CN103604539B - 一种微型锚杆fbg传感单元的设制与光纤的封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装方法，包括1)在不损坏模型锚杆几何与结构性能的前提下，沿着锚杆的轴向打磨或抛光一条宽度小于0.1mm的直线平面，并用酒精棉球清洗;2)选用PBT材料的毛细松套管，分段套住裸体光纤光栅非FBG的部分;3)选用固化后硬度小、塑性大、强度高、凝固时间短的胶将裸体光纤的FBG部分与锚杆已打磨线上设计要量测的部分贴合，固化;4)对模型锚秆光纤光栅传感单元的非FBG部分进行保护性封装。该方法采用FBG传感单元，锚杆的尺寸和质量可做的很小;并且本发明温度校正曲线线性度非常好、误差非常小，且不存在电阻应变测量中的‘时漂ˊ误差。

Description

一种微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装方法

技术领域

本发明属于土木工程岩、土体用锚杆加固模型试验技术领域，涉及一种微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装方法。

背景技术

锚杆作为岩、土体工程加固中一种重要的手段，已广泛应用于土木工程的多个领域。但由于锚杆工作环境(岩土体)的复杂性和不确定性，施工工艺的多样性，其在具体工程中的受力特性与大小目前还处在估算阶段。因此，模型试验是现阶段研究与解决这个问题的有效方法之一。

试验用模型一般都是几何缩尺寸的结构，在模型试验中起关键作用的锚杆按相似准则确定后，其几何尺寸一般都很小，可称之为徽型锚杆。按现有的技术水平，在模型试验中一般只能测岩土工程结构体用微型锚杆加固后的总体效果，对于设计与分析有重要意义的锚杆受力状态，因微型锚杆尺寸太小，无法对其进行内力的测试而降低了模型试验的效能。

现有技术中，公告号为101358886B的发明专利提出一种光纤光栅锚杆测力装置及监测锚杆应力变化的方法，其要量测锚杆的受力状态，采用了光纤光栅技术量测锚杆的力，但是该发明技术量测的是实际工程中锚杆的外力(杆端集中力)，由于微型锚杆尺寸非常小，量测的难度就相对非常地大。

现有文献中：(1)《岩石力学与工程学报》2009年5月，文章名称为“软岩隧道锚杆支护作用的模型试验研究”;(2)《岩土力学》2008年7月，文章名称为“深埋长隧锚杆对围岩支护效应的模型试验研究”；(3)《岩土力学》2011年4月，文章名称为“深埋隧道锚杆支护作用的数值模拟与模型试验研究”。这三篇现有公开的文献都以实际工程为研究对象，分别选用φ2.0mm和φ3.0mm竹签为试验用锚杆资料。获国家自然科学基金资助的第11技术文献还用应变片对锚杆内力进行了量测，试验选用直径为3mm的竹签作为模型用锚杆，在竹签表面粘贴BEl20---3AA电阻应变片测锚杆的内力，但BEl20---3AA电阻应变片的敏感栅尺寸为3*2mm，基底尺寸为6.8*3.8mm，可见量测元件的尺寸大于被测构件的尺寸，若不是实在没办法，这种方式是不可取的。

如前所述，用锚杆加固岩土体工程技术虽然已在实际中广泛应同，但因受多种因素的影响，目前对锚杆的受力状况还认识不清，计算不准。则对这个问题的研究具有普遍的应用与理论价值。在对这个问题的研究方法上，模型试验是一种重要的方法。与原型试验与理论分析方法相比，模型试验法具有变量可控、结果可信、见效快、用时少、费用低的优点。

在现阶段，因受多种因素的影响，现有技术中还不能对微型锚杆的内力(应力或应变沿杆长的分布)进行有效的量测。其困难在于：

1.受相似定律的制约，微型锚杆的几何尺寸很小，现有的常规传感元件几何尺寸相比较大，无法对其进行量测。如前在现有技术文献中所述的采用在试验锚杆上贴电阻应变片的技术，也只是对一定尺寸，比如φ>8mm以上的锚杆才能用，对于φ<2mm的微型锚杆，因现有应变片尺寸相对较大而无法粘贴应用。同时，因电阻应变量测需组成电桥桥路，则不论什么桥路，例如全桥、半桥、1／4桥等，都需绝缘电线与应变片联结，每个应变片需正负两根电线与其联结，对于相似模型试验来说，从测点引出至少两根以上的联结电线，相当于又给岩土体结构加了一项锚索作用，这种影响是显而易见、不能乎视甚至是不能采用的。

2.受相似定律的制约，微型锚杆的几何尺寸很小，且其刚度也很小。若为了测锚杆的内力，测试元件的刚度相对较大，也将直接影响测试结果，严格地说是不能这样用的。但目前常规的测量技术，除用应变片自成量测系统外，现成最小的传感元器件.因为都要在弹性状态下工作，其刚度相对比按相似率设计的微型锚杆要大得多，因此还没有见到在锚杆模型试验中采用商业传感元器件量测内力的报道。

3.受相似定律的制约，微型锚杆的几何尺寸很小，质量也小，对于一些主要受重力作用影响的模型试验，例如土工离心模型试验，测试元器件的质量、甚至包括导线的质量影响是绝对不能忽视的。这也是影响微型锚杆内力量测技术的困难之一。

4.从结构意义上讲，锚杆的轴向相对刚度大，不易变形，而横向相对容易发生挠曲变形。对于有挠曲变行的细长杆件进行内力和其分布的量测，在模型试验里既有重要意义，又有相当的难度。

总的来说，要解决在模型试验的微型锚杆上、采用微型几何尺寸传感技术、相应的微型几何尺寸传感技术元件的刚度要小、质量要小、要小到不对被测试件造成过大的物理影响。这就是本发明申请所要解决的总体问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装方法，该方法采用FBG传感单元，锚杆的尺寸和质量可做的很小；并且本发明温度校正曲线线性度非常好、误差非常小，且不存在电阻应变测量中的‘时漂’误差。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装方法，包括以下步骤：

1)在不损坏模型锚杆几何与结构性能的前提下，沿着锚杆的轴向打磨或抛光一条宽度小于0.1mm的直线平面，并用酒精棉球清洗；

2)选用PBT材料的毛细松套管，分段套住裸体光纤光栅非FBG的部分；

3)选用固化后硬度小、塑性大、强度高、凝固时间短的胶将裸体光纤光栅的FBG部分与锚杆已打磨线上设计要量测的部分贴合，固化；

4)对模型锚杆光纤光栅传感单元的非FBG部分进行保护性封装。

进一步的，上述步骤3)中，胶选择改性的环氧树脂胶。

上述步骤4)中，保护性封装的具体步骤如下：

(1)首先用PBT材料的毛细松套管进行首层封装；

(2)其次，进行多层的柔性封装。

以上步骤(2)中，进行多层的柔性封装采用的材料为硅橡胶、聚乙烯或芳纶。

以上在封装时，若计划长期使用，则给管中涂抹纤膏以防止老化。

本发明具有以下有益效果：

本发明依托现有先进的三向地质力学模型试验仪，白行研发了的微型锚杆内力FBG测试，设制成微型锚杆、FBG传感元件。本发明的FBG实测的应变为nm级，高于常规应变测量的μm级，并且本发明温度校正曲线线性度非常好、误差非常小，且不存在电阻应变测量中的‘时漂’误差；另外，采用本发明的方法，锚杆的尺寸和质量可做的很小，这对模型试验尤其是土工离心模型试验非常重要，有时甚至是决定试验成功与否的关键技术；最后，本发明涉及的锚杆内力量测方法可量测微型锚杆内力沿杆长的分布，而这一点从国内文献上看还未见成功应用的报道。

附图说明

图1为强度曲线相似图；

图2为材料强度曲线图；

图3为焊锡应力应变曲线图；

图4为FBG传感原理图；

图5为FBG传感系统示意图；

图6为裸体光纤光栅传感元件设计示意图；

图7为实测的锚杆、FBG受力与变形关系图；

图8为实测的锚杆、FBG传感单元温度校正曲线；

图9为测试元件及系统锚杆布置示意图；

图10为模型M1-3锚杆实测轴力变化图。

具体实施方式

本发明的微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装方法，包括以下步骤：

1)在不损坏模型锚杆几何与结构性能的前提下，沿着锚杆的轴向打磨或抛光一条宽度小于0.1mm的直线平面，并用酒精棉球清洗；

2)选用PBT材料的毛细松套管，分段套住裸体光纤光栅非FBG的部分；

3)选用固化后硬度小、塑性大、强度高、凝固时间短的胶将裸体光纤的FBG部分与锚杆已打磨线上设计要量测的部分贴合，固化；在本发明最优方案中，胶选择改性的环氧树脂胶。

4)对模型锚秆光纤光栅传感单元的非FBG部分进行保护性封装。保护性封装的具体步骤如下：

(1)首先用PBT材料的毛细松套管进行首层封装；

(2)其次，进行多层的柔性封装。进行多层的柔性封装采用的材料为硅橡胶、聚乙烯或芳纶。

以上在封装时，若计划长期使用，则给管中涂抹纤膏以防止老化。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

采用本发明的方法，所涉及的完整测试步骤包括一下内容：

(1)岩土体工程模型试验的相似律及试验锚杆的确定。

(2)裸体光钎光栅传感元件的设计。

(3)微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装。

(4)FBG传感数椐的检测。

(5)FBG温度影响的校正。

以下进行完整描述。

1)岩土体工程模型试验的相似律及试验锚杆的确定。

模型试验受相似定律控制，一般情况下要遵循相似的三大定理(略)。对于土木工程中有锚杆的模型试验来说，因为工程性质的不同，例如隧道工程、边坡工程、矿产工程、基坑工程、地下工程等，则在考虑相似准则时要注意以下各自的特点：

对隧道衬砌结构来说，抗弯能力和弯曲应变是对安全起控制作用的两大因素，因此模型相似应以抗弯刚度为主。隧道衬砌结构是一个壳体弹性结构，既承受轴力，又承受弯曲应力。轴向变形和弯曲变形的控制方程不同，它们适用的相似准则也不同。在轴向变形和弯曲变形情况下，模型试验的相似准则如下：

(1)轴向变形相似准则对于轴向承受均布荷载F的情况，其控制方程为：

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{\mathrm{FL}}{\mathrm{EA}}---\left(1\right)$

式中，Δ为轴向变形量，A为轴向截面积。推导得到相似准则为：

$n\frac{h_M}{h_H}=\frac{E_H}{E_M}---\left(2\right)$

模型衬砌厚度的计算公式为：

$h_M=\frac{h_H}{n}\frac{E_H}{E_M}---\left(3\right)$

(2)弯曲变形相似准则将衬砌壳体视为薄板结构。设板的厚度为h，x和y为横截面内两个互相垂直方向的坐标。在横向均布力q的作用下，薄板挠曲ω满足控制方程：

$\frac{{\&PartialD;}^4\mathrm{\&omega;}}{{\&PartialD;x}^4}+2\frac{{\&PartialD;}^4\mathrm{\&omega;}}{{\&PartialD;x}^2{\&PartialD;y}^2}+\frac{{\&PartialD;}^4\mathrm{\&omega;}}{{\&PartialD;y}^4}=\frac{q}{K}---\left(4\right)$

$K=\frac{{\mathrm{Eh}}^3}{12(1-{\mathrm{\&mu;}}^2)}---\left(5\right)$

式中，K为板的弯曲刚度，E为弹性模量，μ为泊松比。

设模型的模型比例σ_L=1／n。模型和原型两者都需满足式(4)，经推导可得出其相似准则为：

$n^3\frac{h_M^3}{h_H^3}=\frac{E_H(1-{\mathrm{\&mu;}}_M^2)}{E_M(1-{\mathrm{\&mu;}}_H^2)}---\left(6\right)$

由式(4.6)得到模型衬砌厚度的计算公式：

$h_M=\frac{h_H}{n}{\left[\frac{E_H(1-{\mathrm{\&mu;}}_M^2)}{E_M(1-{\mathrm{\&mu;}}_H^2)}\right]}^{1/3}---\left(7\right)$

当原型材料与模型材料一致时，相似准则在两种受力条件下同时得到满足。当模原型材料与模型材料不同时，两种相似准则不能同时满足，所以按两种相似准则计算的模型厚度不一样。

对于岩土体工程的模型试验，岩土体是工程结构的组成部分，在考虑岩土体应力与应变时，若不计岩土体的自重，在弹性范围内，物理相似常数为：

${\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&sigma;}}=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_H}{{\mathrm{\&sigma;}}_M}$

${\mathrm{\&alpha;}}_E=\frac{E_H}{E_M}$

式中：α_σ-应力相似常数；

α_E-弹性模量相似常数。

根据原型与模型中应力-应变曲线应当用同一方程表示的要求，因此有

$E_H=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_H}{{\mathrm{\&epsiv;}}_H}---\left(8\right)$

$E_M=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_M}{{\mathrm{\&epsiv;}}_M}---\left(9\right)$

所以E_H=α_EE_M

σ_H=α_σσ_M

ε_H=α_εε_M

故(8)式可改写为

${\mathrm{\&alpha;}}_E{E}_M=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&sigma;}}{\mathrm{\&sigma;}}_M}{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&epsiv;}}{\mathrm{\&epsiv;}}_M}---\left(10\right)$

若使(9)式和(10)式相等，必须有相似指标

${\mathrm{\&alpha;}}_E=\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&sigma;}}}{{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{\&epsiv;}}}---\left(11\right)$

由于ε是无量纲值，因此α_ε=l，所以应满足的相似指标为

α_E=α_σ(12)

若还要考虑岩土体的破坏强度相似，则应该满足强度相似的要求，于是应使模型材料与原型材料的强度曲线相似，如图1所示，但这一要求往往难以完全满足，通常采用简化的方法，将莫尔包络线简化为直线，如图2所示。

在图2中，DEFO₁为平行四边形：

O₁F=DE

${\stackrel{\&OverBar;}{\mathrm{DE}}}^2={\stackrel{\&OverBar;}{O_{1}F}}^2={\stackrel{\&OverBar;}{O_1{O}_2}}^2-{\stackrel{\&OverBar;}{O_{2}F}}^2$ $={(\frac{1}{2}{\mathrm{\&sigma;}}_c+\frac{1}{2}{\mathrm{\&sigma;}}_t)}^2-{(\frac{1}{2}{\mathrm{\&sigma;}}_c-\frac{1}{2}{\mathrm{\&sigma;}}_t)}^2---\left(13\right)$

$={\mathrm{\&sigma;}}_c\&CenterDot;{\mathrm{\&sigma;}}_t$

又因圆外点至圆的切线相等，则有

OB=BD=BE=C(14)

DE=2C

由(13)式和(14)式得

$C=\sqrt{\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_c\&CenterDot;{\mathrm{\&sigma;}}_t}{2}}$

因此，为保证两直线型强度曲线相似，只要求满足

${\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{\&sigma;}}_c}=\frac{{\left({\mathrm{\&sigma;}}_c\right)}_H}{{\left({\mathrm{\&sigma;}}_c\right)}_M}$ 与 ${\mathrm{\&alpha;}}_{{\mathrm{\&sigma;}}_t}=\frac{{\left({\mathrm{\&sigma;}}_t\right)}_H}{{\left({\mathrm{\&sigma;}}_t\right)}_M}$

或者满足

${\mathrm{\&alpha;}}_C=\frac{C_H}{C_M}$ 与

式中：-抗压强度相似常数；

-抗拉强度相似常数；

α_C-内聚力(C)相似常数；

-内摩擦角相似常数。

岩体破坏的问题应满足牛顿第二定律，即F=ma，其相应的相似指标为 $\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_M\&CenterDot;{\mathrm{\&alpha;}}_a}{{\mathrm{\&alpha;}}_F}=1$

相似判据为 $\frac{F_H}{M_H{a}_H}=\frac{F_M}{M_M{a}_M}=\mathrm{\&Pi;}$

将M=ρL³代入有

$\frac{F_H}{{\mathrm{\&rho;}}_H{L}_H^3{a}_H}=\frac{F_M}{{\mathrm{\&rho;}}_M{L}_M^3{a}_M}---\left(15\right)$

在岩层移动与破坏问题的研究中，加速度a可用重力加速度g代替，再ρ_Hg=γ_H、ρ_Mg=γ_M，因而(15)式可改写成

$\frac{F_H}{{\mathrm{\&gamma;}}_H{L}_H^3}=\frac{F_M}{{\mathrm{\&gamma;}}_M{L}_M^3}--\left(16\right)$

将应力比 代入(16)式，可得与弹性力学平衡微分方程中推出的完全一致的相似判据

可见，围岩破坏时，考虑的制约关系与弹性变形阶段是相同的。

对于土工离心模型试验，经过理论推导，模型试验的条件应符合表l所示的相似律。

表1离心模型律表(假定模型与原型材料相同)

在确定了模型试验的几何相似比后，可根据试验的要求，选用上述中合适的相似定律，进行模型锚杆的设计。例如本例。选用焊锡作为锚杆模型的杆体，分别对直径为0.8mm，1.0mm和1.5mm三种规格焊锡进行拉伸试验，得出焊锡的应力应变曲线，如图3所示。

可见作为模型锚杆的焊锡与原型材料的低碳钢具有相似的应力应变关系。

原型锚杆杆体直径d_H=22mm，长度L_H=3.5m，锚杆的间距为1m×1m(环×纵)。锚杆的弹性模量为E_H=2.1×10⁵MPa。为满足相似条件要求，模型锚杆的直径和长度分别为：

d_M=1.6mm

L=70mm

本例根据商品规格选定采用直径为1.5mm，长度为7cm的焊锡丝为锚杆材料。

本例模型锚杆的材料选用焊锡丝，实际应用中可根据上述的模型相似律选用最合适的材料，例如本申请在现有技术中引伸参考文献所用的铝管、钢筋甚至是竹片。

2)裸体光钎光栅传感元件的设计。

传感元件采用FBG技术，即Bragg光纤光栅。它的基本原理为：光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂，使芯层折射率n1比包层折射率n2大，形成波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为光栅。光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光波，中心波长为布喇格波长。具有纳米级折射率分布周期的光纤光栅称为光纤布喇格光栅，即FBG。基本原理如图4所示。

当光源发出的连续宽带光(Ii)通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光(Ir)，并沿原传输光纤返回；其余宽带光(It)则直接透射过去。

则根据光栅Bragg条件：

λB=2nΛ

式中:λB---Bragg波长;

n---光栅的有效折射率，即折射率调制幅度大小的平均效应;

Λ---光栅周期，即折射率调制的空间周期。

当光波传输通过FBG时，满足Bragg条件的光波将被反射回来。FBG的反射波长取决于反向耦合模的有效折射率n和光栅周期Λ，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg波长的漂移，测量此漂移量就可直接或间接地感知外界物理量的变化.如图5所示。每根光纤的设计内容如图6所示。

具体内容有：用Si所示的FBG中心波长；每个FBG间的几何长度L2；尾纤长度L1；接头型号，例如图6中的FC／APC；波长间隔，波长偏差；反射率；带宽；还有对噪声和涂层的要求等。这中间很重要的是FBG间距，它需根据每个被测试锚杆的测试要求确定的，几乎是每根都可能不一样。

做了上述工作后，就可进行光栅的写入做工作，这项工作可自己作，也可委托专业部门作，它也不是本技术申请的内容。设计与写入光纤后的FBG实体类似于电阻应变片，具有传感单元的性质，但还不具备测试功能。它的直径约为0.13-0.2mm。

3)微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装。

将已选用的各类模型锚杆原件，例如焊锡丝、竹片、钢丝、铁丝、铜丝、塑料棍等，与已设制好的FBG裸体件有机的组合，封装，就可设制成微型锚杆FBG传感单元。设制过程如下：

(1)在不损坏模型锚杆几何与结构性能的前提下，沿着锚杆的轴向(沿长度方向)打磨或抛光一条宽度小于0.1mm的直线平面，并用酒精棉球清洗之。

(2)选用PBT材料的毛细松套管(有各类商业产品)，分段套住裸体光纤光栅非FBG的部分。

(3)选用改性的环氧树脂胶或其它类胶，要求其固化后硬度小、塑性大、强度高、凝固时间短。具体可在商业产品中选取，也可根据自行测试后选用合适的胶结材料。特别注意不可选溶性大、有腐蚀性的胶结材料。用胶将裸体光纤的FBG部分与锚杆已打磨线上设计要量测的部分贴合，固化。这一部分结果的好坏可用制作好后锚杆、FBG单元件的拉伸试验进行评价，例如本例的实测资料如图7所示。

(4)需要对模型锚秆光纤光栅传感单元的非FBG部分进行保护性封装，首先需要用PBT材料的毛细松套管进行首层封装，其次可用其它材料进行多层的柔性封装。可选的管材料有：硅橡胶、聚乙烯、芳纶等。在封装时，若计划长期使用，还可给管中涂抹少量的纤膏以防止老化，但一般的情况下模型试验都是短期的、特定的，甚至是一次性的，可以采用简易封装。

4)FBG传感数椐的检测。

可选用相适应的各类解调器对模型试验中FBG的数据进行检测。

5)FBG温度影响的校正。

与应变式传感技术一样，FBG在检测结构的应变过程中会受到温度变化的影响，或者说FBG在检测温度变化过程中会受到FBG实物变形的影响。对于测试锚杆的内力而言，需要对FBG的温度影响进行校正。

FBG的温度校正有多种方法(略)，根据模型试验的特点，不宜采用大体积的自校正封装法，本发明则采用实测曲线校正法。具体做法是将设制好的裸体FBG放进温水中自然冷却，同时测水温与FBG波长读数，根据实测数据绘制如图8所示的温度校正曲线。每一根锚杆、FBG传感单元都有自已的温度校正曲线，在模型加载试验的过程中，同时实测模型的温度，最终，在实测的FBG数据中，根据实测模型温度，依据如图8所示的校正曲线，减去温度影响部分就为锚杆实际的应变部分。

本发明依托现有先进的三向地质力学模型试验仪，自行研发如上所述的微型锚杆内力FBG测试系统，设制成的微型锚杆、FBG传感元件，采用如图5所示的测试系统。依托西安地铁施工工程，用模型试验的方法，研究了黄土地区地铁工程施工的关键技术。该项目己获有关部门的验收。

为了研究系统锚杆在浅埋软弱围岩中的作用效果，试验中分别设计了两种锚杆布置方式：8×8全断面和4×4局部，如图9所示。试验还设计了三种不同长度的锚杆：现场实际采用3.5m，稍短1.5m和稍长5.5m，对应模型试验焊锡锚杆的长度为7cm，3cm和11cm。试验中，尽可能地同开挖隧道的实际情况相似，在开挖洞室前先对模型施加等于原岩应力的荷载，让模型产生初始变形，然后在处于原岩应力状态下的模型中开挖并立即施作支护结构，在此过程中观测支护状态的变化。试验取得了如期的效果和成果。

实测结果表明：FBG实测的应变为nm级，高于常规应变测量的μm级。如图8所示的温度校正曲线线性度非常好、误差非常小，且不存在电阻应变测量中的‘时漂’误差。本发明涉及锚杆的尺寸和质量可做的很小，这对模型试验尤其是土工离心模型试验非常重要，有时甚至是决定试验成功与否的关键技术。从实例可以看到，测试锚杆的直径还小于光纤导线的直径。在微型锚杆上粘贴FBG后拉伸的实测资料(图8)与未贴FBG锚杆的拉伸实测资料(图3)相比误差非常小，说明附加FBG后并不影响微型锚杆原本的力学特性。与本发明与现有技术中的微型锚杆相比，锚杆内力量测方法可量测微型锚杆内力沿杆长的分布，而这一点从国内文献上看还未见成功应用的报道。图10为实测的M1-3锚秆轴力变化图，从图上可以看出，试验状态的不同(加载、卸载、浸水、开挖、支护)，锚秆沿长度方向不同断面的内力也不同。

在具体测量中，可以按照以下步骤进行实施：

1.分析明确模型试验的主要控制因素，建立以主要控制因素为主的模型相似律。

2.根据模型相似律，确定模型锚杆的几何尺寸、相应的材质，沿杆长拟测的断面位置、同一断面上测点的布置(单点、三点、对称、多面对称)。

3.根据已设计好的模型锚秆及拟测试点，设计裸体光纤光栅及相应参数。具体内容有：FBG中心波长；每个FBG问的几何长度；尾纤长度；接头型号；波长间隔；波长偏差；反射率；带宽；噪声；涂层等。

4.进行光栅的写入做工作，这项工作可自己作，也可委托专业部门作，它不是本技术申请的内容。

5.进行试验锚杆与FBG的组合加工，光纤的封装。

6.依本申请的技术方法测试并绘出锚杆、FBG传感单元的温度校正曲线。

7.进行模型试验，测FBG的过程数值，并同时测模型体的温度。

8.对模型试验实测的FBG值进行温度校正，随后可进行正常的资料分析。

Claims (2)

1.一种微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在不损坏模型锚杆几何与结构性能的前提下，沿着锚杆的轴向打磨或抛光一条宽度小于0.1mm的直线平面，并用酒精棉球清洗；

2)选用PBT材料的毛细松套管，分段套住裸体光纤光栅非FBG的部分；

3)选用固化后硬度小、塑性大、强度高、凝固时间短的胶将裸体光纤光栅的FBG部分与锚杆已打磨线上设计要量测的部分贴合，固化；胶选择改性的环氧树脂胶；

4)对模型锚杆光纤光栅传感单元的非FBG部分进行保护性封装；

步骤4)中,保护性封装的具体步骤如下：

(1)首先用PBT材料的毛细松套管进行首层封装；

(2)其次，进行多层的柔性封装；

进行多层的柔性封装采用的材料为硅橡胶、聚乙烯或芳纶。

2.根据权利要求1所述的微型锚杆FBG传感单元的设制与光纤的封装方法，其特征在于，在封装时，若计划长期使用，则给管中涂抹纤膏以防止老化。