专利名称：：光纤光栅锚杆测力装置及监测锚杆应力变化的方法
技术领域：
：本发明涉及测力装置和监测锚杆应力变化的方法，具体涉及是一种光纤光栅锚杆测力装置及应用于监测锚杆应力变化的方法。
背景技术：
：现有的矿山或隧道或边坡使用锚杆对岩石或土层进行加固，所使用的锚杆监测仪器，按其传感器的类型分有电阻应变式、钢弦式、液压枕式等多种形式[']。但上述方法存在无法满足锚杆长期监测的要求，其原因有两个方面一方面锚杆的工作环境恶劣，对传感器的防水、防潮、防裂、防腐等要求高，给锚杆的长期监测带来困难，也直接影响了仪器的可靠性和使用寿命；另一方面在监测信号远距离传输上，很难实现自动化数据采集和处理，同时还存在结构复杂、安装工艺繁琐、只能一次性使用、不易保护和维修、受环境的影响较大缺陷。
发明内容本发明的目的是提供一种结构简单、操作方便、成本低的光纤光栅锚杆测力装置。本发明的另一目的是提供监测锚杆应力变化的方法。为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的光纤光栅锚杆测力装置，包括一个压力表，本发明的特殊之处在于压力表与T字型油管连接，T字型油管的水平管与液压油缸连接，锚杆插在液压油缸内孔中，T字型油管的垂直管与光纤光栅传感器连接，所述光纤光栅传感器包括一个壳体内连接有包层，包层内腔置有一根纤芯，纤芯至少间隔连接有两个光栅，纤芯两端连接到光纤光栅传感网络分析仪上，光纤光栅传感网络分析仪与电脑连接。一种测力装置应用于监测锚杆应力变化的方法，按下述步骤3a行1)、首先在岩石或土层中钻锚杆孔，并在锚杆孔中安装锚杆；2)、将裸露在岩石或土层外的锚杆体的一端依次套入垫板、液压油缸(4)、垫板、用螺母固定连接为一体；3)、将光纤光栅传感器两端的纤芯(7)引线连接到光纤光栅传感网络分析仪上，光纤光栅传感网络分析仪与电脑连接；4)、通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将其转换成电信号，由光纤光栅传感网络分析仪计算出待测结构的各个测点的应力应变的大小及在整个待测结构上的分布状态；5)、通过光纤光栅波长解调分析软件读取测试数据；6)、对读取测试数据建立一元线性回归模型，经分析整理后，即得出锚杆体在外力作用下的应力应变数值，当该处数值处于危险状况时，施工单位必须采取相应加固措施，防止事故的发生。本发明与现有技术相比，结构简单、操作、安装方便、成本低，它除了具有普通光纤传感器尺寸小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、使用安全可靠等优点外，还具有其独特的优点:如波长调制型，抗干扰能力强;易于与光纤耦合，耦合损耗小;集"传"与"感"于一体且具有更强的复用能力，易于构成传感网络；测量对象广泛，易于实现多参数传感测量。可重复使用、易于保护和维修，可用于对锚杆应力进行分布和长期监测，且具有很高的测试精度，长期稳定性好，信号传输距离远，给锚杆支护质量的长期在线监测提供了一种可靠有效的手段，广泛用于矿山或隧道或边坡等领域。图1为本发明的锚杆测力装置结构示意图；图2为图1的测力油缸俯视结构示意图3为图2的主视结构示意图；图4为图1的测力油缸活塞俯视结构示意图；图5为图4的主视结构示意图；图6为光纤光栅结构示意图；图7为光通过光栅时能量分配示意图；图8为光纤光栅分布传感系统的原理图；图9为光纤光栅锚杆测力计与机械表读数比较图；图10为光纤光栅锚杆测力装置埋设位置示意图。具体实施例方式附图为本发明的实施例。下面结合附图对
发明内容作进一步说明参照图1所示，一种光纤光栅锚杆测力装置，包括一个压力表l，压力表1与T字型油管2连接，T字型油管2的水平管与液压油缸4连接，锚杆插在液压油缸4内孔中，T字型油管2的垂直管与光纤光栅传感器3连接，所述光纤光栅传感器3包括一个壳体5内连接有包层6，包层6内腔置有一根纤芯7，纤芯7至少间隔连接有两个光栅8，纤芯7两端连接到光纤光栅传感网络分析仪上，光纤光栅传感网络分析仪与鬼脑连接。图2、图3所示为测力油缸俯视、主视结构示意图，缸体4-l内腔设有插入锚杆杆体的孔4-2，缸体4-1内腔填充有液压油4-3，缸体4-l上设的联接孔4-4与T字型油管2的水平管一端连接。图4、图5所示为测力油缸活塞俯视、主视结构示意图，活塞4-6上至少设有四个弹簧孔4-5，弹簧孔4-5安装有弹簧4-7。图6、图7所示为光纤光栅结构示意图和光通过光栅时能量分配示意图，光纤光栅传感器3包括一个壳体5内连接有包层6，包层6内腔置有一根纤芯7，纤芯7至少间隔连接有两个光栅8，纤芯7两端连接到光纤光栅传感网络分析仪上，光纤光栅传感网络分析仪与电脑连接。光纤光栅传感原理，光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性，通过某种工艺方法(通常是向Ge磁芯光纤照射240nm左右的紫外线)使外界入射的光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致纤芯折射率沿光纤轴方向周期性或非周期性的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅的工作原理可以归纳为如下过程一束光注入光纤光栅，只要满足布拉格条件就会产生有效的反射，反射光的峰值波长称为布拉格波长^，单模光纤中，布拉格波长为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中/V是纤芯的有效折射率，A是光栅的空间周期。反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期A和反向耦合模的有效折射率#，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起反射或透射波长的漂移。在所有引起光栅Bmgg波长漂移的外界因素中，最直接的为应变参量，因为无论是对光栅进行拉伸还是压縮，都势必导致A变化，并且光纤本身所具有的弹光效应使得"^也随外界应力状态的变化而变化，这为采用光纤Bmgg光栅制成光纤应变传感器提供了最基本的物理特性。还有一个重要因素就是温度，而温度对^的影响则是由于热光效应和热膨胀效应。应力应变引起光栅Bmgg波长漂移<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中《为光纤的弹光系数(对石英光纤，《=0.22);As为光纤轴向应变；Ks为测量应变的灵敏度(nm4is)。由于温度变化而引起的波长变化量<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>式中:a为光纤Bmgg光栅的热膨胀系数；g为光纤光栅的热光系数(对石英光纤，a=0.5xlO-6。CT1，《=7xl0-6。CT1);Kt为测量温度的灵敏度(nm/°C)。假设应变和温度分别引起Bmgg波长的变化是相互独立的，则两者同时变化时Bragg波长的变化可以表示为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>(4)由式(2)可知，基于此原理的光纤光栅应变传感器是以光的波长为最小计量单位的，而目前对光纤光栅波长移动的探测达到了pm量级的高分辨率，因而其具有测量灵敏度高的特点，而且只需要探测到光栅波长分布图中波峰的准确位置，对光强的波动不敏感，比一般光纤传感器具有更高的抗干扰能力。由于拉、压应力都能对其产生光纤光栅波长的变化，因此该传感器在结构检测中具有优异的变形匹配特性，其动态范围大(达1000^)且线性度好。另一方面，在应变测量中，为了避免温度对测量的影响，由式(3)可以看出，测量系统可采用同种温度环境下的光纤光栅温度补偿传感器进行克服。图8为光纤光栅分布传感系统的原理图，准分布的多个光纤Bmgg光栅，通过不同光纤光栅的反射光波长(X1，入2，，？n)，与待测结构沿程各测量点(l，2，，n)相对应，分别感受待测结构沿线分布各点的应力应变，使其反射光的波长发生改变。改变的反射光经传输光纤从测量现场传出，通过光纤Bmgg光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将其转换成电信号，由二次仪表计算出待测结构的各个测点的应力应变的大小及在整个待测结构上的分布状态。图9为光纤光栅锚杆测力计与机械表读数比较图，图中横坐标为加载在光纤光栅锚杆测力计上的实际载荷，左边纵坐标为机械表读数，右边纵坐标为光纤光栅压力计读数。由表中数据可知，数据基本呈线性分布，建立一元线性回归模型对上表中数据进行分析，y=ax+b式中a,b为回归系数，x为所施加载荷，单位为KN。置信度为95%，线性回归分析结果如表2所示。表2实验数据线性回归分析Table2Linearregressionanalysisofexperimentresults<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>由上述试验及数据分析结果可知(1)上午下午试验中，压力表和光纤光栅传感器读数的线性度都为1，说明压力表和光纤光栅传感器都具有很好的线性度。(2)光纤光栅传感器读数的回归曲线的斜率基本一致，而压力表读数回归曲线斜率相差相对较大，说明光纤光栅传感器比压力表性能更加稳定。(3)压力表和光纤光栅传感器读数在两端都有一小段非线性区，中间段的线性度非常好，而锚杆的受力基本在中间段，不影响其精确测量。(4)几次加载和卸载过程中，压力表和光纤光栅传感器的读数都基本能返回原值，说明压力表和光纤光栅传感器都在其弹性范围内工作，重复性较好。(5)上午和下午试验中，光纤光栅传感器读数具有一定的差值，是因上午、下午温度不同造成的，在单次加载和卸载试验中，由于时间较短，可以忽略温度的影响，而上午和下午温度差较大，对光纤光栅传感器有一定影响，说明光纤光栅锚杆测力计应用于现场监测时必须要采取温度补偿措施。图10所示为光纤光栅锚杆测力装置现场埋设位置示意图，在岩石或土层打锚杆钻孔9，在锚杆钻孔9中安装锚杆10，然后在钻孔9中充填粘结剂固定锚杆10，待充填粘结剂凝结固化后，在岩石或土层裸露的锚杆10的一端上依次分别连接木托板ll、铁托板12、液压油缸4、垫板13，最后用螺母14固定连接为一体，锚杆的端部载荷作用在油缸活塞4-6上，通过油缸活塞4-6作用到液压油4-3上，由此可以计算出在锚杆端部载荷F作用下油压力P的大小，油缸活塞作用面积按下式计算，S-;rf2-;zr2(5)锚杆的端部载荷作用在油缸活塞上，通过油缸活塞作用到油上，由此可以计算出在锚杆端部载荷F作用下油压力P的大小，P丄f2、(6)光纤光栅锚杆测力计在安装施工时，为了避免光纤光栅应变传感器在施工过程中被冲击，防止光纤光栅信号传输线在施工过程中被破坏，一定要注意保护光纤光栅信号传输线，将光纤光栅信号传输线安装在教隐蔽的地方，要保护好光纤跳线头的清洁。测力装置应用于监测锚杆应力变化的方法，按下述步骤进行1)、首先在岩石或土层中钻锚杆孔，并在锚杆孔中安装锚杆；2)、将裸露在岩石或土层外的锚杆体的一端依次套入垫板、液压油缸(4)、垫板、用螺母固定连接为一体；3)、将光纤光栅传感器两端的纤芯7引线连接到光纤光栅传感网络分析仪上，光纤光栅传感网络分析仪与电脑连接；4)、通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将其转换成电信号，由光纤光栅传感网络分析仪计算出待测结构的各个测点的应力应变的大小及在整个待测结构上的分布状态；5)、通过光纤光栅波长解调分析软件读取测试数据；6)、对读取测试数据建立一元线性回归模型，经分析整理后，即得出锚杆体在外力作用下的应力应变数值，当该处数值处于危险状况时，施工单位必须采取相应加固措施，防止事故的发生。综上所述，锚杆支护与传统的棚式支护相比，它具有结构简单、操作方便、成本低等优点，随着巷道支护技术的提高，锚杆支护已发展成为世界矿井巷道以及其它地下工程支护的一种主要支护形式之一。锚杆的支护质量决定着巷道的使用安全和围岩稳定，如何对巷道的稳定性、安全性进行监测，提前采取预防措施，避免损失和灾害。光纤光栅传感器尺寸及其封装设计光栅是用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空间相位光栅，光栅区长度为2cm，光纤纤芯9"m，包层外径为125um，带涂敷层后的外径为250um。光纤光栅传感器外形尺寸为98rranX36mmX36mm，两端带标准FC/PC跳线头。光纤光栅锚杆测力计压力试验机加载卸载实验为测试光纤光栅锚杆测力计的性能，在实验室用压力试验机对光纤光栅锚杆测力计进行加载和卸载实验。实验用到的加载设备是300KN万能材料压力试验机，测试仪器选用P101型光纤光栅传感网络分析仪，其主要技术指标为波长分辨率为!戸，扫描范围为15251565nm，温度分辨率《0.rC，应变分辨率Sl/^。P101型光纤光栅传感网络分析仪与电脑连接，通过专用的光纤光栅波长解调分析软件读取测试数据。实验中利用压力试验机每步给光纤光栅锚杆测力计加载IOKN，为保证光纤光栅锚杆测力计在其量程范围内工作，加载到120KN停止，共加载12步，待读数稳定后，再从120KN开始以每步10KN卸载，并读出卸载过程中的读数。实验测得数据见表l。表1压力机加载卸载实验数据<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>锚杆支护质量光纤光栅监测系统光纤光栅传感器的一个非常重要的优点就是光纤光栅阵列与波分复用(WDM)时分复用(TDM)和空分复用(SDM)技术相结合，构成光纤光栅准分布式监测系统。在煤矿井下巷道、开切眼及煤柱等地方各个锚杆监测点布置光纤光栅锚杆测力计，各个光纤光栅锚杆测力计通过光纤与地面的监控设备连接起来，组成了锚杆支护质量光纤光栅监测系统。利用该监测系统可以实现对井下各个监测点锚杆的受力情况进行监测，从而对井下巷道支护质量及煤柱稳定性等做出评估和预测。结论(1)光纤光栅锚杆测力计与普通压力计相比具有更高的测量精度。(2)光纤光栅锚杆测力计上午和下午实验结果受到了温度的影响，可以采用一定的补偿措施来消除温度对光纤光栅锚杆测力计的影响。(3)光纤光栅锚杆测力计可用于对锚杆支护质量进行在线监测，不需要工程技术人员现场观测。(4)光纤光栅锚杆测力计用于锚杆支护质量在线监测是本质安全的，满足煤矿井下监测安全防爆要求。权利要求1、一种光纤光栅锚杆测力装置，包括一个压力表(1)，其特征在于压力表(1)与T字型油管(2)连接，T字型油管(2)的水平管与液压油缸(4)连接，锚杆插在液压油缸(4)内孔中，T字型油管(2)的垂直管与光纤光栅传感器(3)连接，所述光纤光栅传感器(3)包括一个壳体(5)内连接有包层(6)，包层(6)内腔置有一根纤芯(7)，纤芯(7)至少间隔连接有两个光栅(8)，纤芯(7)两端连接到光纤光栅传感网络分析仪上，光纤光栅传感网络分析仪与电脑连接。2、一种权利要求1所述测力装置应用于监测锚杆应力变化的方法，按下述步骤进行-1)、首先在岩石或土层中钻锚杆孔，并在锚杆孔中安装锚杆；2)、将裸露在岩石或土层外的锚杆体的一端依次套入垫板、液压油缸(4)、垫板、用螺母固定连接为一体；3)、将光纤光栅传感器两端的纤芯(7)引线连接到光纤光栅传感网络分析仪上，光纤光栅传感网络分析仪与电脑连接；4)、通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将其转换成电信号，由光纤光栅传感网络分析仪计算出待测结构的各个测点的应力应变的大小及在整个待测结构上的分布状态；5)、通过光纤光栅波长解调分析软件读取测试数据；6)、对读取测试数据建立一元线性回归模型，经分析整理后，即得出锚杆体在外力作用下的应力应变数值，当该处数值处于危险状况时，施工单位必须采取相应加固措施，防止事故的发生。全文摘要本发明公开了光纤光栅锚杆测力装置及应用方法。包括压力表与油管连接，水平管与液压油缸连接，锚杆插在液压油缸内孔，垂直管与光纤光栅传感器连接，光纤光栅传感器壳体内连接包层及纤芯，纤芯连接光栅，纤芯两端连接到光纤光栅传感网络分析仪及电脑。测力装置应用方法，光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将其转换成电信号，由光纤光栅传感网络分析仪计算出待测点应力应变大小及在整个待测点分布状态；光纤光栅波长解调分析软件读取测试数据；建立一元线性回归模型，得出锚杆在外力作用下应力应变数值，结构简单、成本低，抗干扰能力强；多参数传感测量。测试精度高，稳定性好，信号传输距离远，广泛用于矿山或隧道或边坡等领域。文档编号G01L1/24GK101358886SQ200810151099公开日2009年2月4日申请日期2008年9月25日优先权日2008年9月25日发明者毅李,敬柴,标邱申请人:西安科技大学