一种单端双出缆的多光栅锚杆应力计的制作方法

本实用新型属于岩土工程安全监测技术领域，具体涉及一种单端双出缆的多光栅锚杆应力计。

背景技术：

工程监测中常规的钢筋计、锚杆应力计、应变计、渗压计、温度计一般都采用差动电阻式、振弦式等电式传感器。近年来，随着长距离输调水工程的实施以及光纤光栅传感及解调技术的发展，基于光纤Bragg光栅（Fiber Bragg Grating, 简称FBG）传感器在岩土工程中逐步得到应用，充分表现出光纤光栅仪器的长距离信号传输、灵活组网、抗电磁干扰、绝缘要求低等优势。FBG传感器裸光纤为玻璃纤维，传感器变形主体为金属材料，需要将两者长期有效联接成一体同步变形，FBG才能有效反应物理量变化，这是研制光纤光栅仪器的关键工艺。该工艺大致可以分为两类，一类是采用在裸光纤外套金属保护管，两者之间用环氧树脂或其他聚合材料可靠粘结，保护管再与主体焊接；另一种是采用全金属化封装，即裸光纤外镀金属层，再将金属镀层与主体激光焊接成整体。

光纤光栅锚杆应力计是光纤光栅传感器的一种。当前，该仪器在岩土工程中应用时上因在安装上具有缺陷，造成测量结果误差较大。图1为目前安装的光纤光栅锚杆应力计，包括保护钢套5，保护钢套5内设置有裸光纤2及两个夹持部件5，裸光纤2两端连接有尾缆1，光纤上连接有应变FBG3，两个夹持部件5将光纤2固定在钢筋7一侧。其安装存在的不足主要包括以下几个方面：

第一，两端出缆方式导致安装难度大。光纤光栅锚杆应力计一般从仪器的两侧分别引出尾缆，以发挥光纤光栅仪器的波分复用优势以节约数据采集通道。当锚杆应力计安装时，需要将其串接在锚杆上，塞入钻孔中，这样就造成两根尾缆中的一根必须在有限孔径的钻孔中折回，增加光损的同时也造成了很大的安装难度及风险，甚至无法安装。

第二，不具备专用的测温FBG。由于FBG波长受温度和应变的双重作用，有些锚杆应力计安装部位温度变幅较大，如果应变波长不扣除温度的影响则对计算成果影响较大。尤其是当锚杆应力计埋设在大体积混凝土内当钢筋计使用时，这种影响就更为明显。

第三，偏心受力的情况下不能准确反映锚杆应力。光纤光栅锚杆应力计一般是将应变FBG固定在钢筋一侧，在隧道衬砌内锚杆可能偏心受力，则其观测成果将不能准确反映真实应力。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型公开了一种改进的多光栅锚杆应力计，能够实现单端双出缆方式。

为了达到以上目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种单端双出缆的多光栅锚杆应力计，包括保护钢套以及设置在保护钢套中的光纤、夹持部件、温度FBG、应变FBG和定位部件，温度FBG和应变FBG串联在光纤上，夹持部件将光纤固定在钢筋上，光纤两端连接有尾缆，两端尾缆自保护钢套同一端引出，定位部件套设在钢筋外，光纤沿定位部件边缘绕行后在应力计内折回。

进一步的，所述定位部件具有上、下两条侧边和顶部弧边，上侧边与顶部弧边一端交接处具有圆弧倒角，顶部弧边另一端与下侧边交接处具有圆弧倒角，光纤沿定位部件上侧边延伸至顶部弧边后再延伸至下侧边后行至钢筋下侧。

进一步的，所述应变FBG为两个。

进一步的，所述两个应变FBG分别设置在上下两侧光纤上。

进一步的，所述定位部件上侧边和下侧边彼此平行。

进一步的，所述夹持部件为四个，在钢筋上下两侧各设置有两个，分别用于夹持钢筋上下两侧的光纤。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

1.优化光纤光栅锚杆应力计设计，将光纤沿特定结构在仪器内部折回，形成单端双出缆方式，通过定位部件保证光纤一定的转弯半径，减小光损，避免了安装过程中的不确定性，提高仪器安装的完好率，同时可以保证锚杆应力计串联数量。

2.在锚杆应力计内部增设与应变FBG串接且处于自由状态的测温FBG，同时测量环境温度，进一步消除温度对应变FBG波长的影响。

3.在钢筋主体的上下两侧分别设一个应变FBG光栅，对二个光栅的应变值观测成果取均值，可以修正锚杆偏心受力对监测成果的影响，得到更准确的锚杆应力。此外，当二个应变FBG光栅中如果有一个失效，仍可以使用另一个应变FBG的测值作为监测成果，提高了仪器的可靠性。

附图说明

图1为现有技术中的锚杆应力计结构示意图。

图2为本实用新型提供的单端双出缆的多光栅锚杆应力计结构示意图。

图3为带有定位部件的钢筋部分立体示意图，其中定位部件上设置有光纤。

图4为定位部件结构示意图。

附图标记列表：

1尾缆，2光纤，3应变FBG，4夹持部件，5保护钢套，6钢筋，7定位部件，701-上侧边，702-下侧边，703-顶部弧边，8-温度FBG。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本实用新型，应理解下述具体实施方式仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。

如图2所示，本实用新型提供的一种单端双出缆的多光栅锚杆应力计，包括保护钢套5以及设置在保护钢套5中的光纤2（具体为裸光纤）、夹持部件4、温度FBG8、两个应变FBG3和定位部件7，光纤2两端连接有尾缆1，少部分尾缆1也位于保护钢套5中。如图4所示，定位部件采用内径Ф=1mm塑料加工定型，平直段与仪器轴向一致且维持一定的长度。定位部件7套设在钢筋6外，整体接近半圆筒形，定位部件7内壁弧度与钢筋6外壁完全相同，从而能够紧密地贴合在钢筋6外壁上，定位部件7具有上、下两条侧边和顶部弧边703，两侧边彼此平行，长度约为10mm～20mm，两侧边与顶面弧边连接处具有圆弧倒角，倒角半径R≥10mm，顶面弧边的圆弧半径R≥10mm，这样，上侧边与顶部弧边一头交接处形成平滑过渡，顶部弧边另一头与下侧边交接处形成平滑过渡。如图2、图3所示，位于钢筋上侧的光纤沿定位部件7上侧边701延伸至顶部弧边703后再延伸至下侧边702后行至钢筋下侧，这样光纤2实现了在仪器内部的折回，且能保证光纤一定的转弯半径，减小光损，提高仪器埋设安装的完好率。与光纤2连接的两端尾缆1自保护钢套同一端引出，实现单端双出缆，进入保护钢套的光纤和折回的光纤彼此平行。温度FBG8和两个应变FBG3串联在光纤2上，温度FBG8处于自由状态，能够同时测量环境温度，从而进一步消除温度对应变FBG波长的影响。两个应变FBG3分别位于钢筋的上侧光纤和下侧光纤上，当钢筋受力后，产生轴向变形，在输水隧道的锚杆或环向钢筋偏心受力时，钢筋两侧将产生不均匀的应变，在钢筋主体的上下两侧分别设置的应变FBG光栅能够同时获得测值，对两个光栅的应变值观测成果取均值，这样能够了解钢筋中心受力情况，并得到更准确的锚杆应力。这样设计带来的另一个优势是，当二个应变FBG光栅中如果有一个失效，扔可以根据另一个的测值得到监测成果，提高了仪器的可靠性。需要说明的是，在钢筋主体上下两侧分别设置应变FBG效果更佳，如考虑成本或现场条件，也可能只连接一个应变FBG。图中，夹持部件为四个，钢筋上下两侧分别设置两个，用于夹持上下两侧的光纤。

光纤光栅锚杆应力计从仪器的单侧引出二根尾缆，方便安装的同时仍可以发挥光纤光栅仪器的波分复用优势以节约数据采集通道。锚杆应力计安装时，将其串接在锚杆上，引出尾缆的一侧保持在孔口侧再塞入钻孔中，避免引出尾缆在钻孔中折回孔口，方便安装。

应变FBG波长受温度和应变的双重作用，应变波长扣除温度的影响可以更准确的反映锚杆应力。尤其是锚杆应力计埋设在大体积混凝土内当钢筋计使用时，这种影响就更明显。在订购光栅时，需要向光栅生产厂家提出串接光栅的数量、间距、相应波长。

温度修正后的钢筋应力按下式计算：F=K×[(λ1－λ0)-2.3×（λt1-λt0）]

式中：K为锚杆应力计或钢筋计的灵敏度系数（MPa/nm）

λ1为应变光栅当前的波长值（nm）

λ0为应变光栅初始的波长值(nm)

λt1为温补光栅当前波长值(nm)

λt0为温补光栅初始波长值(nm)

经过上式计算后，能够进一步消除温度对应变FBG波长的影响。

光纤光栅锚杆应力计将二个应变FBG固定在钢筋的两侧，锚杆偏心受力时，对称布置的两个应变光栅的平均值可以起到修正作用，从而得到更准确的锚杆应力。

本实用新型方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。