光栅式传感器（optical graTIng transducer）指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为 10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。光栅传感器通常作为测量元件应用于程控、机床定位、长度和角度的计量仪器中，在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。

建立了简支梁的多裂纹损伤模态，在振动状态下，研究了由光纤布拉格光栅应变传感阵列测量的简支梁的多损伤检测方法。 从0hz到200hz，使用激励器振动简支梁，其损伤程度不同，简支梁的谐振频率发生了变化。 因此，当损伤在简支梁中出现时，局部刚度将降低，简支梁的共振频率将受到影响，由此确定了简支梁的损伤状态。 实验结果表明，简单支撑梁在无损伤，一损伤，二损伤，三损伤的情况下，其共振频率发生了变化。 据此，光纤布拉格光栅应变传感阵列可以检测振动状态下简单支撑梁的多裂纹损伤。

针对矿井提升机盘式制动器制动力矩现有测量方法准确度不高和难以直接测量的问题,在分析盘式制动器工作原理与受力情况的基础上,提出了基于制动器支座应变与光纤光栅的制动器力矩测量方法。首先由Solid Works建立了制动器支座的三维模型,经过ANSYS有限元分析,得到了支座的应变云图,以及应变与制动力矩之间的函数关系;其次基于应变云图确定了敏感元件布置位置,选择确定了适于微小应变测量的光纤光栅式敏感元件及其型号,并建立了制动力矩与光纤光栅波长变化量的函数关系;最终实现了基于支座应变与光纤光栅的盘式制动器力矩测量。

为了满足煤矿瓦斯监测的需要,研制了一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感技术的瓦斯监测系统。详细讨论了系统的软、硬件设计,系统具有完成数据的采集、传输、记录、数据显示及超限报警等功能,具有性能稳定、灵敏度较高、测量范围宽、重复性好等特点,适用于煤矿井下瓦斯监测。

针对深厚松散层冻结井筒解冻期间井壁受力特性变化复杂的难题,为确保板集煤矿副井井筒施工安全,基于光纤光栅传感技术,分析了传感力学模型,采用埋入式FBG传感器构建了在线监测系统,对井筒井壁结构进行信息化监测,获得了多方位、多层位井筒应变的实时数据。通过与传统的振弦式传感技术监测数据相比较,发现2种监测结果在时空上具有一致性,都能基本反映副井井筒弯曲段复杂受力状况。应用结果表明:光纤光栅传感监测系统可在线实时监测井壁内部混凝土的应变变化情况,可较准确地掌握整个竖井井壁的安全状况。

针对突水模型试验中对传感器的特殊要求,基于光纤布拉格光栅(FBG)技术,研制了新型的光纤光栅位移、应力、渗压和温度传感器。所研制的光纤光栅传感器不仅体积小、精度高,而且性能稳定、读数可靠,完全满足突水条件下实时采集数据的要求。在矿井突水模型试验中,将各传感器预埋于模型内部关键位置,成功地实现了对突水过程多场信息的实时监测。试验结果揭示了矿井突水前兆特征,说明了新型光纤传感器在突水模型试验中的有效性和可行性。

为了研究复杂地质条件下竖井井筒的受力变形情况,以安徽国投新集板集煤矿风井为研究对象,采用光纤光栅技术研发的实时在线监测系统监测复杂环境条件下的竖井井筒结构,建立了运用埋入井壁混凝土中的光纤光栅传感器的波长变化来反映井筒受力的应力应变和周围温度变化的监测方法,并通过光纤传输到计算机中进行计算分析,实现远程实时在线监测。研究结果表明,基于光纤光栅技术研发的竖井井筒安全监测系统,可以对复杂地质条件下的井筒受力变形情况进行实时在线监测,对目前复杂多变地质条件下的深井开采具有重要的理论意义和现实意义。

基于光纤光栅传感原理及受力传感特性,设计了一种光纤光栅测力锚杆。在力学分析的基础上,确定了锚杆轴力与光纤光栅中心波长的数学关系,并进行相关力学标定试验。试验结果表明,光纤光栅中心波长偏移量与载荷之间具有良好的线性关系,线性度高达0.994 5,测量精度较高;光纤光栅传感器应力灵敏度系数为0.013 2 nm/k N,和理论分析情况基本一致;从试验分析可以得出,利用光纤光栅传感技术对锚杆工作状态进行监测是可行的。

立井的安全在矿井建设中尤为重要,因此对其进行安全性监测必不可少。采用光纤光栅传感器对内蒙古鄂尔多斯冻结井筒进行了监测,监测内容包括井壁钢筋轴力、混凝土应变和井壁温度,在实际监测过程中充分体现了光纤光栅传感器具有的高精度测量、分布式测量的优点。最后对监测结果进行了分析,得出了一些有用的结论,表明利用光纤光栅传感器监测冻结井筒具有很好的效果。

基于光纤Bragg光栅传感原理与技术,通过实验室力学标定试验建立光纤光栅反射波波长与锚杆轴向应力、温度的物理关系,构建基于温度补偿的光纤光栅测力锚杆受力动态监测技术;并在塔山矿进行井下光纤Bragg光栅测力锚杆受力动态监测试验。试验结果表明,光纤Bragg光栅反射波波长偏移量呈高度线性关系,相关系数达0.99,光纤光栅测力具备高测量精度;但与此同时,光纤Bragg光栅反射波波长对温度变化敏感,温度每升高1℃,光纤Bragg光栅波长大约增加59 pm。基于温度补偿的光纤Bragg光栅井下锚杆受力动态监测系统可实现锚杆工作状态的高精度动态监测。