一种锚杆轴力的检测装置及检测方法与流程

本发明涉及一种锚杆轴力的检测装置及检测方法，属于传感器领域。

背景技术：

锚杆支护作为岩土锚固支护技术的主要方式，代表了煤矿巷道支护技术的发展方向。近年来由于掘进面的不断延伸和开采范围的不断扩大，煤矿顶板事故时有发生，其中，多数事故是由于支护质量差、疏于检测等原因造成的。所以，为了保证人员和财产安全，在锚杆支护巷道的服务年限内，对锚杆轴力的状态进行及时、准确、快捷、方便的检测十分必要。

中国专利cn104913818a公开了一种利用压力传感器、位移传感器和监测仪表，监测锚杆锚索变形并进行声光报警的方法。中国专利cn202329885u公开了一种由圆柱形弹性体、电阻应变片、外壳和连接线组成的锚杆锚索拉力传感器。中国专利cn87206290公开了一种由液压枕、外传力板、内传力板、钢弦式压力-频率转换器、钢弦频率计组成的小量程锚杆测力计。中国专利cn103267596a公开了一种通过测量液体压力来判断锚杆的轴向力。中国专利zl94240039.9公开了一种通过承载机构将力转化成压力由压力表读取，再通过换算得出锚杆拉力的单向力测量装置。

上述专利均需装置安装于紧固螺母和球垫之间，由于上述装置在锚杆上安装使用量大，因此增加锚杆支护材料成本；同时使锚杆支护施工工艺复杂，而且减少了锚杆有效的锚固长度。

中国专利cn204666089u和cn104833303a公开了一种利用单片机、电阻应变片、显示器等监测锚杆变形的方法。中国专利cn202090952u公开了一种由现场信号采集以及传输模块、单片机和显示屏组成的监测矿井支护锚杆或锚索的应力装置。中国专利cn204591321u公开了一种由杆体、应变片、导线和应变仪组成的应用于巷道围岩支护的新型应力测量锚杆。中国专利cn203669903u公开了一种由锚杆杆体、锚杆紧固件、智能测力计和数据处理显示控制装置四部分构成的实时监测预紧力锚杆。中国专利cn104879151a公开了一种由杆体和装有应变片的锚杆终端组成的同步测力锚杆。

上述装置安装应变片或光纤在锚杆上，导致锚杆需要切槽或钻孔而削弱了锚杆的强度，而且由于上述装置在锚杆上安装使用量大，因此增加锚杆支护材料成本。

中国专利cn102207404a公开了一种通过检测煤矿非全长粘结锚杆横向振动固有频率监测巷道稳定性的方法。中国专利cn105067169a公开了一种采用声激励，通过听取声音的大小和频率来辨别锚杆力的方法。中国专利cn101082564公开了一种利用加速度传感器对锚杆外露端振动信号进行采集、分析对锚杆受力状态进行检测的技术。但这类监测装置在使用锚固剂后，声波回波信噪比低，同时锚杆长度不一，导致该原理测量精度低，难以在现场复杂使用。

中国专利cn1888841a公开了一种将非晶态合金薄带的中部向一侧凸起形成的拱桥形磁极，磁极的桥面与非晶态合金薄带本体平行设置的非晶态合金应变计。中国专利cn1865877a公开了一种对铁磁材料制造的机械构件进行应力测量的机械应力测量仪。中国专利cn202329889u公开了一种基于磁致伸缩效应的扭矩传感器及扭矩测量方法。中国专利cn102519632a公开了一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器。中国专利cn101695717a公开了一种用于检测轧钢机轧制压力的侧置式传感器。上述采用压磁效应原理进行应力测量装置由于具有以下局限性：

(1)气隙大导致检测线圈灵敏度低，从而信噪比不高，导致测量难以推广应用。

(2)多次测量时气隙一致性差，而气隙严重影响测量精度。

因此，需要一种新型的检测装置，无需在锚杆施工时安装任何附加装置，测量精度高，能够满足锚杆检测精度要求。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种锚杆轴力的检测装置及检测方法，利用压磁效应检测锚杆的轴力。

本发明提供了一种锚杆轴力的检测装置，该装置的整体结构为正六棱柱，上下分别设有上端盖和下端盖，上端盖和下端盖之间采用钢制成的保护壳，上端盖、下端盖分别通过紧固螺钉和保护壳连接；

在锚杆紧固螺母外侧均匀设有若干个二磁极u型磁芯，二磁极u型磁芯位于上端盖、下端盖、保护壳围成的空间内；二磁极u型磁芯的两磁极上套有硅胶套，硅胶套中填有磁流体，二磁极u型磁芯的一端设有励磁线圈，一端设有检测线圈；

保护壳为圆筒形结构，内侧设有台阶孔，上部大孔与锚杆紧固螺母配套，下部小孔为限位孔，对检测装置起到定位作用；

二磁极u型磁芯外侧设有弹性片，弹性片固定在保护壳内壁上；

在上端盖、下端盖、保护壳围成的空间内设有电路槽，电路槽内设有控制电路，电路槽与线路槽连通，每个二磁极u型磁芯旁边配套设置有线路槽、电路槽，从控制电路上引出的导线穿过线路槽将励磁线圈和检测线圈绕在二磁极u型磁芯的上下两端。

上述装置中，在保护壳内侧沿圆周方向均匀设有三个二磁极u型磁芯，二磁极u型磁芯位于保护壳的内部且两磁极紧贴在锚杆紧固螺母外侧的三个面上；二磁极u型磁芯通过环氧胶粘贴在弹性片上，弹性片通过紧固螺钉固定在保护壳内壁上。

上述装置中，所述控制电路通过环氧胶粘附于电路槽中，将线路槽用密封胶灌封，防止水、煤等进入电路槽中。

上述装置中，所述控制电路通过环氧胶粘附于电路槽中，紧贴在保护壳内壁上。

上述装置中，为了防止漏磁，所述上端盖、下端盖和保护壳由不锈钢制成，紧固螺钉、采用不锈钢材料。励磁线圈和检测线圈采用铜漆包线，弹性片采用弹性好的尼龙，二磁极u型磁芯采用锰锌铁氧体磁芯，硅胶套采用采用硅酮橡胶。

本发明提供了一种采用上述的锚杆轴力的检测装置进行检测锚杆轴力的方法，包括以下步骤：测量人员用支撑杆将检测装置套在锚杆紧固螺母上，检测装置保护壳内侧的由定位台阶起定位作用，使二磁极u型磁芯的两个磁极对准锚杆紧固螺母的三个外表面，当励磁线圈通上高频率交流电流时，二磁极u型磁芯两磁极产生磁力吸附于锚杆紧固螺母的三个外表面上，硅胶套中的磁流体在通电条件下具有磁性，填满二磁极u型磁芯的两磁极与锚杆紧固螺母的气隙，使气隙大小几乎为0；

测量检测线圈感应电压u2，可以根据检测线圈的感应电压u2的大小判断锚杆轴力的大；当励磁线圈断开电时由于弹性片4的弹力作用，使二磁极u型磁芯自动复位到原位，从而方便将检测装置取出。

本发明的原理为:如图1所示是一种由控制电路和绕有励磁线圈、检测线圈的二磁极u型磁芯组成的锚杆轴力检测装置。当将检测装置套在被测锚杆紧固螺母表面或相距一定的气隙时，让励磁线圈通有高频率的交流电流i1时，便在励磁磁极上产生了交变磁通，通过气隙及被测锚杆紧固螺母与检测装置构成闭合磁路。当锚杆紧固螺母受到锚杆轴力f作用时，其磁导率μ就会发生变化从而磁阻r发生变化，从而引起磁通量的变化，进而检测线圈5中输出电压u2发生变化，通过测量电压u2的大小就可以测量锚杆轴力的大小。

根据磁路定理，如图1所示的磁路中的瞬时磁通为：

其中：v1为磁通势；

ra、rb分别为2个磁极下的气隙磁阻；

rab为封闭磁路中检测装置磁芯的磁阻；

rcd为封闭磁路中被测锚杆紧固螺母对应磁芯表面上的磁阻。

根据磁阻表达式知：

其中：μ0为空气的磁导率；

δ0为u型磁芯两磁极下的气隙厚度；

sa、sb分别为被测锚杆紧固螺母表面上分别对应u型磁芯两磁极端面的投影面积；

lab为检测装置磁芯中对应sab各段的磁路长度；

μm为磁芯材料的绝对磁导率；

sab为u型检测装置磁芯从a磁极到b磁极各段截面面积；

lcd为被测锚杆紧固螺母表面上对应两个磁极间的磁路长度；

μcd为被测锚杆紧固螺母表面对应两个磁极间的绝对磁导率；

h为在被测锚杆紧固螺母表面的穿透深度；

a为被测锚杆紧固螺母内磁路的平均宽度。

而

其中：i1为高频率的交流电流；

n1为励磁线圈匝数；

i1为励磁线圈电流强度；

f为励磁电流的频率；

t为时间。

由法拉第电磁感应定律可知检测线圈瞬时电动势为：

其中：u2为检测线圈瞬时电动势；

n2为检测线圈匝数；

φ为检测线圈瞬时磁通。

由磁阻ra、rb、rab及rcd的表达式知在式(1)中rab为检测装置磁芯磁阻，为常数；ra、rb是气隙磁阻，与气隙δ0大小有关，非接触测量时当δ0为定值时，ra、rb也可为常数；rcd为与锚杆紧固螺母所受应力大小有关的磁阻，由于压磁效应，不同的压力f使磁阻rcd变为rcd+δrcd。

所以根据式(4)知：

由(5)知检测线圈感应电压输出方程可以得出，此时在检测线圈输出与励磁线圈同频率感应电压。

锚杆紧固螺母相对磁导率的变化与机械应力之间的关系如下：

其中：λs为锚杆紧固螺母饱和磁致伸缩系数；

bs为锚杆紧固螺母饱和磁感应强度；

σ为锚杆紧固螺母表面机械应力；

μh为无应力的锚杆紧固螺母初始磁导率；

μσ为σ作用下的锚杆紧固螺母磁导率；

δμ为磁导率改变量，δμ＝μh-μσ。

由于测量检测线圈的幅值，检测线圈测得u2和应力之间的关系，由于填在硅胶套中的磁流体的作用，ra+rb＝0。

由(5)、(6)化简可得：

当应力σ＝0，

将公式(7)在处泰勒公式展开：

锚杆轴力f和螺母表面应力σ之间存在以下关系：

f＝kσ(9)

其中:f为锚杆轴力大小；

k为锚杆轴力和锚杆紧固螺母表面应力的比例关系。

所以锚杆轴力f和检测线圈瞬时电动势u2的理论关系为：

f＝mu2-n(11)

其中：

式(11)中，m，n通过实验标定确定。

所以可以根据检测线圈的输出电压u2的大小计算锚杆轴力的大小。

本发明的有益效果：

本发明主要涉及锚杆支护质量的检测，对锚杆支护的质量的预知和矿井安全生产具有十分重要的意义。锚杆轴力检测装置用于检测锚杆轴力大小，避免顶板塌方冒顶且提供顶板支护参数，为巷道布置支护设计、顶板安全监测提供可靠的技术参数；同时给煤矿工程技术人员提供锚杆轴力参数，对锚杆的选型提供科学依据，有效防止了冒顶事故的发生，确保了煤矿的安全生产和煤矿工人的生命财产安全。

附图说明

图1为检测装置磁路示意图。

图2为检测装置的结构示意图。

图3为图2的俯视图。

图4为检测装置安装示意图。

图5为测量电路原理框图。

图中，1为上端盖、2为励磁线圈，3为二磁极u型磁芯，4为弹性片，5为检测线圈，6为磁流体，7为硅胶套，8为保护壳，9为第一紧固螺钉，10为下端盖，11为控制电路，12为第二紧固螺钉，13为锚杆紧固螺母，14为线路槽，15为电路槽，16为岩体，17为w钢带，18为托盘，19为调心球垫，20为检测装置支撑杆，21为检测装置，22为减摩垫片，23为锚杆。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1所示是一种由控制电路和绕有励磁线圈2和检测线圈5的二磁极u型磁芯3组成的锚杆轴力检测装置。当将检测装置套在被测锚杆紧固螺母13表面或相距一定的气隙时，让励磁线圈2通有高频率的交流电流时，便在励磁磁极上产生了交变磁通，通过气隙及被测锚杆紧固螺母13与检测装置构成闭合磁路。当锚杆紧固螺母13受到锚杆轴力f作用时，其磁导率μ就会发生变化从而磁阻r发生变化，从而引起磁通量的变化，进而检测线圈5中输出电压u2发生变化，通过测量电压u2的大小就可以测量锚杆轴力的大小。

如图2和图3所示，检测装置的整体结构为正六棱柱，上下采用钢制成的端盖1和10，中间采用钢制成的保护壳8，上下端盖1和10通过紧固螺钉12和保护壳8连接，二磁极u型磁芯3的两磁极上套有硅胶套7，硅胶套7中填有磁流体。二磁极u型磁芯3通过环氧胶粘贴在弹性片4上，弹性片4通过紧固螺钉9固定在保护壳8上，用环氧胶将控制电路11粘附于保护壳8的电路槽15中，通过线路槽14将励磁线圈2和检测线圈5绕在二磁极u型磁芯3的上下两端，将通有励磁线圈2和检测线圈5的线路槽14涂上密封胶，防止水、煤等进去电路槽15中。

上述装置中，为了防止漏磁，所述上端盖1、下端盖10和保护壳8由不锈钢制成，第一紧固螺钉9、第二紧固螺钉12采用不锈钢材料。励磁线圈2和检测线圈5采用铜漆包线，弹性片4采用弹性较好的尼龙，二磁极u型磁芯3采用锰锌铁氧体磁芯，硅胶套7采用采用较软材料硅胶。

如图1～4所示，测量人员用检测装置支撑杆20将检测装置21套在锚杆紧固螺母13上，检测装置21由定位台阶起定位作用，使二磁极u型磁芯3的两个磁极对准锚杆紧固螺母13的三个外表面，当励磁线圈2通上高频率交流电流时，二磁极u型磁芯3两磁极产生磁力吸附于锚杆紧固螺母13的三个外表面上，硅胶套7中的磁流体在通电条件下具有磁性，填满二磁极u型磁芯3的两磁极与锚杆紧固螺母13的气隙，使气隙大小几乎为0。测量检测线圈5感应电压u2，可以根据检测线圈5的感应电压u2的大小判断锚杆轴力的大小。当励磁线圈2断开电时由于弹性片4的弹力作用，使二磁极u型磁芯3自动复位到原位，从而方便将检测装置21取出。

测量锚杆轴力的具体程序为：

(1)打开检测装置上电源开关；

(2)在检测装置的励磁线圈加上高频率交流电流；

(3)采集检测线圈5输出响应，信号处理后，利用公式(11)，计算锚杆轴力的大小。

测量电路原理框图如图5所示，电源开关控制电路闭合，信号源通过功率放大器接到检测装置的励磁线圈上，检测装置的检测线圈依次通过滤波、放大、整流、数据采集(a/d)与cpu相接，然后将检测结果输出显示。