一种光纤光栅测力锚杆的制作方法

本发明涉及锚固技术领域，具体而言，涉及一种光纤光栅测力锚杆。

背景技术：

锚固技术作为一种优越的岩土体加固技术方法，其是通过深部围岩的承载能力和锚杆的预应力对围岩施加压应力，将一些分散的岩块联系在一起，有效改善岩固区围岩力学参数，提高围岩抗拉和耐剪强度。锚固技术越来越广泛的应用于各种工程领域，锚杆在地下工程支护领域获得了广泛的应用，对于降低支护成本和减少事故发挥了重要作用。

发明人研究发现，锚杆垫板及杆体作为锚杆体系中重要的组成部分，其受力状态将直接关系到锚杆的支护性能，因此，为准确把握锚杆轴力特征，如何精确测量垫板以及杆体的受力变化情况就显得尤为重要。目前，对于锚杆轴力的监测一般是通过对杆体的直接测试获得，主要采用电阻应变式、振弦式测力锚杆。与锚杆直接联系的工作条件十分恶劣，对测力装置的防水、防潮、防裂、防腐等要求高，给锚杆的长期监测带来很大的困难，也直接影响了仪器的可靠性和使用寿命。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光纤光栅测力锚杆，其能够同时测量杆体的受力情况与垫板的受力情况，操作简便，测量精度高，抗干扰能力强，寿命长。

本发明的实施例是这样实现的：

一种光纤光栅测力锚杆，其包括垫板，杆体以及锁紧装置，垫板包括垫板本体，垫板本体包括用于抵靠锚固表面的第一表面以及与第一表面相对设置的第二表面，垫板本体开设有贯穿第一表面与第二表面的安装孔，第一表面开设有至少一个凹槽，每个凹槽内均安装有第一光纤光栅传感器，杆体设置于安装孔内，杆体设置有第二光纤光栅传感器，锁紧装置将杆体锁紧于垫板。

在本发明较佳的实施例中，上述垫板还包括第一填充层，第一填充层填充于凹槽与第一光纤光栅传感器之间的间隙。

在本发明较佳的实施例中，上述垫板本体朝向第二表面凹陷形成凹陷部，安装孔开设于凹陷部。

在本发明较佳的实施例中，上述凹槽为偶数个，偶数个凹槽沿安装孔的轴线对称设置。

在本发明较佳的实施例中，上述凹槽的数量为两个，两个凹槽分别设置在安装孔的相对两侧并延伸至垫板本体的两侧边缘。

在本发明较佳的实施例中，上述凹陷部为碗状凹陷部。

在本发明较佳的实施例中，上述杆体的侧壁纵向开设有至少一个安装槽，第二光纤光栅传感器安装于安装槽内。

在本发明较佳的实施例中，上述杆体为空心杆体。

在本发明较佳的实施例中，上述光纤光栅测力锚杆连接有光纤光栅数据采集系统，第二光纤光栅传感器与第一光纤光栅传感器均与光纤光栅数据采集系统电连接。

在本发明较佳的实施例中，上述第一光纤光栅传感器和第二光纤光栅传感器通过光纤与测试接口信号连接，测试接口与光纤数据采集系统信号连接。

本发明实施例的有益效果是：垫板安装有第一光纤光栅传感器，通过第一光纤光栅器可以精准测量得到垫板的受力情况，同时杆体安装有第二光纤光栅传感器，通过第二光纤光栅器可以精准测量得到杆体的受力情况，实现同时精确测量杆体的受力情况与垫板的受力情况，该光纤光栅测力锚杆结构简单，操作简便，测量精度高，抗干扰能力强。

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它相关的附图。

图1为本发明实施例提供的光纤光栅测力锚杆的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的垫板的第一视角示意图；

图3为本发明实施例提供的垫板的第二视角示意图；

图4为本发明实施例提供的杆体的结构示意图。

图标：100-光纤光栅测力锚杆；200-垫板；210-第一光纤光栅传感器；211-第一光纤光栅传感器本体；213-光纤；215-测试接口；220-垫板本体；230-第一表面；240-第二表面；250-凹陷部；251-安装孔；253-凹槽；270-第一填充层；300-杆体；310-第二光纤光栅传感器；320-第一端面；330-第二端面；340-第二填充层；400-锁紧装置；500-光纤光栅数据采集系统。

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它实施例，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“内”、“外”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。

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”、“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。

请参阅图1，本实施例提供一种光纤光栅测力锚杆100，其包括垫板200、杆体300、锁紧装置400和光纤光栅数据采集系统500。

请一并参阅图2以及图3，垫板200包括第一光纤光栅传感器210、垫板本体220以及第一填充层270。

请继续参阅图2，第一光纤光栅传感器210包括依次连接的第一光纤光栅传感器本体211、光纤213和测试接口215。其中，第一光纤光栅传感器210属于光纤传感器的一种，是一种波长调制型光纤传感器，其在周围的应变、应力或其它待测物理量发生变化时，其会产生光纤信号的波长位移，通过检测波长位移的情况，即可获得待测物理量的变化情况。其具有电绝缘性能佳，传输损耗小，传输容量大，抗干扰能力强，测量范围广以及可实现多点分布式测量的优点。可以满足支护结构检测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，具有其它类型传感器不可替代的作用。

请一并参阅图2以及图3，垫板本体220包括第一表面230、第二表面240以及凹陷部250。其中第一表面230用于抵靠锚固表面，第二表面240与第一表面230相对设置。本发明其它实施例中，第一表面230与第二表面240还可以设置防腐层，用于延长垫板200使用寿命。

凹陷部250朝向远离第二表面240的方向凹陷，其可以为碗状凹陷部、碟状凹陷部等，这样当垫板本体220抵靠于锚固表面时，凹陷部250与锚固表面之间不会相互接触，不会受锚固表面的热胀冷缩等现象的影响，其测试得到的数据能够真实反应垫板200受到的力。优选其为碗状凹陷部，有利于第一光纤光栅传感器210收集的数据更为精准。请继续参阅图2以及图3，凹陷部250开设有安装孔251与凹槽253。

安装孔251贯穿第一表面230位于凹陷部250的部分与第二表面240位于凹陷部250的部分，优选地，凹陷部250沿安装孔251的轴线轴对称形成，从而使施加于垫板200上的外力平衡。

凹槽253开设于第一表面230位于凹陷部250的部分，凹槽253内安装有第一光纤光栅传感器210。凹槽253的数量为至少一个，例如1个、4个、5个等，优选地，凹槽253的数量为偶数个，且偶数个凹槽253沿安装孔251的轴线两侧对称设置。本实施例中，凹槽253的数量优选为两个，两个凹槽253分别设置在安装孔251的相对两侧，且两个凹槽253在垂直于安装孔251轴线的平面上的投影互相平行，用于校准两个第一光纤光栅传感器210所测量到的数据，使最终得到的垫板200的受力情况更为精准。两个凹槽253分别向两端延伸至垫板本体220的两侧边缘，用于将安装于凹槽253内的第一光纤光栅传感器210的测试接口215能伸出垫板本体220并且不会受外界干扰。凹槽253在垂直于安装孔251轴线的平面上的投影为矩形，便于加工制作，但不限于此，本领域工作人员可根据实际需求对凹槽253的形状进行其他的变化。

优选地，垫板本体220在水平面的投影大致为矩形，两个凹槽253均设置于该矩形投影的宽度方向。但不限于此，本领域工作人员可根据实际需求对垫板本体220在水平面的投影的形状进行限定。

第一填充层270填充于凹槽253与第一光纤光栅传感器210之间的间隙，用于将第一光纤光栅传感器210牢固安装于凹槽253内，同时用于密封凹槽253，延长第一光纤光栅传感器210以及垫板200的使用寿命。其中，第一填充层270优选为树脂填充层，其粘结性能以及密封性能佳，绝缘性能佳，安全环保。

请参阅图4，杆体300内设置有安装槽(图未示)和第二光纤光栅传感器310。

杆体300与安装孔251配合，杆体300可以为实心杆体，本实施例中优选为空心杆体，可用于后期注浆，提高光纤光栅测力锚杆100的锚固性能。杆体300的外表面设置有外螺纹(图未示)。在本发明其它实施例中，杆体300表面还可以设置防腐层，用于防止使用过程中，杆体300的外表面被腐蚀，延长其使用寿命。第二光纤光栅传感器310与第一光纤光栅传感器210的作用以及结构相同，在此不做赘述。

其中，杆体300的第一端面320是指杆体300用于支撑，抵靠于岩体的端面，第二端面330是与第一端面320相对设置的端面。

安装槽纵向开设于杆体300的侧壁，优选其贯穿第一端面320与第二端面330，优选地，安装槽的数量为至少一个，优选为1个，且该安装槽的轴线平行于杆体300的轴线。安装槽内安装有第二光纤光栅传感器310，本实施例中，安装槽的宽度为1-2mm，本领域工作人员可根据实际情况设置安装槽的宽度。第二光纤光栅传感器310的测试接口215伸出安装槽位于第二端面330的开口，安装槽内也填充有第二填充层340，第二填充层340填充于安装槽与第二光纤光栅传感器310之间的间隙。第二填充层340与第一填充层270的材质可以相同也可以不同，本实施例中，优选第二填充层340与第一填充层270选择相同的材质，均由树脂制成，用于将第二光纤光栅传感器310安装于杆体300上。

锁紧装置400用于将杆体300锁紧于垫板200的第一表面230，锁紧装置400例如为螺母，其制作简单，方便操作，螺母的内壁设置内螺纹，与杆体300表面设置的外螺纹配合。需要说明的是，在本发明其它实施例中，锁紧装置400还可以为其它类似于螺母的装置，均属于本发明的保护范围。

光纤光栅数据采集系统500用于在监测过程中接收第一光纤光栅传感器210的受力变化值和第二光纤光栅传感器310的受力变化值，并根据实验室标定结果，最终得到杆体300与垫板200受力情况，从而更加精准的提高光纤光栅测力锚杆100的支护性能。本实施例中，第一光纤光栅传感器210与第二光纤光栅传感器310均通过测试接口215与光纤光栅数据采集系统500电连接。

光纤光栅测力锚杆100的装配方法是：将杆体300插入垫板200的安装孔251中，将螺母套设于杆体300并抵靠于凹陷部250的第二表面240，其中，杆体300的第二端面330位于螺母远离凹陷部250的第二表面240的一侧。然后将第一光纤光栅传感器210的测试接口215与第二光纤光栅传感器310的测试接口215分别与光纤光栅数据采集系统500电连接；光纤光栅测力锚杆100受力过程中，垫板200发生应变并作用于第一光纤光栅传感器210，杆体300发生应变并作用于第二光纤光栅传感器310，第一光纤光栅传感器210与第二光纤光栅传感器310均受到应变作用使其反射光波长发生变化，波长变化通过测试接口215传送到光纤光栅数据采集系统500，进行信号数据处理和存储。通过光纤光栅数据采集系统500读取第一光纤光栅传感器210的波长的变化值与第二光纤光栅传感器310的波长的变化值，以此计算出垫板200的形变量与杆体300的形变量，进而测出垫板200所受轴力的大小与杆体300所受力的大小。根据实际情况进行灾害预警或及时对作用于光纤光栅测力锚杆100的外力做相应的调整以提供抗力，有效提高光纤光栅测力锚杆100的支护性能。

综上所述，本发明实施例提供的光纤光栅测力锚杆100，在杆体300安装有第二光纤光栅传感器310，垫板200安装有第一光纤光栅传感器210，通过第二光纤光栅传感器310与第一光纤光栅传感器210应变变化值，同时精准测试杆体300及垫板200的受力情况，提高锚固效果，该光纤光栅测力锚杆100结构简单，操作简便，测量精度高，抗干扰能力强，寿命长。

以上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。