一种光纤光栅测力垫圈及锚杆测力系统的制作方法

本发明涉及锚固技术领域，具体而言，涉及一种光纤光栅测力垫圈及锚杆测力系统。

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，在巷道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。

由于锚杆埋置于围岩内部，属于隐蔽结构，其受力情况以及支护评价较为困难。为了评估锚杆的支护作用和受力情况，通常采用应变测量法、锚杆测力计测量法等对锚杆进行轴力的测量。

锚杆作为支护体系中重要的组成部分，目前对于其轴力的监测基本是通过对杆体的直接测试获得，所采用的主要是电阻应变式、振弦式或光纤光栅式的测力锚杆。本申请的发明人发现，上述测力型锚杆存在的普遍问题是：无法快速获知锚杆的受力情况，且施工过程干扰程度大，保护难度高等。目前尚未有在锚杆垫板与螺母之间布设光纤光栅传感器来测锚杆受力的相关报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光纤光栅测力垫圈，其能够用于测量物件的受力以及形变的变化情况，反映物件局部及物件整体的受力情况。灵敏度与准确度高。

本发明的另一目的在于提供一种锚杆测力系统，其能够测量物件的受力情况，灵敏度与准确度高。

本发明的实施例是这样实现的：

一种光纤光栅测力垫圈，包括第一垫圈、第二垫圈和光纤光栅传感器；第一垫圈和第二垫圈同轴且重叠设置，光纤光栅传感器夹持于第一垫圈和第二垫圈之间。光纤光栅传感器具有用于与数据采集装置的测试接口相连的光纤。其能够用于测量物件局部及物件整体的受力以及形变的变化情况，特别是针对锚杆的受力检测，灵敏度与准确度高。

一种锚杆测力系统，包括上述光纤光栅测力垫圈，锚杆测力系统还包括数据采集装置，光纤光栅测力垫圈的光纤与数据采集装置的测试接口相连。其能够测量物件局部及物件整体的受力以及形变的变化情况，特别是针对锚杆的受力检测，灵敏度与准确度高。

本发明实施例的有益效果是：本发明提供的光纤光栅测力垫圈通过设置同轴且重叠设置的第一垫圈和第二垫圈以及夹持于第一垫圈和第二垫圈之间的光纤光栅传感器，可以将垫圈受到的压力或垫圈的形变的变化情况传递至光纤光栅传感器，将压力或垫圈的形变的变化转化成电信号的变化。本申请的发明人发现：光纤光栅测力垫圈可用于测量物件的受力以及形变的变化情况，一方面具有很高的灵敏度与准确度，另一方面第一垫圈和第二垫圈又可以保护光纤光栅传感器，防止光纤光栅传感器由于压力变化或形变变化而损坏。光纤光栅测力垫圈可将所受的来自各个方向的压力或形变变化的情况传递至光纤光栅传感器，并对光纤光栅传感器具有保护作用，延长了光纤光栅传感器的使用寿命。

本发明提供的锚杆测力系统通过利用上述光纤光栅测力垫圈，其能够测量物件的受力以及形变的变化情况，特别是针对锚杆的受力检测，反映锚杆及整个锚固结构的受力情况。灵敏度与准确度高。

截至目前，对于锚杆螺母与垫板间的受力测试，尤其将光纤光栅传感器布设于智能垫圈安装于锚杆垫板与螺母之间测其受力的测试方法尚未有过。

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为本发明实施例提供的光纤光栅测力垫圈的示意图；

图2为图1中的光纤光栅测力垫圈沿A-A的剖面图；

图3为本发明实施例提供的锚杆测力系统的示意图；

图4为本发明实施例提供的锚杆的示意图。

图标：100-光纤光栅测力垫圈；110-第一垫圈；111-第一凸起部；112-第一凹陷部；120-第二垫圈；121-第二凸起部；122-第二凹陷部；130-光纤光栅传感器；140-光纤；150-数据线；200-锚杆测力系统；210-数据采集装置；300-锚杆；310-杆体；320-垫板；330-螺母。

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。

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”、“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

请参照图1和图2，本实施例提供一种光纤光栅测力垫圈100。光纤光栅测力垫圈100包括第一垫圈110、第二垫圈120和光纤光栅传感器130；第一垫圈110和第二垫圈120同轴且重叠设置，光纤光栅传感器130夹持于第一垫圈110和第二垫圈120之间，光纤光栅传感器130具有用于与数据收集或分析装置的测试接口相连的光纤140。

光纤光栅测力垫圈100可以将自身受到的来自各个方向压力或自身发生的形变的变化情况传递至光纤光栅传感器130，光纤光栅传感器130可将压力或形变的变化转化成电信号的变化，电信号变化由光纤140传导至数据收集或分析装置，经数据收集或分析装置采集汇总后，对电信号变化数据进行分析，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。结合实验标定结果即可得出相应的压力或形变的变化情况。

进一步地，在本实施例中，第一垫圈110具有沿其轴向朝第二垫圈120延伸的多个间隔设置的第一凸起部111，相邻的第一凸起部111之间为第一凹陷部112；第二垫圈120具有与第一凸起部111形状互补的第二凹陷部122以及与第一凹陷部112形状互补的第二凸起部121。光纤光栅传感器130可以设置于第一凸起部111和/或第二凸起部121。在本实施例中，光纤光栅传感器130设置于第一凸起部111。

由于第一垫圈110具第一凸起部111与第一凹陷部112，第二垫圈120具有与第一凸起部111形状互补的第二凹陷部122以及与第一凹陷部112形状互补的第二凸起部121。使得第一垫圈110与第二垫圈120结合更加紧密且较大程度地消除了第一垫圈110与第二垫圈120之间的间隙，增大了第一垫圈110与第二垫圈120之间的结合力，提高了沿光纤光栅测力垫圈100的稳定性。

沿光纤光栅测力垫圈100的径向或周向，第一垫圈110与第二垫圈120不易发生相对滑动。使得第一垫圈110和/或第二垫圈120所受到的压力或所发生的形变不会由于第一垫圈110与第二垫圈120之间发生了相对滑动而部分或全部抵消，保证第一垫圈110和/或第二垫圈120所受到的压力或所发生的形变均可以准确完整的传递至光纤光栅传感器130，保证了光纤光栅传感器130接收到的信息的准确度，防止光纤光栅传感器130的感应失真。提高了光纤光栅测力垫圈100的感应灵敏度与准确度。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，光纤光栅传感器130可以设置于第一凹陷部112和/或第二凹陷部122。

进一步地，在本实施例中，多个第一凸起部111沿第一垫圈110的周向间隔设置。可以使得第一垫圈110与第二垫圈120结合更加紧密。当第一垫圈110和/或第二垫圈120受到外力挤压或发生形变时，沿第一垫圈110的周向间隔设置多个第一凸起部111有利于使所受到的外力挤压或发生的形变沿光纤光栅测力垫圈100的周向分散并趋于均匀化，防止由于局部受力过大或发生的形变过大而导致光纤光栅测力垫圈100破损。提高了光纤光栅测力垫圈100的耐用性。

进一步地，在本实施例中，多个第一凸起部111沿第一垫圈110的周向均匀间隔设置。沿第一垫圈110的周向均匀间隔设置多个第一凸起部111可以使第一垫圈110和/或第二垫圈120所受到的外力挤压或发生的形变沿光纤光栅测力垫圈100的周向最大限度地分散并趋于均匀化。

进一步地，在本实施例中，第一垫圈110的用于夹持光纤光栅传感器130一端呈波纹状，第一凸起部111位于波峰，第一凹陷部112位于波谷。第二垫圈120的用于夹持光纤光栅传感器130一端同样也呈波纹状，第二凸起部121位于波峰，第二凹陷部122位于波谷。

第一垫圈110与第二垫圈120之间的波纹状的界面有利于使第一垫圈110和/或第二垫圈120所受到的外力挤压或发生的形变在沿光纤光栅测力垫圈100的周向分散时，分散过程趋于平缓，防止出现个别受力高出平均受力的畸高点而导致第一垫圈110和/或第二垫圈120破损的情况。提高了光纤光栅测力垫圈100的耐用性，同时也防止上述可能出现的畸高点对光纤光栅传感器130造成损伤。

光纤光栅传感器130夹持于第一垫圈110和第二垫圈120之间时，由于波纹状没有棱边或棱角，可以防止光纤光栅传感器130局部压强过大而破损，提高了光纤光栅传感器130的使用寿命和安全性。

进一步地，在本实施例中，光纤光栅传感器130为多个，多个光纤光栅传感器130沿光纤光栅测力垫圈100的周向均匀间隔设置。均匀间隔设置的多个光纤光栅传感器130可以全面地反映光纤光栅测力垫圈100的整体受力以及形变的变化情况，防止由于局部受力的差异性而导致出现光纤光栅传感器130感应失真的情况。

第一垫圈110与第二垫圈120之间的波纹状的界面使第一垫圈110和/或第二垫圈120所受到的外力挤压或发生的形变沿光纤光栅测力垫圈100的周向分散化，均匀间隔设置的多个光纤光栅传感器130可以将分散的受力和形变全部反映出来，通过对局部受力和形变的汇总反映出光纤光栅测力垫圈100的整体受力和形变的变化情况。确保了光纤光栅传感器130感应的准确性以及光纤光栅测力垫圈100感应受力与形变变化情况的准确性与高保真性。

进一步地，在本实施例中，沿光纤光栅测力垫圈100的周向，相邻两个光纤光栅传感器130之间均由数据线150相连。与每个光纤光栅传感器130均单独通过光纤140连接至数据收集或分析装置相比，数据线150可将各个光纤光栅传感器130的感应电信号进行汇总，可以简化并减少数据收集或分析装置采得的数据，便与后续分析与检测。一方面减少了数据量便于分析，另一方面使采集得到的数据可直接总整体上反映光纤光栅测力垫圈100的受力与形变变化情况。

进一步地，在本实施例中，光纤光栅传感器130设置于第一凸起部111且位于波峰。波峰是第一垫圈110与第二垫圈120之间相互作用力较敏感的位置，光纤光栅传感器130设于此处可以提高光纤光栅传感器130对第一垫圈110与第二垫圈120之间相互作用力及光纤光栅测力垫圈100整体的受力与形变变化情况的感应灵敏度。提高了光纤光栅测力垫圈100对受力与形变的灵敏度。

光纤光栅测力垫圈100的工作原理是：通过沿光纤光栅测力垫圈100的周向均匀间隔夹持设置于第一垫圈110与第二垫圈120之间的光纤光栅传感器130，可以将第一垫圈110和/或第二垫圈120以及光纤光栅测力垫圈100整体所受到的压力或发生的形变的变化情况转化成电信号的变化，电信号变化通过光纤140传导至数据收集或分析装置，通过数据分析便可得出光纤光栅测力垫圈100的受力与形变的变化情况。光纤光栅测力垫圈100可用于测量物件的受力变化。进而得出被测物件的受力与形变变化情况。

综上所述，本发明提供的光纤光栅测力垫圈100能够用于测量物件的受力以及形变的变化情况，反映物件局部及物件整体的受力情况。灵敏度与准确度高，耐用性强。健康

请参阅图3，本实施例还提供一种锚杆测力系统200，锚杆测力系统200包括光纤光栅测力垫圈100，锚杆测力系统200还包括数据采集装置210，光纤140与数据采集装置210的测试接口相连。

锚杆测力系统200能够将光纤光栅测力垫圈100产生的电信号变化数据由数据采集装置210收集汇总，通过对数据的分析处理即可得出相应的受力与形变的变化情况。

锚杆测力系统200能够用于测量物件的受力以及形变的变化情况，反映物件局部及物件整体的受力情况。灵敏度与准确度高。

请参阅图4，本发明还提供一种锚杆300。锚杆300包括杆体310、垫板320和螺母330；杆体310贯穿垫板320并与螺母330通过螺纹可拆卸连接。锚杆300还包括光纤光栅测力垫圈100，光纤光栅测力垫圈100套设于杆体310并夹持于垫板320与螺母330之间。

本申请的发明人发现：可以通过测量锚杆300的垫板320与螺母330之间的作用力变化来反映出整个锚杆300的受力变化情况。锚杆300通过设置光纤光栅测力垫圈100，使其自身的垫板320与螺母330之间的作用力以及形变的变化情况便于测量，进而反映锚杆300整体的受力及形变变化情况。

请参阅图1、图2和图4，进一步地，光纤光栅测力垫圈100可用于测量锚杆300的受力以及形变的变化情况，一方面具有很高的灵敏度与准确度，另一方面第一垫圈110和第二垫圈120又可以保护光纤光栅传感器130。由于锚杆300的受力一般很大，第一垫圈110和第二垫圈120可以防止光纤光栅传感器130受到锚杆300的直接压迫而损坏，延长了光纤光栅传感器130的使用寿命。光纤光栅测力垫圈100可将所受的来自锚杆300的压力或形变变化的情况传递至光纤光栅传感器130，通过电信号分析便可得出锚杆300的压力或形变变化情况，进而了解整个锚固结构的受力情况。

进一步地，在本实施例中，光纤光栅测力垫圈100的内径略大于杆体310的外径。此结构可以尽可能减小光纤光栅测力垫圈100与杆体310之间的间隙，使得光纤光栅测力垫圈100与螺母330以及垫板320之间的接触面积增大，提高了光纤光栅测力垫圈100对螺母330与垫板320之间的作用力的变化情况的感应灵敏度和准确度。

进一步地，在本实施例中，垫板320呈大致的“碗形”。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，垫板320还可以呈平板状。

综上所述，将光纤光栅测力垫圈100套设于锚杆300的杆体310，并将光纤光栅测力垫圈100设于锚杆300的螺母330与垫板320之间。本申请的发明人发现：可以通过利用光纤光栅测力垫圈100检测锚杆300的垫板320与螺母330之间的作用力变化，即可反映出锚杆300整体的受力情况，间接反映出整个锚固结构的受力情况。

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。