一种基于FBG传感器的监测锚杆及系统

本实用新型属于隧道围岩预警监测技术领域，特别涉及一种基于fbg传感器的监测锚杆及系统。

背景技术：

近年来，随着国内基建的大量兴起，国内山岭隧道也呈雨后春笋式的迸发。在山岭隧道的施工过程中，除了依靠围岩的自稳，对于隧道的支护是一件必不可少的工序，锚喷支护技术，作为山岭隧道的重要支护手段之一，其作用便是依靠其独特的支护形式，加固岩体、控制变形，用于增强围岩的稳定性，以防止隧道坍塌，然而目前，国内外对于隧道运营期间围岩方面的监控量测少之又少，大多数都采用人力勘探，这种监控技术不单耗费大量的人力物力，更具有一定的主观性，很难解决隧道运营期间的安全监控。因此，为保证隧道的安全运营，发明一种能够能够对隧道围岩系统进行实时监控的装置亟待解决。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于fbg传感器的监测锚杆及系统，以解决上述问题。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种基于fbg传感器的监测锚杆，包括锚杆、传感单元、保护壳体；保护壳体沿周向设置在锚杆的侧面，传感单元设置在保护壳体内；两个保护壳体对称设置在锚杆的两侧，每个保护壳体内均设置有传感单元。

进一步的，传感单元包括温敏fbg传感器和应变fbg传感器；温敏fbg传感器和应变fbg传感器分别设置在两个保护壳体内。

进一步的，两个保护壳体内均设置有填充材料；温敏fbg传感器所在的保护壳体内设置有酚醛树脂发泡材料，温敏fbg传感器被酚醛树脂发泡材料包裹；应变fbg传感器所在的保护壳体内填充有微纳隔热材料，应变fbg传感器被微纳隔热材料包裹。

进一步的，温敏fbg传感器所在的保护壳体内侧壁设置有导热膜；应变fbg传感器所在的保护壳体内侧壁设置有隔热膜。

进一步的，应变fbg传感器上设置有三个铰链，三个铰链的端部均连接到保护壳体内侧壁。

进一步的，锚杆的端部设置滑轮。

进一步的，一种基于fbg传感器的监测锚杆的系统，包括基于fbg传感器的监测锚杆、数据采集处理器、外部解调仪、数据处理终端和地面检测预警系统；

基于fbg传感器的监测锚杆、数据采集处理器、外部解调仪、数据处理终端和地面检测预警系统依次连接；

fbg传感器的监测锚杆用于采集岩土体的温度变化以及围岩的应变波动；

数据采集处理器用于采集基于fbg传感器的监测锚杆的数据并进行对比处理；

外部解调仪用于将信号转化为数据并传输给数据终端；

数据处理终端进行数据对比分析，判断是否触发地面检测预警系统。

与现有技术相比，本实用新型有以下技术效果：

本实用新型通过对隧道内部岩土体应力的改变而导致的大量的热以及岩土体外部变形而导致的应变的改变量的监测，并将其转化为数据传输至地表，明确当前岩土体的变形发展程度，并提供预警。结构简单、容易安装使用，环保、运用前景、范围广，该隧道围岩预警监测系统能够为隧道的安全运行提供有效保障，且不仅适用于山岭隧道，对其他需要支护结构也同样适用，诸如边坡、地下硐室、深基坑等均可使用。

附图说明

图1为本实用新型的监测锚杆整体结构示意图；

图2为本实用新型的锚杆横截面图；

图3为本实用新型的监测锚杆的工作原理示意图；

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施案例的描述，对本实用新型的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明：

图一为本实用新型专利提供的一种基于fbg传感器的监测锚杆的整体结构示意图，本装置主体部分主要包括了一种带有保护套的锚杆，温敏fbg传感器、应变fbg传感器、隔热膜、隔热材料微纳隔热板、酚醛树脂发泡以及低弹性导热膜等主要部件，各类fbg传感器较普通传感器有着抗电磁干扰性更强、绝缘性更好、体积更小、质量更轻、传输损耗更小、传输容量更大、测量范围更广、等优点，本测试锚杆选用的温度及应变传感器均为fbg温度、应变传感器。但考虑到温度效应对fbg测试原件测试精度的影响，本发明建议采用隔热材料微纳隔热板以及隔热膜来确保应变fbg应变测试元件的监测精度。相同的，fbg温度测试元件采用酚醛树脂发泡以及低弹性导热膜来确保温敏fbg传感器的监测精度。

各部件详细布置图如图二监测锚杆的横截面图所示，由于该监测锚杆的工作环境均为岩土体内，为避免监测锚杆受腐蚀作用以及地壳运动的影响，故在其外围均因加上保护壳以保护fbg传感器正常工作，同时为方便施工，保护壳的工作方式可采用套管连接、法兰连接、螺母连接、焊接等多种连接方式进行连接，同时在保护壳与与锚杆连接的末端装置一个滑轮，以便内置的fbg传感器可以再套杆内自由移动，监测不同位置的岩土体应力，使得本发明更具使用价值。

具体工作原理：本发明旨在通过对传统锚杆配备温敏fbg传感器和应变fbg传感器两种传感器对山岭隧道的岩土体内部的能量以及应变波动进行实时监控，进而对隧道的运营环境提供可靠指标。如图二所示，该监测锚杆的具体工作方式为：温敏fbg传感器随锚杆共同嵌入岩土体中，其外围通过填充一圈有效的导热填充材料酚醛树脂发泡，并在导热填充材料外附加包裹一到两层的导热膜，以达到温控的作用，使得对其岩土体周围的温度能够较准确的感知，均匀的将岩土体的温度变化反馈至温敏fbg传感器；应变fbg传感器也随锚杆共同嵌入岩土体中，其外围通过填充一圈隔热填充材料微纳隔热板，并同样方式包裹一到两层的隔热膜，以有效阻断温度对应变fbg传感器的影响，其最外围采用与围岩等级相近的材料制造应变fbg传感器保护壳，并通过三个铰链将保护壳与应变fbg传感器相连，具体为当围岩发生应变波动时，同质地的应变fbg传感器能够较好的感受到围岩的应变该变量，并借助于三个铰链将应变该变量传输给应变fbg传感器，应变fbg传感器准确接收不同方向的三个铰链的应变的同时，并借助于传输光纤将信号传输到外部的解调仪中；当围岩发生能量波动时，温敏fbg传感器能够准确的接收到能量波动，并借助于传输光纤将信号传输到外部的解调仪中，最终汇聚隧道周围不同布设位置处的围岩内部的能量波动以及应变波动，通过调节仪将信号转化为数据并传输给数据终端进行进一步的分析。以此，来反映隧道围岩的稳定性。

技术特征：

1.一种基于fbg传感器的监测锚杆，其特征在于，包括锚杆(5)、传感单元、保护壳体(4)；保护壳体(4)沿周向设置在锚杆(5)的侧面，传感单元设置在保护壳体(4)内；两个保护壳体(4)对称设置在锚杆(5)的两侧，每个保护壳体(4)内均设置有传感单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于fbg传感器的监测锚杆，其特征在于，传感单元包括温敏fbg传感器(1)和应变fbg传感器(9)；温敏fbg传感器(1)和应变fbg传感器(9)分别设置在两个保护壳体(4)内。

3.根据权利要求2所述的一种基于fbg传感器的监测锚杆，其特征在于，两个保护壳体(4)内均设置有填充材料；温敏fbg传感器(1)所在的保护壳体(4)内设置有酚醛树脂发泡材料(3)，温敏fbg传感器(1)被酚醛树脂发泡材料包裹；应变fbg传感器(9)所在的保护壳体(4)内填充有微纳隔热材料(7)，应变fbg传感器(9)被微纳隔热材料(7)包裹。

4.根据权利要求2所述的一种基于fbg传感器的监测锚杆，其特征在于，温敏fbg传感器(1)所在的保护壳体(4)内侧壁设置有导热膜(2)；应变fbg传感器(9)所在的保护壳体(4)内侧壁设置有隔热膜(6)。

5.根据权利要求2所述的一种基于fbg传感器的监测锚杆，其特征在于，应变fbg传感器(9)上设置有三个铰链(10)，三个铰链(10)的端部均连接到保护壳体(4)内侧壁。

6.根据权利要求1所述的一种基于fbg传感器的监测锚杆，其特征在于，锚杆(5)的端部设置滑轮(11)。

7.一种基于fbg传感器的监测锚杆的系统，其特征在于，基于权利要求1至6任意一项所述的一种基于fbg传感器的监测锚杆，包括基于fbg传感器的监测锚杆、数据采集处理器、外部解调仪、数据处理终端和地面检测预警系统；

基于fbg传感器的监测锚杆、数据采集处理器、外部解调仪、数据处理终端和地面检测预警系统依次连接；

fbg传感器的监测锚杆用于采集岩土体的温度变化以及围岩的应变波动；

数据采集处理器用于采集基于fbg传感器的监测锚杆的数据并进行对比处理；

外部解调仪用于将信号转化为数据并传输给数据终端；

数据处理终端进行数据对比分析，判断是否触发地面检测预警系统。

技术总结
一种基于FBG传感器的监测锚杆及系统，包括锚杆、传感单元、保护壳体；保护壳体沿周向设置在锚杆的侧面，传感单元设置在保护壳体内；两个保护壳体对称设置在锚杆的两侧，每个保护壳体内均设置有传感单元。本实用新型通过对隧道内部岩土体应力的改变而导致的大量的热以及岩土体外部变形而导致的应变的改变量的监测，并将其转化为数据传输至地表，明确当前岩土体的变形发展程度，并提供预警。

技术研发人员：何军
受保护的技术使用者：河南省栾卢高速公路建设有限公司;长安大学
技术研发日：2020.12.14
技术公布日：2021.06.29