CN101576422B - 光纤光栅锚杆应力传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅锚杆应力传感器，它包括测力底座以及设置于测力底座上的第一布拉格光纤光栅，第一布拉格光纤光栅通过光纤与光波长解调仪连接，测力底座为中空结构且包括头部、颈部和肩部，测力底座内置传力螺母，传力螺母上部和下部均为圆柱体，中部为圆台，传力螺母与测力底座内腔相适配，传力螺母上的圆台外缘的传力斜面与测力底座内壁的承力斜面是接触面；在测力底座的外壁对应内壁上的承力斜面位置设置有固定支架和可调支架，可调支架上设置有相对于固定支架调整位置的调节板，第一布拉格光纤光栅两端分别固定在调节板和固定支架上面，第一布拉格光纤光栅位于调节板和固定支架之间的部分悬空。本发明用于所有锚杆锚索所受拉压应力的在线检测。

Description

光纤光栅锚杆应力传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤压力传感器，尤其涉及一种利用光纤布拉格光栅检测拉-压应力变化的光纤光栅锚杆应力传感器。

背景技术

矿井顶板压力是矿山的特大自然灾害之一，近年来由于掘进面的不段延伸和开采范围的扩大，矿井冒顶事故不断发生，已严重威胁着矿山的生产安全，发生时会造成巨大的经济损失和人员伤亡。作为矿井安全生产重要保障手段之一的顶板压力检测越来越受到高度重视，对顶板压力检测的准确性可靠性及在线实时监测能力要求也越来越高，从而对压力传感器提出了更高的要求。

传统的锚杆压力传感器多采用液压加机械压力表的形式。这种传感器的传感原理为：外界压力通过锚杆将压力传递给液体，通过机械压力表对液体压力的变化进行人为观察。不能进行在线监测。

现有的光纤光栅锚杆压力传感器(专利号ZL2000720020684.7)，结构如图6所示：包括外套17和内套16，外套17设在内套16外，外套17一端开口、另一端开有园孔；内套两端分别设有凸沿22，一端凸沿直径大于外套的外径，另一端凸沿直径稍小于外套的内径，外套17上设有光纤引出通道20，内套16圆柱面垂直方向上粘贴测量应力应变的光纤光栅21，其尾部光纤19从光纤引出通道20的内孔引出到光信号解调装置上。由于这种传感器是直接将光纤光栅21贴在内套16的筒壁上，这样如果在轴向受力情况下因为加工误差的影响不能确定那点的变形是有规律的。传感器的检测系数不可调。而且光栅的粘贴要进行很大的幅度的预拉伸，因此不易控制，并且传感器的轴向高度也太大不利使用。

发明内容

本发明的目的就是为了矿井下的顶板在线监测提供一种实用顶板动态的灾害预测光纤压力传感器，并可适用于所有锚杆，锚索所受拉--压应力的在线检测。

本方案是通过如下技术措施来实现的：它包括测力底座以及设置于测力底座上的第一布拉格光纤光栅，所述第一布拉格光纤光栅通过光纤与光波长解调仪连接，其特征是所述测力底座为中空结构且包括头部、颈部和肩部，所述测力底座内置传力螺母，所述传力螺母上部和下部均为圆柱体，中部为圆台，所述传力螺母与测力底座内腔相适配，传力螺母上的圆台外缘的传力斜面与测力底座内壁的承力斜面是接触面；在所述测力底座的外壁对应内壁上的承力斜面位置设置有固定支架和可调支架，可调支架上设置有相对于固定支架调整位置的调节板，第一布拉格光纤光栅两端分别固定在调节板和固定支架上面，第一布拉格光纤光栅位于调节板和固定支架之间的部分悬空。

本方案的具体特点还有，所述第一布拉格光纤光栅靠近固定支架的一端熔接有第二布拉格光纤光栅，第二布拉格光纤光栅直接粘在测力底座肩部台面上，来检测传感器的温度变化，当周围环境的温度变化较大时会影响第一布拉格光纤光栅的实际变化值，这时通过第二布拉格光纤光栅检测的实际温度来对第一布拉格光纤光栅的变化值进行修正。

固定支架和可调支架与测力底座外壁的连接点连线与垂直于测力底座轴线的截面圆共面且经过截面圆圆心。此处位置是测力底座的细端变形最大回复最稳定并且是受力最小的位置。

传力螺母为中空结构。当传力螺母穿入测力底座的内腔后可从传力螺母的内孔穿过锚杆。

在测力底座颈部设置变形调节槽，用来调节测力底座外径的变形程度，通过调节变形调节槽的深浅以适应不同量程的要求，这样可以使两个以上传感器的测量系数相同，从而便于波长的解调。

可调支架和固定支架通过激光焊接在测力底座头部外缘，通过调节调节板来调整第一布拉格光纤光栅的初始状态，并用固定螺母固定调节板。

在所述测力底座肩部的外缘上设置有下护盖，下护盖通过螺纹与上护盖连接在一起、测力底座的头部穿入上护盖顶部中孔内，所述上护盖顶部中孔包括直径不同的两部分，大孔径部分与测力底座头部外缘相适配，小孔径部分与传力螺母的旋入部分相适配，在上护盖顶部中孔内壁上设置有与传力底座相配合的密封圈槽，在所述密封圈槽中嵌入O型密封圈。在测力底座的外侧、下护盖、上护盖之间行成一个封闭的空间防止了水的进入。

在所述下护盖上设置有光缆接头安装孔。可调支架端连接有光纤，光纤的另一端从专用的光缆接头的内孔穿过，并且连接到光波长解调仪来检测波长的变化。传力螺母下部的底端设置有与测力底座上的内螺纹配合的外螺纹，所述传力螺母外表面上与所述外螺纹相邻设置有让位槽，所述让位槽可使传力螺母穿入测力底座的内孔后在让位槽的范围内轴向移动。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知：测力底座的内腔有一个承力斜面，用来承接传力螺母从锚杆上传来的压力，并且在测力底座肩部的内腔有一个限位内螺纹(如图1、3、4)。在传力螺母(如图1和图3)的外缘上相应的也有一个相同角度的传力斜面A1(如图3)，传力斜面A1用来改变锚杆上传来的压力的方向通过传力螺母上的传力斜面A1和测力底座上的承力斜面A2的共同作用将通过锚杆传导来的轴向压力变成径向力，使测力底座发生径向形变。通过传力螺母与测力底座的斜面的共同作用改变拉力的传导方向，使检测精度提高，光纤光栅锚杆应力传感器的尺寸大大缩小。受外界不必要的影响更小。使光纤光栅锚杆应力传感器可以实际在矿山上大规模的使用。

光纤光栅锚杆应力传感器主要通过对光纤光栅的特殊封装，使其对待测参量敏感，并且通过光纤光栅波长的变化来测量顶板锚杆压力的，并可实现多点实时检测。相对于以前的锚杆压力传感器，本发明具有分辨率高、重复性好、响应时间短、测量范围大、检测系数可调，可进行实时在线等特点；且对现有光纤光栅锚杆测力传感器在防水、光纤保护、结构简单、易于安装等方面都有改进，因此本发明与现有技术相比，实现了技术目的。

附图说明

图1、光纤光栅锚杆应力传感器总装示意图；

图2、卸去传力螺母1，上护盖3的光纤光栅锚杆应力传感器俯视示意图；

图3、光纤光栅锚杆应力传感器零配件组成立体示意图；

图4、让位槽B，外螺纹C1和内螺纹C2接合关系局部示意图；

图5、光纤光栅锚杆应力传感器现场安装示意图；

图6、现有技术ZL2000720020684.7中的传感器结构示意图；

图7、光纤光栅锚杆应力传感器的压力与波长的关系示意图；

图中：1、传力螺母；2、密封圈；3、上护盖；4、下护盖；5、光缆接头；6、光纤；7、测力底座；8、固定支架；9、第一布拉格光纤光栅；10、可调支架；11、调节板；12、固定螺母；13、装成的光纤光栅锚杆压力传感器；14、矿用锚杆；15、第二布拉格光纤光栅；A1、传力斜面；B、让位槽；C1、外螺纹；A2、承力斜面；C2、内螺纹；D、变形调节槽；S、密封圈槽；T、肩部；16、内套；17、外套；18、固定螺母；19、光纤；20、光纤接头安装孔；21、光栅；22、内套凸沿；23、矿用锁紧螺母。

具体实施方式

如图1-2所示，它包括测力底座7以及设置于测力底座7上的第一布拉格光纤光栅9，所述第一布拉格光纤光栅9通过光纤6与光波长解调仪连接，所述测力底座7为中空结构且包括头部、颈部和肩部T，所述测力底座7内置传力螺母1，所述传力螺母1上部和下部均为圆柱体，中部为圆台，所述传力螺母1与测力底座7内腔相适配，传力螺母1上的圆台外缘的传力斜面A1与测力底座7内壁的承力斜面A2是接触面；在所述测力底座7的外壁对应内壁上的承力斜面A2位置设置有固定支架8和可调支架10，可调支架10上设置有相对于固定支架8调整位置的调节板11，第一布拉格光纤光栅9两端分别固定在调节板11和固定支架8上面，第一布拉格光纤光栅9位于调节板11和固定支架8之间的部分悬空。

本方案的具体特点还有，所述第一布拉格光纤光栅9靠近固定支架8的一端熔接有第二布拉格光纤光栅15，第二布拉格光纤光栅15直接粘在测力底座7肩部T台面上，来检测传感器的温度变化，当周围环境的温度变化较大时会影响第一布拉格光纤光栅的实际变化值，这时通过第二布拉格光纤光栅15检测的实际温度来对第一布拉格光纤光栅9的变化值进行修正。

固定支架8和可调支架10与测力底座7外壁的连接点连线与垂直于测力底座7轴线的截面圆共面且经过截面圆圆心。此处位置是测力底座7的头部变形最大回复最稳定并且是受力最小的位置。传力螺母1为中空结构。当传力螺母1穿入测力底座的内腔后可从传力螺母的内孔穿过锚杆。

在测力底座7颈部设置变形调节槽D，用来调节测力底座7外径的变形程度，通过调节变形调节槽D的深浅以适应不同量程的要求，这样可以使两个以上光纤光栅锚杆应力传感器的测量系数相同，从而便于波长的解调。

可调支架10和固定支架8通过激光焊接在测力底座7头部外缘，通过调节调节板11来调整第一布拉格光纤光栅9的初始状态，并用固定螺母固定调节板11。在所述测力底座7肩部T的外缘上设置有下护盖4，下护盖4通过螺纹与上护盖3连接在一起、测力底座7的头部穿入上护盖3顶部中孔内，所述上护盖3顶部中孔包括直径不同的两部分，大孔径部分与测力底座7头部外缘相适配，小孔径部分与传力螺母1的旋入部分相适配，在上护盖3顶部中孔内壁上设置有与测力底座7相配合的密封圈槽S，在所述密封圈槽S中嵌入O型密封圈。在测力底座7的外侧、下护盖4、上护盖3之间行成一个封闭的空间防止了水的进入。

在所述下护盖4上设置有光缆接头安装孔20。可调支架10端连接有光纤6，光纤6的另一端从专用的光缆接头的内孔穿过，并且连接到光波长解调仪来检测波长的变化。传力螺母1下部的底端设置有与测力底座7上的内螺纹C2配合的外螺纹C1，所述传力螺母1外表面上与所述外螺纹C1相邻设置有让位槽B，所述让位槽B可使传力螺母1穿入测力底座7的内孔后在让位槽B的范围内轴向移动。

如图5在监测点岩体上打孔，将锚杆置入洞中，用锚固剂将锚杆固定在岩体上。将传感器的测力底座7和传力螺母1的内孔穿过锚杆，并以矿用锁紧螺母23固定，并预先施加一定的压力，在检测的同时可以对顶板和围岩进行锚固。当传力螺母1受到锚杆传来的轴向压力时，压力通过传力螺母1的传力斜面A1和测力底座7上的承力斜面A2互相作用后方向改变并引起测力底座7头部的外径的形变，从而带动固定支架8、可调支架10产生位移拉动第一布拉格光纤光栅9，这样就将顶板压力有效的转化为光纤光栅的纵向应变，使得第一布拉格光纤光栅9的对单色光的反射波长变化，通过检测波长变化便可以知道所受到的压力状况，从而达到测量目的。

传感器的压力需要认真的标定其压力与波长的关系如图8的示例，并计算出系数。其压力与波长的计算公式如下：

P＝ΔλK₁

其中：P是压力值；Δλ是第一布拉格光纤光栅9波长受到压力影响的变化值；K₁是第一布拉格光纤光栅9在实际标定时得出的压力变化系数

Δλ＝Δλ₁-TK_t

Δλ₁是第一布拉格光纤光栅9总的波长变化值。T是传感器的实际温度。

K_t是第一布拉格光纤光栅9受温度影响的变化系数在实际当中标定得到。

T＝Δλ₂K₂

Δλ₂是第二布拉格光纤光栅15的波长变化值。K₂是第二布拉格光纤光栅15受温度影响的变化系数，预先标定好的。

Claims (9)

1.一种光纤光栅锚杆应力传感器，它包括测力底座以及设置于测力底座上的第一布拉格光纤光栅，所述第一布拉格光纤光栅通过光纤与光波长解调仪连接，其特征是所述测力底座为中空结构且包括头部、颈部和肩部，所述测力底座内置传力螺母，所述传力螺母上部和下部均为圆柱体，中部为圆台，所述传力螺母与测力底座内腔相适配，传力螺母上的圆台外缘的传力斜面与测力底座内壁的承力斜面是接触面；在所述测力底座的外壁对应内壁上的承力斜面位置设置有固定支架和可调支架，可调支架上设置有相对于固定支架调整位置的调节板，第一布拉格光纤光栅两端分别固定在调节板和固定支架上面，第一布拉格光纤光栅位于调节板和固定支架之间的部分悬空。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅锚杆应力传感器，其特征是所述第一布拉格光纤光栅靠近固定支架的一端熔接有第二布拉格光纤光栅，第二布拉格光纤光栅直接粘在测力底座肩部台面上。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅锚杆应力传感器，其特征是固定支架和可调支架与测力底座外壁的连接点连线与垂直于测力底座轴线的截面圆共面且经过截面圆圆心。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅锚杆应力传感器，其特征是可调支架和固定支架通过激光焊接在测力底座头部外缘。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅锚杆应力传感器，其特征是在测力底座颈部设置变形调节槽。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅锚杆应力传感器，其特征是传力螺母为中空结构。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅锚杆应力传感器，其特征是在所述测力底座肩部的外缘上设置有下护盖，下护盖通过螺纹与上护盖连接在一起、测力底座的头部穿入上护盖顶部中孔内，所述上护盖顶部中孔包括直径不同的两部分，大孔径部分与测力底座头部外缘相适配，小孔径部分与传力螺母的旋入部分相适配，在上护盖顶部中孔内壁上设置有与传力底座相配合的密封圈槽，在所述密封圈槽中嵌入O型密封圈。

8.根据权利要求7所述的光纤光栅锚杆应力传感器，其特征是在所述下护盖上设置有光缆接头安装孔。

9.根据权利要求7所述的光纤光栅锚杆应力传感器，其特征是传力螺母下部的底端设置有与测力底座上的内螺纹配合的外螺纹，所述传力螺母外表面上与所述外螺纹相邻设置有让位槽，所述让位槽可使传力螺母穿入测力底座的内孔后在让位槽的范围内轴向移动。

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