CN105403339A - 一种锚杆测力装置、锚杆及锚杆拉力测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锚杆测力装置、锚杆及锚杆拉力测量方法，测力装置包括测力弹性体，该测力弹性体的两端设有与锚杆固接的连接结构；所述锚杆的中轴线与所述测力弹性体的中轴线重合；所述测力弹性体上开设有凹槽；所述凹槽底面贴合有第一光纤光栅传感器。本发明的测力装置可以抗电磁干扰，耐腐蚀，适用于岩土防护工程的监测系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种锚杆测力装置、锚杆及锚杆拉力测量方法。
背景技术
在传统的岩土防护工程中，锚杆的受力监测常采用电传感器或光纤光栅传感器，电传感器或光纤光栅传感器粘贴在锚杆上，由于锚杆较长，无法在实验室进行拉伸测试和标定测试，且锚杆常常埋设在恶劣环境中，对传感器的性能要求很高，电传感器在长期监测中存在着抗干扰能力差，容易被腐蚀，稳定性不好等缺陷，导致测量精度差，且不能串联使用，大大增加了施工的复杂程度，给现场的安装和监测带来很大不便；光纤光栅传感器有耐腐蚀，抗电磁干扰，可串接使用等优点，但是现有的测力结构测量精度不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种体积小、抗干扰能力强、耐腐蚀、稳定性好、测量精度高的锚杆测力装置、锚杆及锚杆拉力测量方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种锚杆测力装置，包括测力弹性体，该测力弹性体的两端设有与锚杆固接的连接结构；所述锚杆的中轴线与所述测力弹性体的中轴线重合；所述测力弹性体上开设有凹槽；所述凹槽底面贴合有第一光纤光栅传感器。
所述凹槽内设有在所述凹槽内悬空的第二光纤光栅传感器；所述第一光纤传感器和第二光纤传感器串联成光纤光栅。第二光纤光栅传感器可以作为第一光纤光栅传感器的温度补偿传感器，消除环境温度对测量结果的影响，提高测量精度。
所述测力弹性体为圆柱体结构，且所述圆柱体结构表面设有平面。所述凹槽上设有用于封装所述光纤光栅的盖板，保护光纤光栅。盖板固定在所述平面上。方便盖板的制作和安装。
为了进一步提高测量精度，所述凹槽的底面过所述测力弹性体的中轴线，且与平面平行，即凹槽底面处于测力弹性体弯曲时的中性层上，测力弹性体弯曲时，凹槽底面无应变产生，避免了可能出现的弯曲应力对光纤光栅传感器波长漂移的影响，仅测量锚杆的轴向拉力，使测量结果更精确。
所述盖板上开设有通孔，所述光纤光栅的尾纤自所述通孔伸出；所述通孔截面为L形；所述光纤光栅的尾纤上套有保护管。方便光纤光栅与外部信号分析仪连接，同时更好地保护光纤光栅。
所述测力弹性体两端均开设有多个连接孔，方便与锚杆连接。
相应地，本发明还提供了一种锚杆，该锚杆包括两段；该两段分别固接到测力弹性体的两端；且该两段的中轴线与所述测力弹性体的中轴线重合；所述测力弹性体上开设有凹槽；所述凹槽底面贴合有第一光纤光栅传感器。
本发明还提供了一种锚杆拉力测量方法，该方法主要实现过程为：锚杆所受拉力传递到测力弹性体上后，通过拉伸测试标定测力弹性体，确定第一光纤光栅传感器FBG1的波长变化量与所受拉力的对应关系，通过温度测试标定得出第一光纤光栅传感器FBG1和第二光栅传感器FBG2的温度灵敏度比值K，将第一光纤光栅传感器FBG1的波长变化量减去K倍的第二光栅传感器FBG2的波长变化量，剔除温度变化引起的FBG1的波长变化量，即得出了由锚杆所受拉力引起的第一光纤光栅传感器FBG1的波长变化量，然后由第一光纤光栅传感器FBG1的波长变化量与所受拉力的对应关系，得出锚杆的拉力。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的测力装置可以在室内制作，制作方便，体积小，还可以在实验室进行拉伸测试和标定测试；其中一个光纤光栅传感器贴于凹槽底部，且与测力弹性体上的平面平行，即凹槽底面处于测力弹性体弯曲时的中性层上，避免了可能出现的弯曲应力对光纤光栅传感器波长漂移的影响，仅测量锚杆的轴向拉力，使测量结果更精确，自由悬挂的光纤光栅传感器作为温度补偿传感器，与粘贴在凹槽底面的光纤光栅传感器采集的数据对照，可以进一步提高测量精度；锚杆与弹性体之间通过螺杆连接，连接简便，可以在工厂加工好以后直接在现场连接，方便快捷；本发明的测力装置抗干扰能力强，耐腐蚀，稳定性好，适用于岩土防护工程的监测系统；本发明的测力方法容易实现，测量结果准确。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明剖视图；
图3为本发明盖板结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明一实施例包括两端各与一段锚杆3通过连接结构固定连接的测力弹性体1；所述测力弹性体1上开设有凹槽7；所述凹槽7内设有由两个光纤光栅传感器串联而成的光纤光栅9，其中一个光纤光栅传感器12固定于所述凹槽7底部，另外一个光纤光栅传感器13在所述凹槽7内悬空；测力弹性体1为圆柱体结构，且所述圆柱体结构表面设有平面10；凹槽7的底面过所述测力弹性体1的中轴线，且与平面10平行。
凹槽7上设有用于封装所述光纤光栅9的盖板2；所述盖板2固定在所述平面10上；如图3，盖板2上开设有通孔6，所述光纤光栅9的尾纤自所述通孔6伸出，通孔6截面为L形，光纤光栅9的尾纤上套有保护管。
连接结构包括开设在测力弹性体1端部的多个连接孔4，相应的，本发明的锚杆包括两段；每段上均开设有多个孔11；每段锚杆上的孔11与测力弹性体1对应一端的连接孔4通过螺杆连接。
锚杆3的拉力传递到测力弹性体1上后，拉力转化为测力弹性体1的应变并作用于凹槽7底部的光纤光栅传感器FBG1，FBG1受到应变作用后，反射波长会发生变化，而另外一个光纤光栅传感器FBG2悬空，所以不会受到拉力作用，把它作为FBG1的温度补偿传感器。事先在实验室通过拉伸测试标定测力弹性体1（即：测量弹性体在拉力F作用下的应变=（拉力F）/（测力弹性体的横截面积*测量弹性体的杨氏模量）），确定FBG1的波长变化量与所受拉力的对应关系（拉伸测试标定一般使用拉伸机，把测力弹性体放在拉伸机上面，对测力弹性体施加拉力，同时，用仪表记录不同拉力值作用下的光栅波长变化量，将拉力——波长变化量做出对应曲线图，即得到拉力和波长变化量的对应关系），通过温度测试标定得出FBG1和FBG2的温度灵敏度比值K，在现场就可以通过外界光纤光栅波长解调器监测FBG1和FBG2的波长变化，然后将FBG1的波长变化量减去K倍的FBG2的波长变化量，剔除温度变化引起的FBG1的波长变化量，就得出了由锚杆拉力引起的FBG1的波长变化量，然后再由拉伸测试标定得出的FBG1的波长变化量和拉力的对应关系，得出锚杆所受的拉力。
Claims (10)
1.一种锚杆测力装置，其特征在于，包括测力弹性体（1），该测力弹性体（1）的两端设有与锚杆（3）固接的连接结构；所述锚杆（3）的中轴线与所述测力弹性体（1）的中轴线重合；所述测力弹性体（1）上开设有凹槽（7）；所述凹槽（7）底面贴合有第一光纤光栅传感器（12）。
2.根据权利要求1所述的锚杆测力装置，其特征在于，所述凹槽（7）内设有在所述凹槽（7）内悬空的第二光纤光栅传感器（13）；所述第一光纤传感器和第二光纤传感器串联成光纤光栅（9）。
3.根据权利要求2所述的锚杆测力装置，其特征在于，所述测力弹性体（1）为圆柱体结构，且所述圆柱体结构表面设有平面（10）。
4.根据权利要求3所述的锚杆测力装置，其特征在于，所述凹槽（7）的底面过所述测力弹性体（1）的中轴线，且与所述平面（10）平行。
5.根据权利要求2所述的锚杆测力装置，其特征在于，所述凹槽（7）上设有用于封装所述光纤光栅（9）的盖板（2）,所述盖板（2）固定在所述平面（10）上。
6.根据权利要求4所述的锚杆测力装置，其特征在于，所述盖板（2）上开设有通孔（6），所述光纤光栅（9）的尾纤自所述通孔（6）伸出。
7.根据权利要求6所述的锚杆测力装置，其特征在于，所述光纤光栅（9）的尾纤上套有保护管。
8.根据权利要求1所述的锚杆测力装置，其特征在于，所述连接结构包括开设在所述测力弹性体（1）端部的多个连接孔（4）。
9.一种锚杆，其特征在于，该锚杆包括两段；该两段分别固接到测力弹性体（1）的两端；且该两段的中轴线与所述测力弹性体（1）的中轴线重合；所述测力弹性体（1）上开设有凹槽（7）；所述凹槽（7）底面贴合有第一光纤光栅传感器（12）。
10.一种锚杆拉力测量方法，其特征在于，该方法主要实现过程为：锚杆（3）所受拉力传递到测力弹性体（1）上后，通过拉伸测试标定测力弹性体（1），确定第一光纤光栅传感器FBG1的波长变化量与所受拉力的对应关系，通过温度测试标定得出第一光纤光栅传感器FBG1和第二光栅传感器FBG2的温度灵敏度比值K，将第一光纤光栅传感器FBG1的波长变化量减去K倍的第二光栅传感器FBG2的波长变化量，剔除温度变化引起的FBG1的波长变化量，即得出了由锚杆所受拉力引起的第一光纤光栅传感器FBG1的波长变化量，然后由第一光纤光栅传感器FBG1的波长变化量与所受拉力的对应关系，得出锚杆的拉力。
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