光纤传感井筒装备监测研究

张琨

（兖州煤业鄂尔多斯市营盘壕煤炭有限公司，内蒙古 鄂尔多斯017300）

1 仪器和设备

根据试验目的及要求，采用轻质钢轨模拟井筒中罐道，钢轨每根长度6m，头宽38.1mm，高度69.85mm，底板69.85mm，腰厚7.54mm，单重12.2kg/m，采用连接板和螺栓将两根钢轨首尾连接，共连接4 根，合计24m，在钢轨上安装光纤振动传感器、光纤光栅应变计和光纤光栅测缝计，使用外力引起钢轨产生振动及变形，通过快速解调仪和自主开发软件进行监测分析，主要实验设备如表1 所示。

表1 实验仪器及设备

将4 根钢轨首尾相接并加以固定，共布置3 支光纤振动传感器、1 支光纤光栅裂缝计和1 支光纤光栅应变计，在钢轨侧面选择合适位置布置，传感器位置如图1 所示。

图1 钢轨监测模拟试验布置方案

2 钢轨接缝处振动信号探测试验

2.1 钢轨接缝处连接状态较好（两支传感器监测）

手持圆柱型铁棍在第三根和第四根钢轨上由左到右匀速滑动，如图2 所示。钢轨连接处左侧偏低右侧偏高；手持圆柱型铁棍在第三根和第四根钢轨上由右到左匀速滑动，如图3 所示。通过两次监测对比可知，由于钢轨连接处不平滑，均产生了明显的振动信号，信号宽度较小。由低到高运行时阻力相对较大，振动传感器信号更为明显、强烈，由高到低运行时阻力相对较小，振动信号相对较弱。

图2 钢轨接缝

图3 钢轨接缝振动模拟

2.2 钢轨接缝处连接状态较差（两支传感器监测）

人为将钢轨错开一些缝隙模拟现场井筒罐道产生严重错位，使用相同的力度做模拟试验，得到由低到高和由高到低的振动波形图，很明显不管从哪个方向运行，波形图信号宽度明显增大，振幅较大，与钢轨接缝处连接状态较好时有明显差异，应及时进行检修和维护。

2.3 不同传输距离信号监测（三支传感器监测）

图4 钢轨连接缝隙较大状态

图5 钢轨变形监测

图6 模拟实验装置设计图

以右侧为原点，在0m、12m 和24m 处位置用同等力度敲击钢轨，监测的振动信号显示，传感器与震源越近，振动信号越强烈。传感器解调过程中，强烈的信号解调效果较好，加速度约（1.2-1.9）×10-4m/s2，频率约为150Hz；传感器离震源最近时，解调信号加速度约5.5×10-4m/s2，频率约为185Hz。由此看来，多组传感器可以确定振动信号加速度和振动固有频率，在现场运行过程中，可通过试运行确定和合理的阈值进行预警报警。

3 实验结论

在钢轨接缝处位移监测试验中，钢轨连接状态较好时，将裂缝计横跨固定在裂缝量测，并保留5mm 余量；监测软件设定预警值为8mm，软件显示出相应示数变化并保持绿色正常运行状态。通过以上试验及监测结果可知，验证了光纤振动传感器、光纤光栅裂缝计和光纤光栅应变计监测井筒装备状态的可行性，为下一步现场安装及监测奠定应用基础。