huán)境”的各種狀態(tài)信息。將現(xiàn)有的分散的，獨(dú)立的，單一的監(jiān)測(cè)監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行升級(jí)，幵放，和集成多綜合的監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)人與機(jī)械的，環(huán)境的和其他物理系統(tǒng)，以及物與物、人與物的互相聯(lián)動(dòng)，從而保證煤礦的安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)督管理中“物物互聯(lián)、智能感知、物物互動(dòng)、智慧處理”的設(shè)想。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知3.2煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知體系煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知是以“科學(xué)采礦”、“智能精準(zhǔn)開(kāi)采”理念為指導(dǎo)，以中國(guó)礦業(yè)大學(xué)多年來(lái)形成的礦壓監(jiān)測(cè)與支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)理論、技術(shù)、軟件、儀器為基礎(chǔ)，以礦山壓力與圍巖控制、煤礦安全高效開(kāi)采、開(kāi)采智能監(jiān)測(cè)為知識(shí)背景，依托中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程雙一流學(xué)科的有利資源，而形成的適用于智能化礦井的感知體系。井下人員信息感知井下設(shè)備工況感知井下生產(chǎn)狀態(tài)感知煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)感知煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知體系第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知井下人員信息感知在進(jìn)行煤礦開(kāi)采過(guò)程中，井下人員管理信息感知系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其具有監(jiān)測(cè)查詢功能、雙卡考勤功能、安全保障功能、遇險(xiǎn)救災(zāi)指引功能、信息聯(lián)網(wǎng)功能等，不僅可以確保煤礦井下開(kāi)采工作的順利進(jìn)行，而且還可以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的了解和掌握井下員工的工作情況，從而有效提高煤礦安全生產(chǎn)和管理水平，對(duì)煤礦企業(yè)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知井下設(shè)備工況感知目前，國(guó)內(nèi)大部分煤礦應(yīng)用設(shè)備巡檢記錄儀讀取設(shè)備標(biāo)志卡，對(duì)機(jī)電設(shè)備主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行人工檢測(cè)與記錄；或者通過(guò)機(jī)電設(shè)備監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)利用各類傳感器實(shí)時(shí)自動(dòng)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳至服務(wù)器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)與發(fā)布。但多數(shù)煤礦機(jī)電設(shè)備配套的專用監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立，無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備間協(xié)同工作。通過(guò)采用井下設(shè)備感知系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)采集機(jī)電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合日常設(shè)備巡檢記錄，對(duì)設(shè)備全生命周期動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備預(yù)防性維護(hù)，使設(shè)備管理及維檢人員及時(shí)準(zhǔn)確地掌握設(shè)備運(yùn)行狀況。各類機(jī)電設(shè)備主要監(jiān)測(cè)參數(shù)見(jiàn)下表。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知4.1分類主要設(shè)備主要監(jiān)測(cè)參數(shù)開(kāi)采設(shè)備采煤機(jī)開(kāi)停狀態(tài)、位置、電壓、電流、牽引速度、左右滾筒高度、溫度、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、方向液壓支架支架高度、前后柱壓力刮板輸送機(jī)開(kāi)機(jī)率、溫度、開(kāi)停狀態(tài)破碎機(jī)開(kāi)停狀態(tài)、負(fù)荷、溫度、運(yùn)行時(shí)間、電壓、電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)載機(jī)開(kāi)停狀態(tài)、負(fù)荷、溫度、運(yùn)行時(shí)間、電壓、電流、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩掘進(jìn)設(shè)備掘進(jìn)機(jī)、連采機(jī)、錨桿機(jī)開(kāi)停狀態(tài)、故障、開(kāi)關(guān)電壓、電流、功率因數(shù)、運(yùn)行時(shí)間、油缸油壓與位移、截割電機(jī)工作時(shí)間供電設(shè)備高低壓配電柜、移動(dòng)變電站、高低壓動(dòng)力開(kāi)關(guān)電壓、電流、電量、有功功率、無(wú)功功率運(yùn)輸設(shè)備主提升機(jī)、副提升機(jī)鉤數(shù)、質(zhì)量、運(yùn)行時(shí)間、提升速度、開(kāi)停狀態(tài)帶式輸送機(jī)運(yùn)煤量、開(kāi)停狀態(tài)、故障狀態(tài)、保護(hù)信號(hào)、運(yùn)行速度、張力、溫度、電流、電壓輔助運(yùn)輸設(shè)備載人（貨）信息、車(chē)輛信息、速度、運(yùn)行軌跡通風(fēng)設(shè)備主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓、風(fēng)量、電壓、電流、振動(dòng)、軸承溫度、繞組溫度、轉(zhuǎn)速壓風(fēng)機(jī)開(kāi)停狀態(tài)、風(fēng)量、壓力、電壓、電流局部通風(fēng)機(jī)開(kāi)停狀態(tài)、電壓、電流煤礦機(jī)電設(shè)備主要監(jiān)測(cè)參數(shù)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知4.1排水設(shè)備水泵運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行臺(tái)數(shù)、排水量、電流、電壓、功率、功率因數(shù)、出口壓力、流量、電動(dòng)閘閥工作狀態(tài)與啟閉位置、電動(dòng)機(jī)溫度保護(hù)信號(hào)、電動(dòng)機(jī)內(nèi)腔貧水保護(hù)信號(hào)、動(dòng)靜態(tài)絕緣監(jiān)測(cè)保護(hù)信號(hào)安全設(shè)備安全監(jiān)控系統(tǒng)分站、電源、傳感器分站在線／斷線、正常／故障等狀態(tài)；電源充電狀態(tài)、輸出電壓和電流；傳感器在線／斷線、標(biāo)校、故障等狀態(tài)瓦斯抽放設(shè)備開(kāi)停狀態(tài)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、供電電壓和電流人員定位基站在線／斷線、正常／故障等狀態(tài)供水設(shè)備流量、壓力、液位、電壓、電流、功率、閥門(mén)開(kāi)閉應(yīng)急通信裝置在線／斷線、正常／故障等狀態(tài)礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備在線／斷線、正常／故障等狀態(tài)IP擴(kuò)播裝置在線／斷線、正常／故障等狀態(tài)工業(yè)視頻設(shè)備在線／斷線、正常／故障等狀態(tài)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知井下生產(chǎn)狀態(tài)感知井下生產(chǎn)狀態(tài)感知需要利用煤礦井下/井上傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸，目前利用較多的傳感方式為有線或無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，本書(shū)以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行闡述。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種自組織網(wǎng)絡(luò)，集數(shù)據(jù)采集、處理和通信于一體，傳感器負(fù)責(zé)采集、處理并壓縮數(shù)據(jù)，使用多跳路由協(xié)議將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到無(wú)線基站網(wǎng)關(guān)。井下無(wú)線覆蓋主要利用本安交換機(jī)、光纖耦合器、本安以太網(wǎng)延長(zhǎng)器以及無(wú)線基站實(shí)現(xiàn)的，工作主要由無(wú)線基站完成。根據(jù)井下網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，在井下巷道、采煤工作面等區(qū)域布置大量的無(wú)線基站，利用無(wú)線基站的覆蓋范圍能力來(lái)保證所有無(wú)線終端所發(fā)射的信息都能被基站接收?；九c本安交換機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)延長(zhǎng)器或光纖耦合器相連接，將接收到的終端信息發(fā)送給交換機(jī)，交換機(jī)通過(guò)光纖耦合器接入井下光纖骨干網(wǎng)，從而將終端的信息傳輸給骨干網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而傳輸?shù)降孛嬷笓]中心。井下生產(chǎn)狀態(tài)傳感網(wǎng)示意圖如下圖所示。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知4.1井下生產(chǎn)狀態(tài)傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)示意圖第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知煤礦安全風(fēng)險(xiǎn)感知煤礦井下開(kāi)采主要的安全風(fēng)險(xiǎn)主要包括如下部分：（1）瓦斯爆炸。礦井中能爆炸的氣體有CH4、H2、C2、H6、H2S、SO2及CO等幾種。其中，以瓦斯的含量最多，約占90%以上。瓦斯的含量是關(guān)系礦井能否發(fā)生瓦斯爆炸的決定因素。礦井中產(chǎn)生瓦斯有以下4個(gè)來(lái)源：1）從采落下來(lái)的煤炭?jī)?nèi)放散出來(lái)的；2）采掘工作面的煤壁內(nèi)涌出來(lái)的；3）從煤巷兩幫及頂?shù)装逵砍鰜?lái)的；4）從采空區(qū)的浮煤涌出來(lái)的。（2）煤塵爆炸。煤礦的采、掘、運(yùn)等生產(chǎn)工藝過(guò)程中，均會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，其粒徑小于1mm。大多數(shù)煤塵在一定條件下都能引燃，并能產(chǎn)生猛烈爆炸破壞。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知4.1（3）煤自然發(fā)火。井下火災(zāi)有2大類：一類是煤層自然發(fā)火，即煤本身自燃而造成的火災(zāi)；另一類是普通火災(zāi)，即由于外部火源，如電氣火花、爆破、吸煙或使用明火等引起井下坑木梢枝或煤炭著火而造成的火災(zāi)。（4）礦井透水。引起礦井水災(zāi)的決定性因素有3個(gè)：水源、涌水通道、聚集和排水條件。水源有地表水和地下水，其中地表水指河流、湖泊、水庫(kù)、池沼等；地下水則是指層間水、構(gòu)造裂隙水、溶洞、老窯積水等。涌水通道是指有構(gòu)造斷裂帶、導(dǎo)水陷落柱及裂隙、封閉不好勘探的導(dǎo)水鉆孔等；聚集和排水條件是指排水系統(tǒng)的完善程度和能力的大小。（5）礦工心理狀態(tài)。從歷年來(lái)所發(fā)生的事故來(lái)看，多數(shù)事故是由于客觀和主觀因素同時(shí)產(chǎn)生作用而發(fā)生的。在煤礦生產(chǎn)中，導(dǎo)致事故的主觀原因是源于某些不良心理。這些不良的心理狀態(tài)使煤礦工人有意識(shí)的進(jìn)行可能帶來(lái)危險(xiǎn)的操作或指揮。比如我們常常提到的僥幸心理、麻痹型心理、懶惰型心理等。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知由于礦業(yè)工程領(lǐng)域地質(zhì)災(zāi)害的復(fù)雜性、隱蔽性和突發(fā)性等顯著特點(diǎn)，且缺少準(zhǔn)確、有效的監(jiān)（檢）測(cè)手段與智能感知設(shè)備，使煤礦開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)安全問(wèn)題不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和有效處理，成為煤礦工程行業(yè)安全隱患的主要根源。因此非常有必要通過(guò)傳感器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)感知，并通過(guò)模糊綜合評(píng)判法來(lái)確定煤礦企業(yè)安全評(píng)價(jià)等級(jí)。煤礦安全評(píng)價(jià)是辨識(shí)和消除煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)危險(xiǎn)的重要方法，我國(guó)煤礦的安全評(píng)價(jià)絕大多數(shù)是應(yīng)用安全檢查表對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，并給出評(píng)價(jià)值，在這一評(píng)價(jià)過(guò)程中，必然要涉及到評(píng)價(jià)指標(biāo)的安全度值問(wèn)題。由于礦井安全評(píng)價(jià)指標(biāo)包含許多不確定性、隨機(jī)性和模糊性，還涉及到人員心理因素等信息量，這就致使安全度的確定出現(xiàn)了不準(zhǔn)確性。為了明確表征煤礦安全程度，需要確定評(píng)價(jià)等級(jí)的分級(jí)方法和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。安全等級(jí)的劃分對(duì)實(shí)現(xiàn)科學(xué)監(jiān)察和分類管理具有十分重要的意義。我們建議，參照危險(xiǎn)源劃分辦法，其它行業(yè)劃分等級(jí)的方法及煤炭行業(yè)的實(shí)際情況，煤礦安全評(píng)價(jià)的等級(jí)依據(jù)專家對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的打分統(tǒng)一劃分為4個(gè)等級(jí)即A、B、C、D。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知1）A級(jí)礦井得分在85～100分之間為安全礦井，該類礦井基本無(wú)安全事故，屬于無(wú)危險(xiǎn)的礦井；2）B級(jí)礦井得分在75～85分之間為基本安全礦井，該類礦井無(wú)大事故，屬于危險(xiǎn)較小的礦井；3）C級(jí)礦井的得分在60～75分之間，這類礦井為安全較差礦井，該類礦井易發(fā)生大事故，屬于危險(xiǎn)很大的礦井，需要停業(yè)整頓；4）D級(jí)礦井的得分在<60分，這類礦井為不安全礦井，該類礦井易發(fā)生重特大事故，屬于非常危險(xiǎn)的礦井，必須關(guān)閉。分級(jí)方法和標(biāo)準(zhǔn)要結(jié)合評(píng)價(jià)方法和危險(xiǎn)源分級(jí)管理的實(shí)際需要來(lái)確定，要比較客觀地反映評(píng)價(jià)煤礦的實(shí)際安全狀況。由于煤礦安全現(xiàn)狀綜合評(píng)價(jià)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，因此對(duì)煤礦安全現(xiàn)狀綜合評(píng)價(jià)等級(jí)采取動(dòng)態(tài)管理，要及時(shí)發(fā)現(xiàn)煤礦安全管理中的重大變化，對(duì)安全管理嚴(yán)重滑坡、對(duì)存在的重大事故危險(xiǎn)源治理不及時(shí)的要采取相應(yīng)處理措施。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知感知數(shù)據(jù)采集技術(shù)3.3煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知關(guān)鍵技術(shù)（1）數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集是利用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)等工具，將工業(yè)/工程現(xiàn)場(chǎng)等諸多實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)信息參數(shù)，通過(guò)處理、分析、壓縮，最后傳輸?shù)街行南到y(tǒng)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的一種技術(shù)。數(shù)據(jù)采集的含義很廣，對(duì)面狀態(tài)連續(xù)物理量的采集可稱為數(shù)據(jù)采集。在計(jì)算機(jī)輔助制圖、測(cè)圖、設(shè)計(jì)中，對(duì)圖形或圖像數(shù)字化過(guò)程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時(shí)被采集的是幾何量（或包括物理量，如灰度）數(shù)據(jù)。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知（2）數(shù)據(jù)采集的目的數(shù)據(jù)采集是計(jì)算機(jī)與外部物理世界連接的橋梁，其原理就是將被測(cè)對(duì)象的各種參量通過(guò)傳感器做適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理、采樣、保持、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E,最后傳送到處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)記錄和顯示打印的過(guò)程，其相應(yīng)的系統(tǒng)，即為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。簡(jiǎn)而言之，數(shù)據(jù)采集的目的是為了測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、電壓、電流、溫度、壓力等物理量。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能傳感器技術(shù)智能傳感器定義智能傳感器概念最初是在美國(guó)宇航局開(kāi)發(fā)宇宙飛船過(guò)程中提出的，即把傳感器和微處理器結(jié)合在一起，這樣在20世紀(jì)70年代末就出現(xiàn)了智能傳感器。目前，認(rèn)為“傳感器的敏感元件及其信號(hào)調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上就是智能傳感器”。智能傳感器主要由傳感器、微處信號(hào)調(diào)理（或微計(jì)算機(jī)）及相關(guān)電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。智能傳感器基本結(jié)構(gòu)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號(hào)，送到信號(hào)調(diào)理電路中，經(jīng)過(guò)濾波、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送到微處理器中，微處理器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析和處理后，一方面通過(guò)反饋回路對(duì)傳感器與信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量過(guò)程的調(diào)節(jié)和控制，另一方面將處理后的結(jié)果傳送到輸出接口，經(jīng)過(guò)接口電路的處理后按照輸出格式和界面定制輸出數(shù)字化測(cè)量結(jié)果。智能傳感器中，微處理器是智能化的核心，軟件部分的運(yùn)算及相關(guān)調(diào)節(jié)與控制只有通過(guò)它才能實(shí)現(xiàn)。智能傳感器的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式既可以是分離的，也可以是集成化的，按實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形式的不同，智能傳感器可以劃分為模塊式、混合式和集成式三種形式。模塊式智能傳感器為初級(jí)的智能傳感器，它由許多相互獨(dú)立的模塊組成（如將微計(jì)算機(jī)、信號(hào)調(diào)理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內(nèi)），由于集成度不高而導(dǎo)致體積較大，但是在目前的技術(shù)水平下，仍不失為一種實(shí)用的結(jié)構(gòu)形式?；旌现悄軅鞲衅鲗鞲衅?、微處理器和信號(hào)處理電路做在不同的芯片上，是目前智能傳感器采用較多的結(jié)構(gòu)形式。集成智能傳感器將一個(gè)或多個(gè)敏感器件與微處理器、信號(hào)處理電路集成在同一硅片上。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，在作用上更加全面，幾乎包括儀器儀表的全部作用，主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：提高測(cè)量精度。增加功能。提高自動(dòng)化程度。高信噪比與高分辨力。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能傳感器的功能與特點(diǎn)就目前而言，智能傳感器的智能化技術(shù)尚處于初級(jí)階段，即數(shù)據(jù)處理層次的低智能化，已經(jīng)具備自診斷、自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)、自學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)記憶、雙向通道、數(shù)字輸出等功能。智能傳感器的最終目標(biāo)是接近或達(dá)到人類的智能水平，能夠像人一樣通過(guò)在實(shí)踐中不斷地改進(jìn)和完善，實(shí)現(xiàn)最佳測(cè)量方案，得到最好的測(cè)量結(jié)果。通常而言，智能傳感器由傳感器單元、微處理器和信號(hào)電路等封裝在同一殼體內(nèi)組成，輸出方式通常采用RS-232、RS-485等申行輸出，或者采用IEEE-288標(biāo)準(zhǔn)總線并行輸出。智能傳感器實(shí)際上是最小的微機(jī)系統(tǒng)，其中作為控制核心的微處理器通常采用單片機(jī)或ARM等芯片控制，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。智能傳感器基本結(jié)構(gòu)框圖第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知邏輯判斷、統(tǒng)計(jì)處理功能自校零（消除零漂）、自標(biāo)定（輸出值對(duì)應(yīng)的輸入值）、自校正（輸出特性的變化）功能軟件組合，設(shè)置多模塊化的硬件和軟件人機(jī)對(duì)話功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能雙向通信和標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出功能智能傳感器功能第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，智能傳感器可選擇性地具有上述功能或者全部功能。智能傳感器有高的標(biāo)準(zhǔn)性、靈活性和可靠性，同時(shí)采用廉價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。具有高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。智能傳感器的功能是通過(guò)模擬人的感官和大腦的協(xié)調(diào)動(dòng)作，結(jié)合長(zhǎng)期以來(lái)測(cè)試技術(shù)的研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而提出來(lái)的。它是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的智能單元，它的出現(xiàn)對(duì)原來(lái)硬件性能的苛刻要求有所減輕，而靠軟件幫助可以使傳感器的性能大幅度提高，同時(shí)采用廉價(jià)的集成電路工藝和芯片以及強(qiáng)大的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，大大降低了傳感器本身的價(jià)格。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知信息存儲(chǔ)和傳輸自補(bǔ)償和計(jì)算功能自檢、自校、自診斷功能復(fù)合敏感功能智能傳感器的集成化智能傳感器的集成化集成智能傳感器的功能有以下三個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：1）較高信噪比2）改善性能3）信號(hào)規(guī)一化第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能傳感器的實(shí)現(xiàn)（1）非集成化實(shí)現(xiàn)非集成化智能傳感器是將傳統(tǒng)傳感器（采用非集成化工藝制作的傳感器，僅具有獲取信號(hào)的功能）、信號(hào)調(diào)理電路、帶數(shù)字總線接口的微處理器合為一體而構(gòu)成的一個(gè)智能傳感器系統(tǒng)，如下圖所示。其中，信號(hào)調(diào)理電路是用來(lái)調(diào)理傳感器輸出信號(hào)的，即將傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入微處理器，再由微處理器通過(guò)數(shù)字總線接口掛接在現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字總線上。這是一種實(shí)現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)最快捷的途徑與方式。非集成式智能傳感器系統(tǒng)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知（2）集成化實(shí)現(xiàn)這種智能傳感器系統(tǒng)是采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝，利用半導(dǎo)體硅作為敏感元件的制作材料，將信號(hào)的調(diào)理電路、微處理器單元等集成在一塊芯片上所構(gòu)成的傳感器，因此又稱為集成智能傳感器。它是將智能傳感器的各個(gè)部分通過(guò)一定的工藝，分層集成在一塊半導(dǎo)體硅片上。隨著微電子技術(shù)和微米、納米技術(shù)的快速發(fā)展，大規(guī)模集成電路工藝日益完善，集成電路器件的集成度越來(lái)越高。它已成功地使各種數(shù)字電路芯片、模擬電路芯片、微處理器芯片、存儲(chǔ)器電路芯片的性價(jià)比大幅度提高。同時(shí)，它又促進(jìn)了微機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，形成了與傳統(tǒng)傳感器制作工藝完全不同的現(xiàn)代智能檢測(cè)傳感器。集成智能傳感器可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)性、高精度、高可靠性與高穩(wěn)定性，按照傳感器的集成度不同分成三種形式：初級(jí)形式、中級(jí)形式和高級(jí)形式。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知（3）混合實(shí)現(xiàn)混合實(shí)現(xiàn)是指根據(jù)需要與可能將系統(tǒng)的各集成化環(huán)節(jié)，如集成化敏感單元、信號(hào)調(diào)理電路、微處理器單元、數(shù)字總線接口等，以不同的組合方式集成在幾塊芯片上，并裝在一個(gè)外殼里。集成化敏感單元包括彈性敏感元件及變換器；信號(hào)調(diào)理電路包括多路開(kāi)關(guān)、儀器放大器、A/D，轉(zhuǎn)換器；微處理器單元包括數(shù)字存儲(chǔ)（EPROM、ROM、RAM）、1/O接口、微處理器、D/A等。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知礦用智能傳感器礦用傳感器主要用于礦井環(huán)境參數(shù)和礦井工況參數(shù)的監(jiān)測(cè)。礦井環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)主要有甲烷濃度、氧氣濃度、粉塵濃度、環(huán)境溫度、風(fēng)量、風(fēng)壓、一氧化碳濃度、二氧化碳濃度和硫化氫濃度。礦井工況監(jiān)測(cè)參數(shù)主要有設(shè)備開(kāi)停、風(fēng)筒風(fēng)量、風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)、輸送機(jī)開(kāi)停、煤倉(cāng)煤位、采煤機(jī)組位置、排水系統(tǒng)、壓風(fēng)系統(tǒng)、主要通風(fēng)機(jī)工作狀況等參數(shù)。礦用傳感器根據(jù)測(cè)量原理可分為電位計(jì)式、應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、磁電式、光敏式、霍爾式、光纖式、氣敏式和智能式等；根據(jù)輸入物理量可分為位移傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器及氣體濃度傳感器等；根據(jù)輸出信號(hào)的性質(zhì)可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器，即模擬式傳感器輸出模擬信號(hào)和數(shù)字式傳感器輸出數(shù)字信號(hào)。礦用傳感器的特點(diǎn)如下：第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知（1）礦用傳感器應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其防爆型式優(yōu)選本質(zhì)安全型，用于安全監(jiān)控的礦用傳感器防爆型式應(yīng)為本質(zhì)安全型，載體催化式甲烷傳感器其防爆型式可采用隔爆兼本質(zhì)安全型，防爆標(biāo)志為ExibdⅠ。在傳感器的外殼明顯處設(shè)有Ex、MA標(biāo)志和計(jì)量器具標(biāo)志。（2）礦用傳感器一般應(yīng)具有顯示功能，顯示應(yīng)清楚準(zhǔn)確。（3）礦用傳感器應(yīng)在9～24V范圍內(nèi)工作，使用單芯截面積為1.5mm2的電纜時(shí)，傳感器與分站之間的傳輸距離不小于2km。礦用傳感器的工作穩(wěn)定性應(yīng)不小于15d。傳感器應(yīng)具有采用遙控器調(diào)校的功能。（4）礦用傳感器應(yīng)能在下列條件下正常工作：溫度為0～40℃；相對(duì)濕度不大于98%；大氣壓力為80～116kPa；風(fēng)速不大于8m/s；存儲(chǔ)溫度為-40～60℃。（5）礦用傳感器的輸出信號(hào)應(yīng)滿足下列要求：電流型為1～5mA或4～20mA；頻率型為200～1000Hz，脈沖寬度大于0.3ms的電流脈沖；數(shù)字信號(hào)的傳輸速率為1200bps、2400bps、4800bps、9600bps等。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能傳感器的系統(tǒng)接入技術(shù)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能傳感器系統(tǒng)接入技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知（1）現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是開(kāi)放型控制系統(tǒng)，也是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是用于現(xiàn)場(chǎng)總線儀表與控制室之間的一種全數(shù)字化、串行、雙向、多站的通信網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線被譽(yù)為測(cè)控領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)，是現(xiàn)代測(cè)量和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑?，F(xiàn)場(chǎng)總線使控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間有了通信能力，并組成信息網(wǎng)絡(luò)，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息集成和企業(yè)綜合自動(dòng)化提供了保障，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已成為現(xiàn)代傳感系統(tǒng)的重要技術(shù)支撐，總線成為傳感器檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的主要特征如下：1）采用數(shù)字式通信方式取代傳統(tǒng)設(shè)備的4~20mA（模擬量）和24VDC開(kāi)關(guān)量信號(hào)。2）與“半數(shù)字”的DCS系統(tǒng)不同，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是一個(gè)“純數(shù)字”系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)里，壓力和溫度變送器須將它們測(cè)量的原始數(shù)字信號(hào)在送入DCS系統(tǒng)前轉(zhuǎn)換成42mA的模擬信號(hào)；而在現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中，從變送器的傳感器到調(diào)節(jié)閥，其信號(hào)一直保持?jǐn)?shù)字性。這就使得更復(fù)雜、更精確的信號(hào)處理得以實(shí)現(xiàn)。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知3）開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)場(chǎng)總線為開(kāi)放式互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它既可與同層網(wǎng)絡(luò)相連，又可與不同層網(wǎng)絡(luò)相連。4）專門(mén)為過(guò)程控制而設(shè)計(jì)。。目前，國(guó)際上有多種現(xiàn)場(chǎng)總線通信標(biāo)準(zhǔn)（或稱為通信協(xié)議模式），如FF（FoundationFieldbus）基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線通信標(biāo)準(zhǔn)、LONWORKS（LocalOperatingNetworks）通信協(xié)議模式、PROFIBUS（ProcessFieldbus）通信協(xié)議模式、HART（HighwayAddressableRemoteTransduser）可尋址遠(yuǎn)程傳感器高速公路通信協(xié)議模式、串行總線和CAN（ControlAreaNetwork）控制局域網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議模式等。在礦山上使用最多的是CAN總線技術(shù)：CAN（ControllerareaNetwork，控制局域網(wǎng)）屬于總線式通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線可廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域中的過(guò)程監(jiān)測(cè)和控制，特別是工業(yè)自動(dòng)化的底層監(jiān)控，以完成控制與監(jiān)測(cè)設(shè)備之間可靠和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知（2）工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以太網(wǎng)（Ethernet）具有流行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，所以在商業(yè)系統(tǒng)中被廣泛采用。以太網(wǎng)用于控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：1）具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)輸出速率（目前已達(dá)到100Mbit/s），能夠滿足帶寬的要求。2）由于具有相同的通信協(xié)議，Ethernet和TCP/TP很容易集成到企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)。3）能在同一總線上運(yùn)行不同的傳輸協(xié)議，從而能建立企業(yè)的公共網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)或基礎(chǔ)構(gòu)架。4）在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)用了交叉式和開(kāi)放式的數(shù)據(jù)存取技術(shù)。5）沿用多年且為眾多的技術(shù)人員所熟悉，市場(chǎng)上能提供廣泛的軟件資源、維護(hù)和診斷工具，成為事實(shí)上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。6）允許使用不同的物理介質(zhì)和構(gòu)成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知（3）無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wirelesssensornetwork，WSN）利用集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)感知、采集和監(jiān)測(cè)對(duì)象或環(huán)境的信息，用微處理器對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼傳送，將網(wǎng)絡(luò)化信息獲取和信息融合技術(shù)相結(jié)合，使終端用戶得到需要的信息。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能傳感器的系統(tǒng)測(cè)試技術(shù)傳感器測(cè)試主要是為了檢測(cè)傳感器的指標(biāo)從而判斷該傳感器是否為合格產(chǎn)品，傳感器的性能指標(biāo)一般包括靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)，靜態(tài)指標(biāo)的檢測(cè)是必需要進(jìn)行的一道工序。傳感器測(cè)試系統(tǒng)作為傳感器檢測(cè)設(shè)備必須具有很高的精度和穩(wěn)定性?？梢酝ㄟ^(guò)選用高精度的數(shù)據(jù)采集板卡，高質(zhì)量的信號(hào)調(diào)理及數(shù)字濾波等手段，開(kāi)發(fā)一種符合精度要求的力敏傳感器測(cè)試系統(tǒng)。傳感器測(cè)試系統(tǒng)是用來(lái)檢測(cè)傳感器的靜態(tài)性能指標(biāo)的一種檢測(cè)裝置。在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下，利用高精度的測(cè)試系統(tǒng)能自動(dòng)完成傳感器的加載、卸載、傳感器數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和分析計(jì)算及參數(shù)表格的保存和打印等功能。具體傳感器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。智能傳感器測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能傳感器系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能化采礦所必須的，而智能傳感器測(cè)試系統(tǒng)對(duì)智能傳感器的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的保障作用。因此，智能傳感器測(cè)試系統(tǒng)的作用可以歸納為以下三個(gè)方面：1）測(cè)試傳感器能否正常工作2）測(cè)試傳感器的靈敏度3）測(cè)試接入系統(tǒng)的可靠性第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能信息處理技術(shù)智能信息處理概述智能信息處理就是將不完全、不可靠、不精確、不一致和不確定的知識(shí)和信息逐步變?yōu)橥耆?、可靠、精確、一致和確定的知識(shí)和信息的過(guò)程和方法。就是利用對(duì)不精確性、不確定性的容忍來(lái)達(dá)到問(wèn)題的可處理性。智能信息處理涉及信息科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域，是現(xiàn)代信號(hào)處理、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)理論、進(jìn)化計(jì)算，也包括人工智能等理論和方法的綜合應(yīng)用。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能信息處理技術(shù)的分類智能信息處理基于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的智能信息處理智能儀器自動(dòng)控制制導(dǎo)系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)自動(dòng)故障診斷系統(tǒng)基于神經(jīng)計(jì)算機(jī)的智能信息處理第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能信息處理技術(shù)主要理論和方法智能信息處理方法模糊理論進(jìn)化算法人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法信息融合技術(shù)除上述技術(shù)以外，還應(yīng)用了密碼技術(shù)、入侵檢測(cè)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能信息通訊技術(shù)智能信息通訊技術(shù)簡(jiǎn)介智能信息通訊技術(shù)是指通過(guò)應(yīng)用智能處理技術(shù)，提供人性化的電信服務(wù)，主要用于解決各種遠(yuǎn)程服務(wù)中的人機(jī)交互問(wèn)題。而在智能采掘中，這項(xiàng)技術(shù)更是必不可少的。智能化是信息通訊的新動(dòng)向、新階段。通信的智能化已成為目前通信研究的熱點(diǎn)。智能信息通訊業(yè)務(wù)將改變通信方法和商務(wù)處理，使人們應(yīng)用通信更加方便和豐富。智能通信將逐漸融合到人們的生活中，人們不僅能夠自由選擇通信業(yè)務(wù)和設(shè)備，而且可以通過(guò)技術(shù)和業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)個(gè)性化，從而以滿足人們的各種需求。智能信息通訊是人工智能技術(shù)與通訊技術(shù)相結(jié)合的，即：第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知AI+CT→IC式中：AI（ArtificalIntelligence)—人工智能；

CT(ComunicationTechnology)—通信技術(shù)；

IC(IntelligentComunication)—智能信息通訊。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能信息通訊的分類分布智能信息通訊技術(shù)移動(dòng)智能信息通訊技術(shù)互動(dòng)智能信息通訊（1）分布智能信息通訊分布智能信息通訊是分布式人工智能技術(shù)與通訊技術(shù)相結(jié)合的，即:DAI+CT→DIC第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知式中：DAI—分布式人工智能；

CT—通信技術(shù)；

DIC—分布智能信息通訊。分布智能信息通訊與智能采掘相關(guān)方案之一是煤礦公共知識(shí)庫(kù)的智能信息通訊，如下圖所示。具有煤礦公共知識(shí)庫(kù)的智能信息通訊圖3-6中，MCKB（minecommonknowledgebase）為煤礦公共知識(shí)庫(kù)，由于“信源”和“信宿”具有分布式煤礦公共知識(shí)庫(kù)，所以，可以顯著減少(壓縮)需要經(jīng)“信道”傳輸?shù)男畔?。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知（2）互動(dòng)智能信息通訊互動(dòng)信息通訊是信息推送與信息拉取技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，即：IPUSH+IPULL→IMC式中：IPUSH（InformationPush)—信息推送，如網(wǎng)播技術(shù)等；IPULL（Informationpull）—信息拉取，如查詢搜索引擎等；IMC（IntelligentComunication)—互動(dòng)信息通訊，如信息推拉。信息“推送”與信息“拉取”技術(shù)，具有及時(shí)性好、對(duì)用戶要求低等優(yōu)點(diǎn)，但信息“推送”具有很大局限性：1）不能確保發(fā)送成功。2）沒(méi)有信息狀態(tài)跟蹤。3）沒(méi)有群組管理功能。針對(duì)以上問(wèn)題，在人工智能與互動(dòng)通信相結(jié)合的基礎(chǔ)上，提出了互動(dòng)智能信息通訊技術(shù)，旨在提高網(wǎng)路及數(shù)據(jù)庫(kù)的智能水平。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知互動(dòng)智能信息通訊是分布式人工智能技術(shù)與互動(dòng)通訊技術(shù)相結(jié)合的，即:AI+IMC→IMIC式中：AI—人工智能；IMC—互動(dòng)通訊技術(shù)；IMIC（IntelligentComunication)—互動(dòng)智能信息通訊。（3）移動(dòng)智能信息通訊移動(dòng)智能信息通訊是人工智能能與移動(dòng)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，即：AI+MC→MIC式中：AI—人工智能；IMC—移動(dòng)通訊技術(shù)；MIC—移動(dòng)智能信息通訊。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知按照移動(dòng)通訊的模式，移動(dòng)智能信息通可分為以下幾種：1）全移動(dòng)智能信息通訊。全部通訊用戶（信源或信宿）都是可移動(dòng)的，即移動(dòng)信源與移動(dòng)信宿之間的智能通訊。2）半移動(dòng)智能信息通訊。部分通信用戶(信源或信宿)是可移動(dòng)的，如固定的信息中心或者指揮中心與移動(dòng)的信息采集系統(tǒng)或指令執(zhí)行系統(tǒng)之間的智能訊。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知智能信息通訊系統(tǒng)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，各行各業(yè)對(duì)通信的需求不斷提高。從多種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和實(shí)際應(yīng)用調(diào)查表明，國(guó)內(nèi)的通訊領(lǐng)域有以下發(fā)展趨勢(shì)：新的應(yīng)用將得到多媒體的支持。借組網(wǎng)絡(luò)互連和網(wǎng)絡(luò)集成降低系統(tǒng)成本。通過(guò)擴(kuò)展通信系統(tǒng)和語(yǔ)音功能提高系統(tǒng)生產(chǎn)能力。使用語(yǔ)音和數(shù)字應(yīng)用集成增強(qiáng)系統(tǒng)效率。系統(tǒng)投資保護(hù)和面向未來(lái)的升級(jí)手段。保護(hù)用戶現(xiàn)有的應(yīng)用。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知設(shè)計(jì)智能信息通訊系統(tǒng)應(yīng)遵循以下原則：（1）實(shí)用性：（2）先進(jìn)性：（3）安全可靠性（4）擴(kuò)展性（5）規(guī)范性第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)技術(shù)傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系架構(gòu)是傳感網(wǎng)絡(luò)的“軟件”部分，包括網(wǎng)絡(luò)的階議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其部件完成功能的定義與描述，由網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理以及應(yīng)用支持技術(shù)組成．如下圖所示。傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議架構(gòu)類似于傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層組成。物理層的功能包括信道選擇、無(wú)線信號(hào)的監(jiān)測(cè)、信號(hào)的發(fā)送與接收等。傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸介質(zhì)可以是無(wú)線、紅外或者光波等。物理層的設(shè)計(jì)目標(biāo)是以盡可能少的能量損耗獲得較大的鏈路容量。數(shù)據(jù)鏈路層的主要任務(wù)是加權(quán)物理層傳輸原始比特的功能，使之對(duì)上層顯現(xiàn)一條無(wú)差錯(cuò)的鏈路，該層一般包括媒體訪問(wèn)控制(MAC)子層與邏輯鏈路控制(LLC)子層,其中MAC層規(guī)定了不同用戶如何共享信道資源，LLC層負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能包括分組路由、網(wǎng)絡(luò)互連等。傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸控制，提供可靠高效的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖基本結(jié)構(gòu)3.4光纖光柵智能感知技術(shù)光纖（光導(dǎo)纖維）是工作在光波波導(dǎo)的一種介質(zhì)波導(dǎo)，因其具有數(shù)據(jù)容量大、耐久性好、傳輸快、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信領(lǐng)域。光纖基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。光纖基本結(jié)構(gòu)示意圖光纖纖芯和包層是光纖的主體，對(duì)光波的傳輸起決定性作用，光纖的纖芯由純石英（成分為SiO2）組成，光纖纖芯中含有少量的摻雜劑，如硼或鍺，目的是為了提高光纖纖芯的折射率，形成全內(nèi)反射條件下傳導(dǎo)光波限制在光纖纖芯中，包層的折射率稍小于光纖纖芯的折射率，為光波在光纖中的全內(nèi)反射提供條件。第三章

煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光波在光纖中的工作傳輸原理是基于光的全反射現(xiàn)象。當(dāng)光波在纖芯內(nèi)傳輸時(shí)，由于光纖纖芯折射率大于包層折射率，則當(dāng)滿足數(shù)值孔徑要求的光束傳輸?shù)嚼w芯和包層的光纖界面時(shí)，在光束入射角大于臨界角情況下，入射光束將不發(fā)生折射，全部沿著光纖纖芯反射向前傳播。光纖按傳輸模式分為單模光纖（纖芯中只傳輸一種模式的光波）和多模光纖（纖芯中傳輸多種模式的光波）。光纖能把以光波形式出現(xiàn)的電磁波能量利用全內(nèi)反射的原理將其約束限制在光纖纖芯內(nèi)，并引導(dǎo)光波沿著光纖軸線的方向向前傳播。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵感知原理光纖光柵制作光纖光柵制作和寫(xiě)入技術(shù)有：相位掩模板技術(shù)、全息成柵技術(shù)、振幅掩模技術(shù)、在線寫(xiě)入技術(shù)和逐點(diǎn)寫(xiě)入技術(shù)等。而相位掩模板法寫(xiě)入技術(shù)是目前制作FBG最常用的方法，其制作FBG原理如圖所示。通過(guò)壓制紫外光束的衍射光，有效利用±l階衍射光束通過(guò)相位掩模板形成的空間干涉條紋照射摻鍺的光纖，光纖纖芯經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的照射后，纖芯內(nèi)的折射率便會(huì)發(fā)生永久性的改變，形成了永久性的周期性折射率調(diào)制相位掩模板法制作寫(xiě)入FBG原理圖第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵結(jié)構(gòu)及傳感原理圖，(a)光纖束，(b)光纖橫截面，(c)光纖光柵結(jié)構(gòu)，(d)光纖光柵傳感原理光纖光柵傳感原理第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖布拉格光柵反射波長(zhǎng)的基本關(guān)系式為：（3-1）

光纖布拉格光柵反射后的中心峰值波長(zhǎng)，通常在1510~1590nm；neff為光纖傳播時(shí)纖芯的有效折射率通常取1.33~1.55；

為相鄰光柵之間的柵距，稱作光纖光柵周期。光纖光柵的周期在尺寸上非常?。◣装偌{米級(jí)），改變兩相干紫外光束的相對(duì)角度，使光波通過(guò)光纖光柵時(shí)的柵距，柵面角度微小變動(dòng)，就可以制作不同反射波長(zhǎng)的光纖光柵。其中：λB為第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知FBG傳感的基本原理是寬帶光源將具有帶寬的光通過(guò)隔離器和耦合器入射到光纖光柵中，當(dāng)外界環(huán)境的激勵(lì)（應(yīng)力、應(yīng)變、溫度）發(fā)生改變時(shí)，無(wú)論是對(duì)光柵進(jìn)行拉伸還是擠壓，F(xiàn)BG本身結(jié)構(gòu)的周期

會(huì)發(fā)生變化，并且光纖本身的彈光效應(yīng)使有效折射率neff也隨外界應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的變化而改變；當(dāng)光纖光柵受到外界溫度變化影響時(shí)，熱膨脹效應(yīng)會(huì)使光纖光柵周期

發(fā)生變化，與此同時(shí)熱光效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致光纖光柵的有效折射率neff發(fā)生變化。光纖光柵周期和折射率會(huì)發(fā)生改變，從而造成FBG光譜參數(shù)（反射中心波長(zhǎng)）發(fā)生改變，光譜參數(shù)的變化與外界物理量的變化遵從一定的規(guī)律，將FBG連接到光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)上，解調(diào)系統(tǒng)把測(cè)量光譜參數(shù)的變化解調(diào)出來(lái)，即可求得外界物理量的變化，這樣就實(shí)現(xiàn)了FBG的傳感。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知

在進(jìn)行光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)研制時(shí)，光纖光柵是決定傳感器性能優(yōu)良的重要環(huán)節(jié)，可以通過(guò)其主要特征參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。名稱單位參數(shù)中心波長(zhǎng)nm1510~1590光柵長(zhǎng)度mm10反射率%≥90反射帶寬nm≤0.3邊模抑制比dB≥15光柵陣列波長(zhǎng)間隔nm5光纖光柵主要特征參數(shù)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵感知特性光纖光柵應(yīng)變感知特性

目前各種光纖光柵傳感器基本上都是通過(guò)被測(cè)量來(lái)直接或間接改變光纖光柵反射中心波長(zhǎng)，達(dá)到被測(cè)物理量感測(cè)的目的。光纖光柵解調(diào)儀

研究光纖布拉格光柵的應(yīng)變感知模型及傳感特性、溫度感知模型及傳感特性、應(yīng)變感知的溫度補(bǔ)償以及應(yīng)變-溫度交叉敏感耦合效應(yīng)等是研究開(kāi)發(fā)光纖布拉格光柵傳感器的基礎(chǔ)。直接間接中心波長(zhǎng)物理量第三章

煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知

當(dāng)溫度保持恒定時(shí)，光纖光柵只受到軸向應(yīng)力應(yīng)變情況下，中心波長(zhǎng)將會(huì)跟著發(fā)生漂移變化，研究光纖光柵應(yīng)變感知特性之前，做如下假設(shè)：（1）在研究的應(yīng)力應(yīng)變范圍內(nèi)，假定光纖光柵看作為理想的彈性體，遵循胡克定律，且在其內(nèi)部不發(fā)生剪切應(yīng)力應(yīng)變；（2）假定折射率變化在光纖光柵橫截面均勻分布，且這種折射率變化對(duì)光纖本身材料特性及各向同性特點(diǎn)不產(chǎn)生影響。

基于以上兩點(diǎn)假設(shè)，建立光纖布拉格光柵的應(yīng)力應(yīng)變感知模型第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知根據(jù)FBG的布拉格條件（公式（3-1）），光纖光柵中心波長(zhǎng)及其光譜特性由光纖光柵的有效折射率

和光柵周期

決定，對(duì)公式（3-1）進(jìn)行微分可得：(3-2)式中：

為光纖光柵反射中心波長(zhǎng)的漂移量；

為光纖本身在應(yīng)力作用下的彈性變形；

為光纖的彈光效應(yīng)引起的折射率變化。將公式（3-2）兩端分別除以公式（3-1）兩邊，可得：(3-3)在不考慮波導(dǎo)效應(yīng)對(duì)光纖光柵折射率的影響，在均勻軸向應(yīng)變作用下，根據(jù)材料的彈光效應(yīng)得到：(3-4)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知式中：

與表示彈光系數(shù)；

表示橫向應(yīng)變，

；

表示光纖的泊松比。整理公式（3-4）可得：(3-5)在線彈性范圍內(nèi)，有：(3-6)將式（3-6）、（3-5）帶入式（3-3），整理可得：(3-7)令為有效彈光系數(shù)，將其帶入公式（3-7），于是可以得到軸向應(yīng)力應(yīng)變引起的光纖光柵反射中心波長(zhǎng)變化為：第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知(3-8)公式（3-8）為光纖光柵在軸向應(yīng)力應(yīng)變下的波長(zhǎng)特性數(shù)學(xué)方程，可以看出對(duì)于彈光系數(shù)

來(lái)說(shuō)，其數(shù)值大小由光纖的有效折射率、彈光系數(shù)和泊松比決定。對(duì)于某一具體的光纖光柵來(lái)說(shuō)，由于其材料特性已經(jīng)確定，因此，

為常數(shù)。這表明光纖光柵在受單純的軸向應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，反射中心波長(zhǎng)漂移量與軸向應(yīng)變呈線性變化的關(guān)系，保證光纖光柵作為應(yīng)變傳感器具有良好的線性輸出。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知中心波長(zhǎng)取1550nm，光柵長(zhǎng)度為10mm，光柵周期為527.9nm，軸向應(yīng)變分別為2000με、1000με、0με、-1000με、-2000με時(shí)的反射光譜。從圖中可以看出對(duì)于均勻周期光纖光柵，在其受靜態(tài)應(yīng)變時(shí)，光纖光柵的反射光譜只是整體波長(zhǎng)發(fā)生偏移，而其光譜形狀并不發(fā)生改變。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵中心波長(zhǎng)（nm）每微應(yīng)變下波長(zhǎng)變化（pm）15401.201215451.205115501.20915551.212915601.216815651.2207取中心波長(zhǎng)為1540nm、1545nm、1550nm、1555nm、1560nm、1565nm，可計(jì)算得每微應(yīng)變導(dǎo)致的波長(zhǎng)變化可見(jiàn)，對(duì)于1550nm的光波波段，單位微應(yīng)變導(dǎo)致的反射中心波長(zhǎng)變化約為1.2pm，即光纖光柵應(yīng)變靈敏度為1.2pm/με。中心波長(zhǎng)變化不大時(shí)，光纖光柵應(yīng)變靈敏度相差不大，但是由于實(shí)際應(yīng)用中采用的光纖不同、寫(xiě)入光柵的工藝方法不同以及退火工藝的差別，導(dǎo)致不同光纖光柵的傳感靈敏度會(huì)有差異，因此不同的光纖光柵必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定才能用作實(shí)際測(cè)量。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵溫度傳感特性

當(dāng)光纖光柵處于不受外力作用的自由狀態(tài)時(shí)，如果溫度發(fā)生改變，光纖自身材料如熱光效應(yīng)、熱膨脹效應(yīng)會(huì)引起光纖光柵反射中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。光纖材料的熱光效應(yīng)使光纖光柵的折射率發(fā)生改變，熱膨脹效應(yīng)會(huì)使光柵的周期發(fā)生改變。為了得到光纖光柵溫度感知特性，作以下假設(shè)：（1）假定光纖光柵處于均勻的溫度場(chǎng)中，不考慮光柵不同位置的溫差效應(yīng)，同樣忽略光纖光柵不同位置溫差引起的熱應(yīng)力效應(yīng)；（2）假定光纖光柵處于光纖材料的線性熱膨脹范圍，不考慮溫度的變化對(duì)熱膨脹系數(shù)的影響，即認(rèn)為在測(cè)量范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)保持不變；（3）假定光纖光柵反射中心波長(zhǎng)在其波長(zhǎng)變化范圍內(nèi)，光纖材料的熱光系數(shù)保持不變。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知根據(jù)FBG的布拉格條件（公式（3-1）），光纖光柵中心波長(zhǎng)及其光譜特性由光纖光柵的有效折射率

和光柵周期

決定，公式（3-1）對(duì)溫度進(jìn)行微分可得：(3-9)公式（3-9）兩端分別除以公式（3-1）的兩邊項(xiàng)，可得：(3-10)令，表示光纖材料的熱光系數(shù)；

，表示光纖材料的熱膨脹系數(shù)。這樣公式(3-10)可以簡(jiǎn)化為以下形式：(3-11)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知從上式（3-11）可以看出當(dāng)光纖光柵材料確立之后，光纖光柵對(duì)溫度的靈敏度系數(shù)基本上是一個(gè)常數(shù)，這就從理論上保證了采用光纖光柵作為溫度傳感器進(jìn)行溫度感知測(cè)量時(shí)可以得到很好的線性輸出。光纖光柵反射中心波長(zhǎng)與溫度變化關(guān)系第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵中心波長(zhǎng)（nm）每單位溫度波長(zhǎng)變化（pm）154011.627154511.665155011.701155511.74156011.778156511.816可見(jiàn)，對(duì)于1550nm的光波波段，單位溫度變化導(dǎo)致的光纖光柵反射中心波長(zhǎng)變化約為11.7pm，即光纖光柵溫度靈敏度為11.7pm/℃。中心波長(zhǎng)變化不大時(shí)，光纖光柵溫度靈敏度相差不大。單位溫度下光纖光柵反射中心波長(zhǎng)變化第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵應(yīng)變-溫度交叉?zhèn)鞲刑匦愿鶕?jù)以上的分析，光纖光柵是一種對(duì)應(yīng)變和溫度都同時(shí)敏感的傳感元件，僅測(cè)量單個(gè)的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量，很難區(qū)別出應(yīng)變和溫度分別造成的波長(zhǎng)變化，由前兩節(jié)的應(yīng)變和溫度感知模型分析可知，對(duì)于中心波長(zhǎng)在1550nm的波段，其應(yīng)變靈敏度約為1.2pm/με，溫度靈敏度約為11.7pm/℃，溫度靈敏度相當(dāng)于應(yīng)變靈敏度的10倍，因此當(dāng)溫度變化較大的環(huán)境中使用光纖光柵做傳感器件必須考慮溫度的影響，需要剔除應(yīng)變-溫度耦合感知的作用，否則會(huì)因?yàn)闇囟茸兓瘜?dǎo)致測(cè)量精度的不準(zhǔn)確。通過(guò)某種方法剔除溫度擾動(dòng)引起的波長(zhǎng)漂移，使應(yīng)變測(cè)量不受環(huán)境溫度變化的影響，即為光纖光柵的溫度償方法。到目前為止對(duì)光纖光柵傳感器設(shè)計(jì)及實(shí)際工程中進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)闹饕椒ㄓ芯酆衔锓庋b法、不受力光柵溫度補(bǔ)償法、啁啾法、FBG與法布里-珀羅腔組合法，負(fù)溫材料法和應(yīng)變、溫度雙參量同時(shí)測(cè)試的雙光柵疊加法等技術(shù)。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知①聚合物封裝法是利用聚合物對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝降低其靈敏度系數(shù)，減少它對(duì)溫度的影響。但是聚合物封裝法只是消除了光柵溫敏的熱膨脹部分，不能消除光敏部分。②啁啾方法的成本過(guò)高，而且使用過(guò)程可靠性差，其廣泛使用受到一定的限制。③負(fù)溫材料法由于負(fù)熱材料的應(yīng)用，使所測(cè)試溫度范圍受到一定限制，且成本高，難以取得實(shí)際應(yīng)用的良好效果。④雙光柵疊加法要求兩個(gè)光纖光柵中心反射波長(zhǎng)具有足夠大的差別，但因?yàn)殡p光纖光柵的靈敏度系數(shù)很接近,導(dǎo)致測(cè)量計(jì)算值誤差過(guò)大。綜上而言，采用不受力光纖光柵溫度補(bǔ)償法是一種最簡(jiǎn)單方便、經(jīng)濟(jì)可靠的補(bǔ)償方法。不受力光纖光柵溫度補(bǔ)償法，就是將兩個(gè)光纖光柵布置在同一個(gè)環(huán)境溫度場(chǎng)中，其中一個(gè)光纖光柵布設(shè)在被測(cè)結(jié)構(gòu)對(duì)象，同時(shí)感知被測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度參數(shù)，另一個(gè)光纖光柵布設(shè)在與被測(cè)結(jié)構(gòu)材料相同但不受外力作用的構(gòu)件上，僅用于感知被測(cè)溫度參數(shù)，作為溫度補(bǔ)償，通過(guò)這種方法就保證了兩根光纖光柵感知相同的溫度影響，以溫度補(bǔ)償光柵為參考就可以得到被測(cè)結(jié)構(gòu)的真實(shí)應(yīng)變信息。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知在不考慮光纖光柵應(yīng)變-溫度的耦合效應(yīng),即應(yīng)變與溫度對(duì)光纖光柵反射中心波長(zhǎng)的作用相互獨(dú)立且都為線性關(guān)系,則應(yīng)變與溫度作用下的光纖光柵反射中心波長(zhǎng)漂移如下：(3-12)令，表示光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，

，表示光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)，則公式（3-12）可簡(jiǎn)化為：(3-13)因此對(duì)于工作在相同環(huán)境溫度場(chǎng)中的兩個(gè)光纖光柵，它們的中心波長(zhǎng)變化分別為：(3-14)聯(lián)立式（3-14）和（3-15），可以得出剔除溫度影響后的應(yīng)變?yōu)椋?3-15)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知(3-16)應(yīng)變單獨(dú)引起的波長(zhǎng)漂移為：(3-17)通過(guò)公式(3-17)就可以實(shí)現(xiàn)溫度的補(bǔ)償，另外，在同一個(gè)溫度場(chǎng)中，可以使用一個(gè)光纖光柵溫度傳感器實(shí)現(xiàn)多個(gè)光纖光柵應(yīng)變的溫度補(bǔ)償，進(jìn)而消除應(yīng)變-溫度耦合感知效應(yīng)。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵準(zhǔn)分布式傳感特性目前，在光纖上寫(xiě)入多個(gè)反射中心波長(zhǎng)互不相同的光柵（光柵串）已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合光纖光柵的優(yōu)良特性，能夠?qū)⒐饫w光柵構(gòu)建成點(diǎn)陣、線陣和面陣等多種準(zhǔn)分布感知拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)對(duì)象的多點(diǎn)感測(cè)或準(zhǔn)分布實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)。因此對(duì)光纖光柵的準(zhǔn)分布感知特性研究顯得尤為重要。當(dāng)多個(gè)光纖光柵串接形成傳感陣列進(jìn)行準(zhǔn)分布監(jiān)測(cè)時(shí)，為了解調(diào)系統(tǒng)獲取每一個(gè)反射中心波長(zhǎng)信息，需要保證能夠“搜尋”每一個(gè)光柵，要求陣列中各個(gè)光纖光柵中心波長(zhǎng)及其變化范圍不能重疊交叉、互不擾動(dòng)。假設(shè)光纖光柵在兩端的反射中心波長(zhǎng)分別為

和，傳感陣列中第i和第j是兩個(gè)相鄰的光纖光柵，在外界激勵(lì)（應(yīng)力應(yīng)變或溫度）的影響下反射中心波長(zhǎng)最大的正向漂移量分別為

和，最大的負(fù)向漂移量分別為

和。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵準(zhǔn)分布感知模型如圖3-13所示。光纖光柵準(zhǔn)分布感知模型在光纖光柵準(zhǔn)分布感知陣列中，兩個(gè)相鄰的光纖光柵中心波長(zhǎng)需要有一定的間隔，相鄰兩個(gè)光纖光柵感知信號(hào)互不串?dāng)_必須滿足：(3-18)式中：

，為光纖光柵準(zhǔn)分布感知中各個(gè)反射中心波長(zhǎng)。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知在此定義，光纖光柵準(zhǔn)分布感知信號(hào)分辨因子

為：(3-19)式中：

表示相鄰的兩個(gè)光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)差，表示相鄰的兩個(gè)光纖光柵反射中心波長(zhǎng)的相對(duì)漂移。如果兩個(gè)光纖光柵的波長(zhǎng)信號(hào)均保證能夠被光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)“搜尋”出來(lái)，則感知信號(hào)分辨因子

。實(shí)際上感知信號(hào)分辨因子由相鄰光纖光柵反射中心波長(zhǎng)的相對(duì)漂移量、相鄰光纖光柵的反射中心波長(zhǎng)差、光纖光柵的反射帶寬及光纖光柵傳感解調(diào)系統(tǒng)的光電探測(cè)器掃描分辨率決定。由此可以大致確定光纖光柵準(zhǔn)分布感知系統(tǒng)的復(fù)用能力（光纖光柵數(shù)量）表達(dá)式為：ψij＞0(3-20)第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵封裝技術(shù)光纖光柵的中心波長(zhǎng)易受溫度、應(yīng)變、壓力等外界參數(shù)的影響產(chǎn)生中心波長(zhǎng)漂移，而裸光柵的敏感度比較低，不能滿足實(shí)際測(cè)量的需求，而且光纖本身脆弱、纖細(xì)，容易折斷破壞，因此要對(duì)光纖光柵進(jìn)行封裝增敏處理。而良好的封裝技術(shù)應(yīng)保證測(cè)量的精確性以及測(cè)試的長(zhǎng)期性。影響封裝技術(shù)好壞的因素主要包括：選擇合適的封裝材料，采用合理的封裝形式。封裝材料（1）金屬材料。根據(jù)用途不同，光纖光柵傳感器封裝過(guò)程中所釆用的金屬材料分為三類，一是基體材料的合金剛基片，二是管式封裝用到的銅管或其他金屬毛細(xì)管，三是在光纖光柵金屬化工藝中所用到的鎳、銅、銀等電鍍材料。（2）非金屬材料。采用膠黏劑封裝光纖光柵傳感器是目前較為常用的一種封裝方法。利用膠黏劑良好的粘貼性使光纖光柵與基體材料緊緊粘貼一起，從而達(dá)到傳遞應(yīng)變的目的。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知封裝形式根據(jù)傳感器在使用場(chǎng)合及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的不同，可分為保護(hù)性封裝、敏化封裝和補(bǔ)償性封裝。銅片封裝光纖光柵傳感器示意圖管式封裝光纖光柵傳感器示意圖（1）保護(hù)性封裝第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知保護(hù)性封裝可以保護(hù)光纖光柵少受損害，提高傳感器的成活率，但是保護(hù)性封裝較少考慮到傳感器的靈敏性，而且不同測(cè)試情況對(duì)于靈敏度的要求是不同的，有的時(shí)候需要提高傳感器對(duì)某些參數(shù)的靈敏度，即進(jìn)行增敏處理；而有些時(shí)候需要降低傳感器對(duì)其他參數(shù)的敏感度，這就需要減敏處理。（2）敏化封裝（3）補(bǔ)償性封裝溫度補(bǔ)償性封裝是為了解決溫度-應(yīng)變的交叉敏感問(wèn)題而提出的一種封裝方法，采用這種封裝方法，可以刪除某一干擾參數(shù)。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵錨桿測(cè)力計(jì)3.5礦用光纖光柵智能傳感器光纖光柵錨桿測(cè)力傳感器主要由壓力環(huán)、油管、壓力表和FBG壓力傳感器組成，油缸通過(guò)油管和三通分別與壓力表和FBG壓力傳感器連接，如右圖所示。其中壓力環(huán)內(nèi)裝有液壓油，利用O型圈、活塞和端蓋進(jìn)行封裝，如右圖所示。液壓油作為傳感器的傳力介質(zhì)，是外力向傳感器內(nèi)部傳遞的途徑，其作用是將外部載荷傳遞到FBG壓力傳感器，并通過(guò)壓力表實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值。光纖光柵錨桿測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖：（a）壓力環(huán)剖面示意圖，（b）FBG壓力傳感器，（c）FBG傳感器實(shí)物圖第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵測(cè)力錨桿基于光纖光柵傳感原理，結(jié)合錨桿的自身結(jié)構(gòu)特征，提出了基于光纖光柵的錨桿桿體應(yīng)力感知技術(shù)，設(shè)計(jì)的準(zhǔn)分布式光纖光柵錨桿應(yīng)力傳感器如右圖所示。該傳感器主要由螺母、托盤(pán)、錨桿、光纖、光纖光柵串組成。錨桿尺寸為Φ20×2000mm，首先需沿錨桿桿體方向刻制凹槽，隨后在桿體凹槽內(nèi)粘貼光纖光柵傳感器（共含F(xiàn)BG1、FBG2、FBG3三個(gè)光柵點(diǎn)）來(lái)感知錨桿淺、中、深部桿體應(yīng)力特征。1-螺母，2-托盤(pán)，3-錨桿，4-光纖，5-凹槽，6-FBG3，7-FBG2，8-FBG1，9-尾纖接頭

光纖光柵錨桿應(yīng)力傳感器：（a）示意圖，（b）實(shí)物圖第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知在實(shí)際圍巖應(yīng)力場(chǎng)中，采用錨桿桿體內(nèi)部粘貼的光纖光柵傳感器來(lái)感知桿體各部分的軸向應(yīng)力。通過(guò)在桿體凹槽內(nèi)側(cè)粘貼光纖光柵，可以使光纖光柵傳感器在錨桿桿體受?chē)鷰r粘結(jié)力以及摩擦力等作用下使得桿體產(chǎn)生伸縮變形。此時(shí)由于桿體的彈性模量遠(yuǎn)大于煤巖體的彈性模量，桿體抑制圍巖變形，從而造成桿體在軸向受力，桿體表面會(huì)產(chǎn)生拉伸或者壓縮的細(xì)微變形，最終粘貼在桿體凹槽內(nèi)壁的光纖光柵產(chǎn)生變形，波長(zhǎng)變化量改變，通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀即可調(diào)制解調(diào)出錨桿受力大小。FBG錨桿應(yīng)力傳感器需經(jīng)過(guò)精細(xì)的封裝步驟如：錨桿表面刻槽并用砂紙磨去毛刺→凹槽表面酒精擦拭清潔處理→定位測(cè)點(diǎn)、調(diào)制封裝膠并粘貼固定光纖光柵→膠裝保護(hù)等詳細(xì)步驟才可應(yīng)用于實(shí)際工程，研制的成品上圖（b）所示。第三章煤礦開(kāi)采環(huán)境智能感知光纖光柵頂板離層儀本節(jié)提出了一種懸臂梁式光纖光柵頂板離層儀，如右圖所示。在光纖光柵-機(jī)械變送部分內(nèi)布置兩個(gè)矩形懸臂梁。當(dāng)傳感器所監(jiān)測(cè)的巷道頂板受采動(dòng)影響而出現(xiàn)離層時(shí)，傳感器的鋼絲繩擋套在錨固爪的帶動(dòng)下，驅(qū)使彈簧產(chǎn)生形變，彈簧拉動(dòng)矩形懸臂梁發(fā)生彎