一种光纤光栅的磁弹索力传感器的制作方法

本发明属于岩土工程监测技术领域，涉及一种光纤光栅的磁弹索力传感器。

背景技术：

边坡预应力加固工程是减少滑坡问题的一种方法。最常见的边坡预应力加固工程为往边坡体内加入锚索结构，所以准确测量锚索结构的预应力变化具有非常重要的意义。目前，常用的锚索索力监测手段为压力传感器、振动波法、振动频率法。其中压力传感器主要有电阻应变式、振弦式和光纤光栅三种，均需在锚索锚头与混凝土之间加装垫板与承压环，这样锚索索力就全部作用于承压环上，通过测量承压环的应变量来监测锚索索力的大小。而振动波法与振动频率法都为缆索上施加振动，来监测锚索索力，并不适用边坡土体中锚索的索力大小。

基于磁弹效应的锚索索力测量是目前应用较为广泛的一种新型监测方法。其测量原理为：当铁磁性材料被外部磁场磁化后，其应力状态发生变化时，则其内部磁导率等参数会发生变化，通过推导出其改变的磁特性参数和锚索索力之间的关系，即可实现锚索的索力测量。

传统的磁弹索力传感器分为两种，一种为套筒式磁弹索力传感器，其结构相对来说较为简单、精度较高并且成本低等优点，被广泛应用在锚索索力监测中，但其需与锚索一起加工，统一生产，运输起来相对复杂，并容易破坏；另一种则是旁路式磁弹索力传感器，虽然解决了安装困难的缺点，但其内外嵌套的双线圈结构仍存在相互影响问题。

光纤光栅作为一种新型的测量元件，当温度与应变发生变化时，其中心波长会发生改变，通过布设形式的不同，可以剔除温度对中心波长的影响，从而得到精确的应变变化。光纤光栅具有防电磁干扰、耐腐蚀等良好特性，适合作为磁弹索力传感器的测量元件。

因此，本发明针对上述问题，采用光纤光栅和磁致伸缩技术，提供一种可准确测量锚索索力的磁弹索力传感器。

技术实现要素：

本发明针对现有磁弹索力传感器不易安装以及双线圈互相影响导致误差较大的问题，利用光纤光栅和磁致伸缩材料，提供一种光纤光栅磁弹索力传感器，可准确测量锚索索力，克服传统索力计测量精度低、安装复杂、数据传输能力弱等缺点。

本发明的技术方案：

一种光纤光栅的磁弹索力传感器，包括固定装置、测量装置2、激励线圈1、磁铁6和轭铁7；

所述的固定装置包括螺栓3、锚索4和锚索夹具5，用四组螺栓3将锚索夹具5与锚索4连接在一起；

所述的测量装置2包括光纤光栅、磁致伸缩材料10和光纤光栅解调仪11；其中光纤光栅包括应变光纤光栅8和温度补偿光纤光栅9，应变光纤光栅8和温度补偿光纤光栅9固定安装在磁致伸缩材料10上，二者均与光纤光栅解调仪11连接，且二者相互垂直布置；

所述的磁铁6一端固定在锚索夹具5上，两个磁铁6的另一端通过轭铁7实现连接；其中一个磁铁6上开有安装槽，测量装置2安装在安装槽内；

所述的激励线圈1对称安装在安装有测量装置2的磁铁6的两侧。

由直流变频电源对激励线圈1通电，根据磁弹效应即被磁化的磁铁6在受力时其内部磁弹性能量使磁化强度矢量发生改变，导致磁铁6的磁导率发生变化，从而使得磁致伸缩材料11发生改变，由应变光纤光栅8测得的磁致伸缩材料11的应变，并通过温度补偿光纤光栅9对所得应变进行温度补偿，从而准确的推导出锚索4的索力。

本发明因其是设置有固定装置，即可在工厂内预制，直接运输到现场安装在待测锚索4上，在锚索4受力的同时由光纤光栅测得磁致伸缩材料11的应变，从而推导出锚索4自身内部索力。

本发明的有益效果：充分利用光纤光栅技术的优越性，光纤光栅防电磁干扰，在光纤光栅磁弹索力计与锚索形成一个磁回路时，光纤光栅并不会因为电磁场的存在而导致测量误差，克服传统磁弹索力计双线圈结构相互影响导致测量误差较大的缺陷。

附图说明

图1为本发明提供的光纤光栅磁弹索力计的内部结构图；

图2为本发明提供的光纤光栅磁弹索力计的测量装置示意图。

图中：1激励线圈；2测量装置；3螺栓；4锚索；5锚索夹具；6磁铁；7轭铁；8应变光纤光栅；9温度补偿光纤光栅；10磁致伸缩材料；11光纤光栅解调仪。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1是本发明提供的光纤光栅的磁弹索力传感器的内部结构图，包括固定装置和测量装置2，进一步包括激励线圈1、测量装置2、螺栓3、锚索4、锚索夹具5、磁铁6、轭铁7。图2为本发明提供的光纤光栅的磁弹索力传感器的测量装置示意图，测量装置2包括应变光纤光栅8、温度补偿光纤光栅9、磁致伸缩材料10、光纤光栅解调仪11。

其中，光纤光栅的磁弹索力传感器利用四组螺栓3通过锚索夹具5与锚索4连接在一起，构成一个旁路结构。光纤光栅磁弹索力计由激励线圈1、测量元件2、轭铁6以及磁铁7组成。由直流变频电源对激励线圈通电，根据磁弹效应即被磁化的铁磁性材料在受力时其内部磁弹性能量使磁化强度矢量发生改变，导致材料磁导率发生变化，从而使得磁致伸缩材料10发生改变，由应变光纤光栅8测得的磁致伸缩材料的应变，再由温度补偿光纤光栅9测得周边温度的变化，可以推导出锚索自身内部索力。

本发明因其是旁路式结构，根据磁路等效原理，用一种无分支磁路结构替代原来两并联支路磁路结构，形成旁路式结构，将锚索看做是磁回路的一部分，而非铁芯，并将磁极外端设计成一个专用夹具，通过螺栓与锚索紧密相连，由于旁路式结构无穿套线圈，即可以在工厂内预制，直接运输到现场安装在待测锚索上，在锚索受力的同时由光纤光栅测得磁致伸缩材料的应变，从而推导出锚索所受机械力。

技术特征：

1.一种光纤光栅的磁弹索力传感器，其特征在于，该光纤光栅的磁弹索力传感器包括固定装置、测量装置(2)、激励线圈(1)、磁铁(6)和轭铁(7)；

所述的固定装置包括螺栓(3)、锚索(4)和锚索夹具(5)，用四组螺栓(3)将锚索夹具(5)与锚索(4)连接在一起；

所述的测量装置(2)包括光纤光栅、磁致伸缩材料(10)和光纤光栅解调仪(11)；其中光纤光栅包括应变光纤光栅(8)和温度补偿光纤光栅(9)，应变光纤光栅(8)和温度补偿光纤光栅(9)固定安装在磁致伸缩材料(10)上，二者均与光纤光栅解调仪(11)连接，且二者相互垂直布置；

所述的磁铁(6)一端固定在锚索夹具(5)上，两个磁铁(6)的另一端通过轭铁(7)实现连接；其中一个磁铁(6)上开有安装槽，测量装置(2)安装在安装槽内；

所述的激励线圈(1)对称安装在安装有测量装置(2)的磁铁(6)的两侧。

技术总结
本发明属于岩土工程监测技术领域，提供了一种光纤光栅的磁弹索力传感器，包括固定装置、测量装置、激励线圈、磁铁和轭铁。本发明充分利用光纤光栅技术的优越性，光纤光栅防电磁干扰，在光纤光栅磁弹索力计与锚索形成一个磁回路时，光纤光栅并不会因为电磁场的存在而导致测量误差，克服传统磁弹索力计双线圈结构相互影响导致测量误差较大的缺陷。

技术研发人员：裴华富;张朝;朱鸿鹄;邹德高
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2020.01.02
技术公布日：2020.04.21