一种松紧度测试锚杆及松紧度测试系统的制作方法

本发明涉及锚固技术领域，具体而言，涉及一种松紧度测试锚杆及松紧度测试系统。

背景技术：

锚杆支护是通过围岩内部的锚杆改变围岩本身的力学状态，在洞室周围形成一个整体而又稳定的岩石带，利用锚杆与围岩共同作用，达到维护洞室稳定的目的。锚杆支护属于一种积极防御的支护方法，其具有支护效果优良、用料省、施工简单、有利于机械化操作、施工速度快等优点，近年来广泛应用于地下工程支护领域，对于降低成本和减少事故发挥了重要作用。

压电陶瓷传感技术是随着压电陶瓷的发展而出现的崭新的传感技术，其中压电电圈可以施加各种保护形式(如金属保护、大理石保护、混凝土保护等)，压电陶瓷能将微弱的机械振动转化为电信号，具有高度敏感性，且测量精度高，体积小、不吸潮、寿命长，在地下工程领域中具有非常广阔的应用前景。

本申请的发明人发现：在锚杆施做后，受应力松弛、围岩位移等各种因素的影响，螺母与垫板间的松紧度将发生变化，而锚杆松紧度变化特征与杆体的力学性态息息相关，因此，监测锚杆松紧程度于施工、设计等方面具有重要意义。

目前尚未有对锚杆施做后螺母与垫板间的松紧度测试的相关报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种松紧度测试锚杆，其能够准确反映出自身局部以及整体的受力变化情况，进而反映出整个锚固结构的松紧变化程度，且操作简便、灵敏度高。

本发明的另一目的在于提供一种松紧度测试系统，其能够准确测量其局部以及整体的受力变化情况，进而反映整个锚固结构的松紧变化程度；灵敏度高、操作简便、简单实用。

本发明的实施例是这样实现的：

一种松紧度测试锚杆，包括杆体、垫板、螺母和压电传感器，垫板具有用于抵接围岩的第一垫板面和相对第一垫板面设置的第二垫板面，杆体贯穿第一垫板面和第二垫板面；杆体设有与螺母配合的外螺纹，螺母与杆体通过螺纹可拆卸连接。压电传感器包括第一压电传感器和第二压电传感器，第二垫板面凹设有容置槽，容置槽容置有第一压电传感器，螺母的外壁设置有第二压电传感器。其能够准确反映出自身局部以及整体的受力变化情况，进而反映出整个锚固结构的松紧变化程度，且操作简便、灵敏度高。

一种松紧度测试系统，包括上述的松紧度测试锚杆，测力系统还包括数据线和数据采集装置，第一压电传感器和第二压电传感器均通过数据线与数据采集装置连接。其能够准确测量松紧度测试锚杆局部以及整体的受力变化情况，进而反映整个锚固结构的松紧变化程度；灵敏度高、操作简便、简单实用。

本发明实施例的有益效果是：本发明提供的松紧度测试锚杆具有杆体、垫板和螺母。在松紧度测试锚杆安装完成的情况下，垫板的第一垫板面与围岩抵接，杆体贯穿垫板并嵌设于围岩，杆体的远离围岩一端则通过螺纹与螺母可拆卸连接，螺母与垫板抵接。本申请的发明人发现：正常情况下，松紧度测试锚杆与围岩是紧密连接的，螺母与垫板之间的松紧度也是基本稳定的；当松紧度测试锚杆与围岩的连接出现松动时，或围岩膨胀使松紧度测试锚杆的松紧度发生变化时，垫板与螺母之间的松紧度会发生改变，即可以通过检测垫板与螺母之间的松紧度变化情况来反映松紧度测试锚杆以及整个锚固结构的松紧变化程度。本发明提供的松紧度测试锚杆通过在垫板的第二垫板面设置第一压电传感器，以及在螺母的外壁设置第二压电传感器，将垫板与螺母之间的作用力变化转换成电信号的变化。通常采用的应变测量法、锚杆测力计测量法等，在锚杆松紧度变化较小的情况下，应变与轴力的变化往往并不明显，采用通常采用的应变测量法、锚杆测力计测量法等精确度和准确度均很低，甚至检测不到变化。本发明通过将垫板与螺母之间的松紧度变化转换成电信号的变化，大大提高了测量精确度、准确度与灵敏度，而垫板与螺母之间的松紧度变化即可间接反映松紧度测试锚杆整体及锚固结构整体松紧度的变化。本发明采用将第一压电传感器容置于第二垫板面的容置槽，提高了第一压电传感器对垫板的形变及松紧度的变化情况的感应灵敏度，提高了第一压电传感器与第二压电传感器反映垫板与螺母之间松紧度变化的灵敏度，进而有利于反映松紧度测试锚杆及整个锚固结构的松紧度变化情况及松紧变化程度。操作简单、灵敏度高。

本发明提供的测力系统能够准确测量松紧度测试锚杆的垫板与螺母之间的松紧度变化，间接反映出松紧度测试锚杆局部以及整体的松紧度变化情况，进而反映出整个锚固结构的松紧变化程度；灵敏度高、操作简便，简单实用。

截至目前，国内外对锚杆施做后螺母与垫板间的松紧度测试尚未见有，尤其是将压电陶瓷传感器布设到螺母和垫板上来监测锚杆的松紧度更是未有先例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1所提供的松紧度测试锚杆的示意图；

图2为图1中的A区域的局部放大图；

图3为本发明实施例2所提供的松紧度测试锚杆的示意图；

图4为本发明实施例3所提供的松紧度测试测力系统的示意图。

图标：100-松紧度测试锚杆；200-松紧度测试锚杆；110-杆体；120-垫板；121-第一垫板面；122-第二垫板面；122a-容置槽；123-凹部；124-凸部；130-螺母；140-第一压电传感器；150-第二压电传感器；160-填充粘结物；220-垫板；300-松紧度测试系统；310-数据线；320-数据采集装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“平行”等并不表示要求部件绝对平行，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参照图1和图2，本实施例提供一种测试松紧程度的松紧度测试锚杆100。松紧度测试锚杆100包括杆体110、垫板120、螺母130和压电传感器，压电传感器包括第一压电传感器140和第二压电传感器150。

具体地，垫板120具有用于抵接围岩的第一垫板面121和相对第一垫板面121设置的第二垫板面122，杆体110贯穿第一垫板面121和第二垫板面122。杆体110设有与螺母130配合的外螺纹，螺母130与杆体110通过螺纹可拆卸连接。第二垫板面122凹设有容置槽122a，容置槽122a容置有第一压电传感器140，螺母130的外壁设置有第二压电传感器150。

在利用松紧度测试锚杆100进行支护作业时，当松紧度测试锚杆100安装完成，垫板120的第一垫板面121与围岩抵接，杆体110贯穿垫板120并嵌设于围岩。杆体110的远离围岩一端则通过螺纹与螺母130可拆卸连接，螺母130与垫板120抵接。

正常情况下，松紧度测试锚杆100与围岩是紧密连接的，螺母130与垫板120之间的松紧度也是基本稳定的。当松紧度测试锚杆100与围岩的连接出现松动时，或围岩膨胀使松紧度测试锚杆100的松紧度变化时，垫板120与螺母130之间的松紧度就会发生改变，即可以通过检测垫板120与螺母130之间的松紧度变化情况来反映松紧度测试锚杆100的松紧变化程度。松紧度测试锚杆100的第一压电传感器140与第二压电传感器150可将垫板120与螺母130之间的松紧度变化转换成电信号的变化。通过检测缝隙电信号变化即可得出垫板120与螺母130之间的松紧变化程度变化。

进一步地，在本实施例中，垫板120的第一垫板面121与第二垫板面122平行，且第一垫板面121大致中心位置具有凹部123，凹部123由第一垫板面121朝第二垫板面122所在的一侧凹陷。凹部123呈大致的类半球盖形，使垫板120呈大致的“碗形”。杆体110贯穿凹部123。

垫板120呈“碗形”，“碗形”结构的垫板120的加固效果明显，使得锚固结构的抗拉能力更强，且在应力作用下位移量较小，将第一压电传感器140设置于第二垫板面122，能够使第一压电传感器140对垫板120松紧度的变化更加灵敏。

进一步地，在本实施例中，垫板120的第二垫板面122的大致中心位置具有凸部124，凸部124的凸起方向与凹部123的凹陷方向相同，凸部124也呈大致的类半球盖形。凸部124与凹部123轴线重合设置。杆体110贯穿凸部124与凹部123。

垫板120的凸部124与凹部123有利于垫板120的安装，且凸部124与凹部123有利于将杆体110受的力传导至垫板120以及第一压电传感器140，提高了第一压电传感器140对松紧度测试锚杆100整体的松紧度变化的灵敏度。

进一步地，在本实施例中，容置槽122a凹设于第二垫板面122，且容置槽122a与凸部124间隔设置。

由于第一压电传感器140容置于容置槽122a，加上第一垫板面121与第二垫板面122相对平行设置，第一垫板面121与围岩相抵，使得第一压电传感器140对垫板120的松紧度变化的感应灵敏度更高、更直接。

另一方面，容置槽122a凹设于第二垫板面122，使得容置槽122a的开设和加工简便易行。

进一步地，在本实施例中，第二压电传感器150设于螺母130的外壁。

由于螺母130通过螺纹与杆体110可拆卸连接，且螺母130与垫板120相抵。螺母130可直接传递杆体110的松紧度变化情况以及垫板120与螺母130之间松紧度的变化情况，第二压电传感器150则可以灵敏地检测到杆体110的松紧度变化情况以及垫板120与螺母130之间松紧度的变化情况。

进一步地，在本实施例中，容置槽122a的槽腔略大于第一压电传感器140。此结构可以尽可能减小容置槽122a与第一压电传感器140之间的间隙，保证垫板120的松紧度变化或形变变化能准确及时地传递至第一压电传感器140。

进一步地，在本实施例中，容置槽122a还容置有用于填充第一压电传感器140与容置槽122a之间的间隙的填充粘结物160。填充粘结物160对第一压电传感器140具有粘接于保护作用。

进一步地，沿垂直于第二垫板面122的方向，第一压电传感器140与垫板120之间通过填充粘结物160粘接，有利于将垫板120的垂直于第二垫板面122的方向的应变或松紧度变化准确及时地传递至第一压电传感器140；防止由于第一压电传感器140与垫板120存在间隙而导致应变或松紧度变化的传递失真。提高了第一压电传感器140对垫板120的垂直于第二垫板面122的方向的应变或松紧度变化情况的灵敏度。

进一步地，沿平行于第二垫板面122的方向，填充粘结物160填充了第一压电传感器140与容置槽122a之间的间隙，第一压电传感器140与容置槽122a的内壁通过填充粘结物160间接连接，填充粘结物160有利于将沿平行于第二垫板面122的方向的松紧度或形变变化从垫板120传递至第一压电传感器140，提高该松紧度或形变变化情况的传递效率及准确性，进而提高第一压电传感器140对垫板120的形变或松紧度变化的灵敏度。

进一步地，在本实施例当中，第二压电传感器150由填充粘结物160粘连于螺母130的外壁。此结构同样有利于将螺母130的沿其径向或轴向的松紧度或形变准确及时传递至第二压电传感器150，提高了第二压电传感器150对螺母130的松紧度和形变的变化情况的灵敏度。

进一步地，填充粘结物160选用热膨胀系数较小的材料，否则当填充粘结物160自身的热膨胀或热冷缩而使得填充粘结物160的体积发生变化，会直接牵引或挤压第一压电传感器140和/或第二压电传感器150而产生电信号变化，此时即使松紧度测试锚杆100的局部或整体松紧度均未改变，也会检测到电信号的变化，即产生了误测。为了防止该误测的发生，填充粘结物160应选用热膨胀系数较小的材料。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，容置槽122a还可以凹设于凸部124或凹部123。

需要说明的是，在本发明的又一些实施例中，容置槽122a还可以是多个，多个容置槽122a凹设于第二垫板面122且均与凸部124间隔设置，多个容置槽122a沿凸部124的周向设置且多个容置槽122a之间均匀间隔设置。每个容置槽122a中均容置有第一压电传感器140，第一压电传感器140由填充粘结物160粘连于容置槽122a。

在本发明的再一些实施例中，第二压电传感器150也可以是多个，多个第二压电传感器150均沿螺母130的周向由填充粘结物160粘接于螺母130的外壁，多个第二压电传感器150之间均匀间隔设置。

多个均匀间隔设置的第一压电传感器140和/或第二压电传感器150均有利于增强压电传感器对垫板120的松紧度或发生的形变以及螺母130的松紧度或发生的形变的感应灵敏度，同时也有利于提高对松紧度或形变的变化情况的感应的全面性，可以避免由于压电传感器的分布密度较低而可能出现的局部松紧度或形变变化检测不到的情况，进一步提高了压电传感器对应变或松紧度变化的灵敏度。

进一步地，在本实施例中，第一压电传感器140与第二压电传感器150均为压电陶瓷传感器。

进一步地，在本实施例中，填充粘结物160可以是树脂或釉。

松紧度测试锚杆100的工作原理是：通过设置第一压电传感器140与第二压电传感器150，利用第一压电传感器140直接感应并检测垫板120的形变或松紧度变化情况，利用第二压电传感器150直接检测并感应螺母130的形变或松紧度变化情况，进而可以间接反映垫板120与螺母130之间的松紧度的变化情况，并得出垫板120与螺母130之间的连接松紧情况，间接得出松紧度测试锚杆100整体的受力情况以及整个锚固结构的松紧变化程度。可收集由于松紧度或形变变化引起的电信号变化数据，通过信号分析方法，如小波包分析、小波分析、快速傅里叶变换、时间反演等，可以对信号做定量分析，从而监测松紧度测试锚杆100的垫板120与螺母130的松紧变化程度。

综上所述，本发明提供的松紧度测试锚杆100可以通过检测垫板120与螺母130的松紧变化程度，发映出松紧度测试锚杆100的杆体110以及松紧度测试锚杆100整体的松紧度变化情况，进而得出整个锚固结构的松紧度情况及松紧变化程度。松紧度测试锚杆100能够准确反映出松紧度测试锚杆100整体的松紧度情况，进而反映出整个锚固结构的松紧变化程度，且操作简便，灵敏度高。

实施例2

本实施例提供一种松紧度测试锚杆200，与实施例1不同的是：松紧度测试锚杆200的垫板220呈平板状，如图3所示。

垫板220包括相对且平行设置的第一垫板面121与第二垫板面122，杆体110贯穿第一垫板面121与第二垫板面122，容置槽122a凹设于第二垫板面122，容置槽122a沿杆体110的周向设置。

垫板220由于是平板状，可以及时准确地将垂直于第一垫板面121的方向的松紧度或形变变化情况传递至第一压电传感器140。

松紧度测试锚杆200的工作原理是：通过收集由于松紧度或形变变化引起的电信号变化数据，通过信号分析方法，如小波包分析、小波分析、快速傅里叶变换、时间反演等，可以对信号做定量分析，从而监测松紧度测试锚杆100的垫板120与螺母130的松紧变化程度，发映出松紧度测试锚杆200的杆体110以及松紧度测试锚杆200整体的松紧度变化情况，进而得出整个锚固结构的松紧度情况及松紧变化程度。松紧度测试锚杆200能够准确反映出松紧度测试锚杆200整体的松紧度情况，进而反映出整个锚固结构的松紧变化程度，且操作简便，灵敏度高。

实施例3

本实施例提供一种松紧度测试系统300，松紧度测试系统300可以包括松紧度测试锚杆100或松紧度测试锚杆200。

请参阅图4，在本实施例中，松紧度测试系统300包括松紧度测试锚杆100，松紧度测试系统300还包括数据线310和数据采集装置320，第一压电传感器140和第二压电传感器150均通过数据线310与数据采集装置320连接。

第一压电传感器140和第二压电传感器150属于同一个电信号回路，当松紧度测试锚杆100或松紧度测试锚杆200的形变或松紧度状态发生改变时，第一压电传感器140和第二压电传感器150可将该形变或松紧度状态的变化转换成电信号的变化，数据采集装置320则可采集电信号的变化数据。通过对这些数据的分析，例如标定、小波包分析、小波分析、快速傅里叶变换或时间反演等，可以对数据做定量分析，从而得出松紧度测试锚杆100或松紧度测试锚杆200的形变或松紧度状态的变化情况，有利于作出对松紧度测试锚杆100、松紧度测试锚杆200或整个锚固结构的松紧度以及松紧变化程度的判断。

松紧度测试系统300的工作原理是：通过第一压电传感器140和第二压电传感器150将形变或松紧度的变化情况转化成电信号的变化，再通过数据采集装置320收集数据，并对数据进行一系列分析，从而得出松紧度测试锚杆100、松紧度测试锚杆200或整个锚固结构的松紧度以及松紧变化程度。

综上所述，本发明提供的松紧度测试系统300够准确测量松紧度测试锚杆100或松紧度测试锚杆200的杆体110以及松紧度测试锚杆100或松紧度测试锚杆200整体的松紧度情况，进而反映整个锚固结构的松紧变化程度；灵敏度高、操作简便，简单实用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。