一种液态金属传感器和使用该传感器监测预警的大变形锚杆的制作方法

发明属于土木工程的防护设施，具体涉及一种液态金属传感器，且应用到大变形锚杆中，对锚杆进行监测预警。

背景技术：

目前，测试受力的传感器大多是压力传感器，在岩土工程领域主要有三种形式的压力传感器有电阻式、电容式、光纤光栅压力式传感器。压电式传感器利用压电材料表面受力产生电荷，将此电荷经放大器和测量电路放大和变换阻抗，产生正比于压力的电量输出，但压电式压力传感器产生的输出信号漂移；电容式压力传感器由两块电极板组成，其主要以刚性材料作为基底，其性能受硅胶材料的力学性能的限制；光纤光栅传感器会因为其制造方法产生一定的偏差。

关于拉力传感器的研制则存在较大困难，由于拉力变形量大，容易造成传感器的损坏，或者因传感器自身抗变形特性导致测试不准确。随着科学技术的发展，柔性式传感器表现出了很好的优点，客服了刚性材料传感器容易受到基底材料力学性能的限制这一典型缺点。特别是液态金属材料镓铟合金（egain）被dickey团队研发出来，液态金属镓铟合金不仅具有电气特性，还具有金属的柔韧性。并且随着微电子、集成电路技术和加工工艺的发展，微机械电子系统融合多种微细加工技术，加工尺寸可达微米级，使传感器向微型化、智能化、多功能化和网络化发展。

在岩土工程中，运用液态金属传感器对加固支护结构进行监测是具有重要的意义。传统锚杆在对岩体进行加固，仅仅只有加固功能，没有对锚杆轴力监测预警的功能。围岩体一旦产生较大的变形，锚杆轴力超过锚杆的抗拉强度而被拉断，引起支护结构的失效，甚至破坏，给工程带来不可估计的损失，更为严重者会造成重大伤亡事故。因此监测锚杆受力状态是十分重要的。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题就是提供一种液态金属传感器，它能适应拉力引起的大变形，输出信号与变形量大小具有稳定的函数关系，测量准确可靠，能实现岩土工程中的危险报警。本发明还提供一种使用该传感器监测预警的大变形锚杆。

为了解决上述问题，本发明提供的一种液态金属传感器，包括人造皮肤，在人造皮肤内采用软刻光技术制作微流通道，微流通道内部充满液态金属，微流通道的两端口固定连接有导电线，人造皮肤两端为加厚的大头端，金属夹具夹持固定人造皮肤的两端。

本发明的液态金属传感器工作原理：

拉力通过两端的金属夹具使液态金属传感器被拉伸，经过试验知道：人造皮肤的拉伸效果非常好，拉伸量可达其长度的1.5倍，微流通道也相应地被拉长，同时会使得微流通道的截面变小。液态金属传感器的电阻值会发生变化，液态金属传感器受拉后，电阻r变化有以下关系:

其中，是液态金属的电阻率，a是微流通道的截面面积，l是微流通道的长。当液态金属传感器受拉伸长时，微流通道截面面积减小，微流通道变长，电阻增加。检测液态金属传感器的电阻能够获得对应拉力的大小。

本发明还提供的一种使用该传感器监测预警的大变形锚杆，包括有锚杆和套在锚杆上的变截面套筒，锚杆分为前段的锚固段和后段的自由段，自由段沿周向均布有卡槽，卡槽止于自由段尾部的台阶大端面，变截面套筒前段的小径内圆上开有与卡槽咬合的卡齿，变截面套筒后段的大径内圆滑套锚杆台阶大端面；变截面套筒尾端的内管依次装入液态金属传感器和杯口塞，液态金属传感器用螺栓固定在锚杆底面和杯口塞顶面上，液态金属传感器的导电线穿过杯口塞顶面的小孔向外引出，杯口塞用小型螺栓紧固在变截面套筒尾端上；变截面套筒外圆面依次装有紧贴围岩壁的钢板托盘和螺母，螺母与变截面套筒外圆面为螺纹配合，螺母压住钢板托盘。

优选地，上述变截面套筒前段的小径内圆的尺寸从前至后沿轴向由小变大。

使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆的工作原理：

当围岩发生小变形时，变截面套筒外壁螺纹和浆体的咬合能分担锚杆拉力达到的支护效果；当围岩发生较大变形时，锚杆自由段卡槽顶面的圆弧块滑入变截面套筒前段的内径较小部分，圆弧块与变截面套筒内部发生摩擦。同时变截面套筒前段的卡齿与锚杆自由段的卡槽紧紧贴合，发生摩擦作用，并有效地阻止锚杆与套筒之间的相对转动，锚杆长度增大，适应围岩的变形，释放围岩变形产生的能量，直到变截面套筒的小径内圆滑动到锚杆尾部的台阶大端面为止。

同时液态金属传感器被拉伸，液态金属传感器电阻值发生变化，通过监测液态金属传感器电阻值的变化来监测锚杆受力状态，当液态金属传感器电阻值超出于锚杆极限抗拉强度对应的电阻值时，则会产生预警作用。

本发明使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆通过变截面套筒在锚杆自由段的卡槽中相对滑动而被拉长，以适应围岩的变形，释放围岩变形产生的能量，确保锚杆不至于被突然拉断而瞬间失效。同时变截面套筒前段的卡齿与锚杆自由段的卡槽紧紧咬合，防止锚杆与变截面套筒发生相对旋转，增加了摩擦面积，确保锚杆与灌浆体的结合面粘结不至于因发生旋转而松动，又通过液态金属传感器监测锚杆受力状态。

本发明具有的技术效果是：

1、本发明的液态金属传感器，能适应拉力引起的大变形，输出信号与变形量大小具有稳定的函数关系，测量准确可靠。

2、本发明使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆通过使用液态金属传感器能对锚杆受力进行实时监测，起预警作用，确保锚杆支护的安全，避免因锚杆被拉断而引起的安全事故。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的液态金属传感器结构示意图；

图2为使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆结构示意图；

图3为变截面套筒卡齿和锚杆自由段卡槽的剖切图；

图4为液态金属传感器的安装示意图；

图5为本发明使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆受力变形图。

图中：91.微流通道；92.人造皮肤；93.金属夹具；

1.变截面套筒尾端；2.螺母；3.钢板托盘；4.自由段；5.变截面套筒；6.锚杆凹槽；7.卡齿；8.锚杆；9.液态金属传感器；10.杯口塞；11小型螺栓；12.导电线；13小孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明的液态金属传感器，包括人造皮肤92，在人造皮肤92内采用软刻光技术制作微流通道91，微流通道91内部充满液态金属，微流通道91的两端口固定连接有导电线12，人造皮肤92两端为加厚的大头端，金属夹具93夹持固定人造皮肤92的两端。

所述人造皮肤92由硅橡胶材料制作而成，采用软光刻技术在人造皮肤92上制作微流通道91，该传感器中带有微流通道91的人造皮肤92是采用分层成型和浇铸工艺制造的。其制作过程分为三步：第一步，制作单独的传感器层，包括带有微流通道91的基底层和不带微流通道91的上层，基于方案设计，首先通过软光刻技术制作带有微流通道图案的刚性模具，然后将液体硅树脂倒入模具且在室温下固化3个多小时形成带有微流通道的基底，不带微流通道的上层直接在不带微流通道图案的刚性模具上制作形成；第二步是粘合层以形成传感器结构，通过在层之间旋涂相同的液体硅氧烷来粘合固化层，粘合过程不需要任何额外的热量或压力，且在每个键合粘合过程中，确保层与层之间对齐；第三步是充填液态金属与连接线，使用注射器从预留的孔向微流通道充填液态金属，充填后，从孔中引出导电线且由线连接产生的穿孔使用相同的硅树脂材料密封。

人造皮肤的两端制作成等腰梯形的大头端，用金属夹具93夹持固定人造皮肤92的两端，金属夹具93的尺寸要略长与液态金属传感器的宽度，并在延伸宽度上制作有通孔，以便与锚杆及杯口塞固接。当液态金属传感器受力后，其伸长量可达到其长度的1.5倍。液态金属传感器受拉后，电阻r变化有以下关系:

其中，是液态金属的电阻率，a是微流通道的截面面积，l是微流通道的长。当液态金属传感器受拉伸长时，微流通道截面面积减小，微流通道l变长，电阻增加。

如图5所示，液态金属传感器9随变截面套筒5向后滑动而被拉伸。液态金属传感器9内的电阻值会发生变化，通过导电线12外接测量电阻的仪器即可以对液态金属传感器9的电阻值进行监测，从而实现对锚杆轴力的监测。

如图2、图3和图4所示，本发明使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆包括锚杆8和套在锚杆8上的变截面套筒5，锚杆8分为前段的锚固段和后段的自由段4，自由段沿周向均布有卡槽6，卡槽6止于自由段尾部的台阶大端面，变截面套筒5前段的小径内圆上开有与卡槽6咬合的卡齿7，变截面套筒5后段的大径内圆滑套锚杆台阶大端面；变截面套筒尾端1的内管依次装入液态金属传感器9和杯口塞10，液态金属传感器9用螺栓固定在锚杆底面和杯口塞10顶面上，液态金属传感器9的导电线12穿过杯口塞顶面的小孔13向外引出，杯口塞10用小型螺栓11紧固在变截面套筒尾端1上；变截面套筒5外圆面依次装有紧贴围岩壁的钢板托盘3和螺母2，螺母与变截面套筒5外圆面为螺纹配合，螺母压住钢板托盘3。

如图2所示，锚杆8锚固段为螺纹杆，变截面套筒5前段小径内圆的外壁也布设有螺纹。当锚杆注浆后，能确保锚杆和浆体充分咬合，提供锚固力。同时，变截面套筒5前段的卡齿7与锚杆自由段4上的卡槽6紧紧咬合，在防止锚杆与浆体之间发生相对扭转的同时，也进一步提供了锚固力。

如图5所示，本发明使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆的变截面套筒5前段的卡齿7与锚杆自由段4上的卡槽6紧密咬合，在锚杆变形释放能量的同时，使锚杆8与套筒5之间不发生相对扭转，使本发明适应围岩的变形，同时也限制了锚杆8锚固段与浆体之间的相对扭转现象。

安装本发明使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆时，按照标准锚杆施工工序安装锚杆，调节螺母2，使本发明使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆处于受拉状态。在拉力较小的情况下，本发明使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆与传统锚杆的工作原理一致，主要依靠锚杆8与灌浆体间的粘接力和摩擦力，变截面套筒5与锚杆自由段4在一定程度上会产生摩擦力，锚杆自由段4通过拉伸起到释能的作用；变截面套筒5同时起到保护锚杆自由段钢筋不受岩石周围环境侵蚀的作用。

在围岩产生较大变形的情况下，钢板托盘3受到围岩外推力大于本发明使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆与围岩间的静止摩擦力，如图5所示，变截面套筒5与锚杆自由段4将发生相对位移，通过变形释放部分能量，变截面套筒5和锚杆锚固段与浆体之间的咬合力，加上变截面套筒在锚杆自由段产生的内部摩擦力以及卡齿7与卡槽6的咬合力等于围岩压力，从而达到新的静力平衡状态；同时，锚杆8与变截面套筒5以及锚杆8与浆体都因为卡齿7与卡槽6咬合，不会发生相对旋转。当围岩变形进一步增大，变截面套筒5与锚杆自由段4滑动位移加大，达到最大变形量后，锚杆自由段钢筋4可能被拉断，本发明使用液态金属传感器监测预警的大变形锚杆通过监测液态金属传感器9的电阻值的变化，与实验室得到的锚杆受拉试验时的拉力电阻关系曲线进行比较，起到监测预警的作用。