CN103162880A - 一种预应力锚索应力监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预应力锚索应力监测装置，包括锚索以及依次串接并套装在锚索上的锚头、传感单元和锚垫板，锚垫板紧压在岩体表面，传感单元包括壳体一和壳体二，壳体二上设有限位块；壳体二内设有光纤弯曲传感单元和弹簧，光纤弯曲传感单元通过光缆与测试单元连接；光纤弯曲传感单元包括曲线形支架以及连续布设在曲线形支架上相对两侧的多个变形齿一和多个变形齿二，变形齿一与变形齿二之间设置有信号光纤，壳体二与光纤弯曲传感单元之间安装有移动板，螺栓穿过壳体二上的圆孔，螺栓上安装卡簧且通过卡簧使螺栓固定在壳体二的壳壁上。本发明结构设计合理、加工制作方便、成本低且使用方式灵活、灵敏度高、监测动态范围大，实用价值高。

Description

一种预应力锚索应力监测装置

技术领域

本发明涉及一种锚索受力状态监测装置，尤其是涉及一种用于长期监测锚索应力的、基于光纤微弯传感技术的预应力锚索应力监测装置。

背景技术

在矿山、建筑、水利、交通等行业，已广泛采用预应力锚索的锚固技术解决岩土的稳定问题。就是通过将高强度的钢丝、钢绞线以高应力的状态固定于岩体中，提高岩体的稳固性，减小岩体的变形。保证了各个行业中相应工程的顺利开展。传统的锚索应力监测一般采用锚索测力计，将锚索测力计安装在锚头和锚垫板之间，监测锚索在使用中的受力状态。但传统的锚索测力计是基于振弦原理制成，对防潮、防腐蚀要求高，对温度变化和振动敏感，抗电磁干扰以及远距离传输数据较差，特别是为了防止锚索与锚索测力计不垂直而带来的误差，需要在测力计中设置多个钢弦，从而使其成本增加，安装也趋于复杂。这些都造成了其长期稳定性差、寿命短等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种预应力锚索应力监测装置，具有微弯光纤传感技术的精度高、抗电磁干扰、成本低的优点，且其光路是全封闭的具有良好的稳定性、大的动态范围、长寿命及抗振动特性，其检测设备可使用光纤通信领域最常见的光源-光功率计就可以，使该预应力锚索应力监测装置的结构简单、加工制作方便、成本低且安装简单、灵敏度高、使用效果好，并可应用于易燃易爆场所，减少安全事故的发生可能性，使用价值高，适应性强。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种预应力锚索应力监测装置，其特征在于：包括锚索以及依次串接并套装在锚索上的锚头、传感单元和锚垫板，所述锚垫板紧压在岩体表面，所述传感单元包括壳体一和壳体二，所述壳体一与壳体二滑动配合，所述壳体二上设置有防止壳体二脱离壳体一的限位块；所述壳体二内设置有光纤弯曲传感单元和弹簧，所述光纤弯曲传感单元和弹簧并联设置并位于壳体一和壳体二相对两面之间，所述光纤弯曲传感单元通过光缆与测试单元连接；所述光纤弯曲传感单元包括曲线形支架以及连续布设在所述曲线形支架上相对两侧的多个变形齿一和多个变形齿二，所述多个变形齿一和多个变形齿二呈交错对应布设且二者的头部之间形成供一个或多个信号光纤穿过的曲线形通道，所述变形齿一和变形齿二对应布设在信号光纤的两侧；所述壳体二与光纤弯曲传感单元之间安装有移动板，所述螺栓穿过壳体二上的圆孔，所述螺栓上安装有卡簧且通过卡簧使螺栓固定在壳体二的壳壁上，所述螺栓与移动板螺纹配合。

上述的一种预应力锚索应力监测装置，其特征在于：所述壳体一内部的突出圆环上设置有密封圈一，所述壳体二的内部凸出圆环上设置有密封圈二。

上述的一种预应力锚索应力监测装置，其特征在于：所述壳体二上设置有连接头。

上述的一种预应力锚索应力监测装置，其特征在于：所述弹簧为蝶形弹簧、蝶形弹簧的组合或具有弹性的金属圆柱体。

上述的一种预应力锚索应力监测装置，其特征在于：所述曲线形支架为曲线形壳体、弹簧、波纹管或柱体。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单、加工制作简便、投入成本低且使用方式灵活、灵敏度高。

2、通过采用基于光纤微弯传感技术的监测装置可以提高测试精度，并具有良好的抗电磁干扰能力、耐腐蚀性，同时具有良好的抗震能力，适于实际工程环境条件。

3、其全封闭的光路检测系统，提高了光纤传感单元的稳定性、可靠性，增加了力值传感装置的安全性，并适于应用在易燃易爆的场所。

4、采用特种光纤可以大幅度的延长光纤传感单元的使用寿命，如采用理论设计寿命200年的碳涂覆光纤，可以大大降低维护成本。

5、采用金属圆柱形弹簧、蝶形弹簧或蝶形弹簧的组合可以使本发明的传感单元承受较大的压力，并且仅需更换参数不同的弹簧就可以改变监测锚索力值的范围，从而大幅度降低了成本，具有广阔的应用前景。

综上所述，本发明结构简单、设计合理、加工制作方便、成本低且使用方式灵活、灵敏度高、监测动态范围大，实用价值高，并适于易燃易爆及腔电磁干扰环境，防止事故的发生，具有广阔的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为实施例1中传感单元的内部结构示意图。

图3为实施例1中光纤弯曲传感单元的结构示意图。

图4为实施例1中光纤弯曲传感单元的横截面结构示意图。

图5为实施例2中曲线形测试通道的结构示意图。

图6为实施例3中曲线形测试通道的结构示意图。

图7为图6中A处的局部放大结构示意图。

图8为实施例4中曲线形测试通道的结构示意图。

图9为图8沿A-A剖面结构示意图。

图10为本发明实施例5中的传感单元内部的结构示意图。

附图标记说明：

1-光缆；        2-壳体一；        3-壳体二；

4-1-变形齿一；        4-2-变形齿二；    5-测试单元；

6-光纤弯曲传感单元；  7-锚头；          8-传感单元；

9-锚垫板；            10-锚索；         11-岩体；

12-连接头；           14-蝶形弹簧；     15-移动板；

16-圆柱形弹簧；       17-螺栓；         18-限位块；

19-曲线型壳体；       20-卡簧；         21-密封圈一；

22-密封圈二；         33-信号光纤；     38-弹簧；

40-波纹管；           42-管壁；         36-柱体；

37-缝隙。

具体实施方式

实施例1

如图1、2、3和4所示，一种预应力锚索应力监测装置，包括锚索10以及依次串接并套装在锚索10上的锚头7、传感单元8和锚垫板9，所述锚垫板9紧压在岩体11表面，所述传感单元8包括壳体一2和壳体二3，所述壳体一2与壳体二3滑动配合，所述壳体二3上设置有防止壳体二3脱离壳体一2的限位块18；所述壳体二3内设置有光纤弯曲传感单元6和弹簧16，所述光纤弯曲传感单元6和弹簧16并联设置并位于壳体一2和壳体二3相对两面之间，所述光纤弯曲传感单元6通过光缆1与测试单元5连接；所述光纤弯曲传感单元6包括曲线形支架以及连续布设在所述曲线形支架上相对两侧的多个变形齿一4-1和多个变形齿二4-2，所述多个变形齿一4-1和多个变形齿二4-2呈交错对应布设且二者的头部之间形成供一个或多个信号光纤33穿过的曲线形通道，所述变形齿一4-1和变形齿二4-2对应布设在信号光纤33的两侧；所述壳体二3与光纤弯曲传感单元6之间安装有移动板15，所述螺栓17穿过壳体二3上的圆孔，所述螺栓17上安装有卡簧20且通过卡簧20使螺栓17固定在壳体二3的壳壁上，所述螺栓17与移动板15螺纹配合。使用时，可用螺栓17可以改变移动板15的位置，使光纤弯曲传感单元6处于最佳的监测状态。

本实施例中，所述壳体一2内部的突出圆环上设置有密封圈一21，所述壳体二3的内部凸出圆环上设置有密封圈二22。

本实施例中，所述壳体二3上设置有连接头12。

本实施例中，所述弹簧16为蝶形弹簧或具有弹性的金属圆柱体。

本实施例中，在所述壳体二3内腔中填充有阻水油膏。阻水油膏可防止水分子或其他杂质对信号光纤33的侵蚀，延长信号光纤33的使用寿命。

本实施例中，所述的信号光纤33可采用碳涂覆光纤、聚亚酰胺涂覆光纤、金属涂层信号光纤、细径光纤等特种光纤。

本实施例中，曲线形支架为曲线型壳体19，多个变形齿一4-1和多个变形齿二4-2对应布设在曲线形壳体19的内壁上，信号光纤33的通过固定在壳体二3上的连接头12与光缆1连接，光缆1与测试单元5连接。

锚索10上应力通过锚头7施加在传感单元8上，传感单元8内的圆柱形弹簧16承受锚索的应力负载，圆柱形弹簧16在应力下压缩改变，导致传感单元8内的壳体一2和壳体二3之间的距离改变，从而使布设于曲线形壳体19内的变形齿一4-1与变形齿二4-2齿间的距离改变，变形齿一4-1与变形齿二4-2齿间的距离改变导致夹持于两者之间的信号光纤33的弯曲曲率变化，信号光纤33的弯曲曲率变化使传输于信号光纤33内的光信号功率变化，通过光缆1后测试单元5测得该变化信号并经计算得到曲线形壳体19的弯曲状态，从而得到壳体一2和壳体二3之间移动的距离，并进一步可计算出锚索10上的应力的大小。

实施例2

如图5示，本实施例与实施例1不同的是：所述曲线形测试通道6中包含的曲线形支架为弹簧38，多个变形齿一4-1和多个变形齿二4-2对应布设在弹簧38中相邻两圈弹簧丝之间，且变形齿一4-1和变形齿二4-2相互交错布设。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3

如图6和7所示，本实施例与实施例1不同的是：所述曲线形测试通道6中包含的曲线形支架为波纹管40，变形齿一4-1和变形齿二4-2对应布设在波纹管40的管壁42上内凹处的相对两个侧面上，且变形齿一4-1和变形齿二4-2相互交错布设。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例4

如图8和9所示，本实施例与实施例1不同的是：所述曲线形支架10为柱体36，在柱体36的侧壁上分布有缝隙37，在缝隙37的上下两侧布设有相互交错对应的变形齿一4-1和变形齿二4-2。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例5

如图10所示，本实施例与实施例1不同的是：在壳体二3中使用的弹簧是蝶形弹簧14的组合。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种预应力锚索应力监测装置，其特征在于：包括锚索(10)以及依次串接并套装在锚索(10)上的锚头(7)、传感单元(8)和锚垫板(9)，所述锚垫板(9)紧压在岩体(11)表面，所述传感单元(8)包括壳体一(2)和壳体二(3)，所述壳体一(2)与壳体二(3)滑动配合，所述壳体二(3)上设置有防止壳体二(3)脱离壳体一(2)的限位块(18)；所述壳体二(3)内设置有光纤弯曲传感单元(6)和弹簧(16)，所述光纤弯曲传感单元(6)和弹簧(16)并联设置并位于壳体一(2)和壳体二(3)相对两面之间，所述光纤弯曲传感单元(6)通过光缆(1)与测试单元(5)连接；所述光纤弯曲传感单元(6)包括曲线形支架以及连续布设在所述曲线形支架上相对两侧的多个变形齿一(4-1)和多个变形齿二(4-2)，所述多个变形齿一(4-1)和多个变形齿二(4-2)呈交错对应布设且二者的头部之间形成供一个或多个信号光纤(33)穿过的曲线形通道，所述变形齿一(4-1)和变形齿二(4-2)对应布设在信号光纤(33)的两侧；所述壳体二(3)与光纤弯曲传感单元(6)之间安装有移动板(15)，所述螺栓(17)穿过壳体二(3)上的圆孔，所述螺栓(17)上安装有卡簧(20)且通过卡簧(20)使螺栓(17)固定在壳体二(3)的壳壁上，所述螺栓(17)与移动板(15)螺纹配合。

2.根据权利要求1所述的一种预应力锚索应力监测装置，其特征在于：所述壳体一(2)内部的突出圆环上设置有密封圈一(21)，所述壳体二(3)的内部凸出圆环上设置有密封圈二(22)。

3.根据权利要求1或2所述的一种预应力锚索应力监测装置，其特征在于：所述壳体二(3)上设置有连接头(12)。

4.根据权利要求1或2所述的一种预应力锚索应力监测装置，其特征在于：所述弹簧(16)为蝶形弹簧、蝶形弹簧的组合或具有弹性的金属圆柱体。

5.根据权利要求的1或2所述的一种预应力锚索应力监测装置，其特征在于：所述曲线形支架为曲线形壳体、弹簧、波纹管或柱体。

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