CN105863701A - 一种锚杆传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种锚杆传感器，所述锚杆传感器包括：光纤光栅、中间层和锚杆；所述光纤光栅设置在所述中间层的内部，所述锚杆设置在所述中间层的外部；所述光纤光栅通过所述中间层粘结在所述锚杆内部；所述光纤光栅设置在锚杆中心位置处。通过光纤光栅、中间层和锚杆的设置，使得光纤光栅与锚杆有效的结合为一体，使光纤光栅能够更好的感知锚杆的应力应变数据，提高测量数据的准确和精确度，便于系统进行全面的分析，保证巷道内的人员安全，降低安全事故发生的几率，更好的保证了施工安全。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及到一种锚杆传感器。
背景技术
目前，锚杆在传统的岩土防护工程中已经得到了广泛的应用，用于将巷道的围岩加固在一起，使围岩自身支护自身。作为巷道安全生产的重要保证手段，对锚杆的应力应变检测越来越受到高度的重视，锚杆与应力应变传感器的结合既可以起到加固的作用，又能实现对巷道应力应变的检测，保证施工的安全。
相关技术中，锚杆的受力监测常常采用电类传感器，较为常用的为电阻应变式传感器，电阻应变式传感器以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。
锚杆工作在潮湿以及酸碱盐腐蚀的恶劣环境下，对于传感器的防潮、防腐蚀、防水性能要求比较高，而电类传感器在长期的监测过程中存在抗干扰能力比较差，稳定性不好、精密度差、寿命短等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种锚杆传感器，通过光纤光栅、中间层和锚杆的设置，使得光纤光栅与锚杆有效的结合为一体，加强锚杆传感器在巷道内的耐候性，提高测量数据的精确度，便于系统进行全面的分析，保证施工安全。
第一方面，本发明实施例提供了一种锚杆传感器，所述锚杆传感器包括：光纤光栅、中间层和锚杆；
所述光纤光栅包括光纤和光栅，所述光栅刻蚀在所述光纤上；
所述纤芯设置在所述中间层的内部，所述锚杆设置在所述中间层的外部；
所述光纤光栅通过所述中间层粘结在所述锚杆内部；
所述光纤光栅设置在锚杆中心位置处。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实现方式，其中，所述锚杆的杆体中心位置设置有通孔；
所述通孔贯穿于整个所述锚杆的杆体。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实现方式，其中，所述锚杆的中心位置处设置有多个所述光纤光栅；
所述多个光纤光栅通过光纤熔接串联连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实现方式，其中，所述锚杆的尾部设置有锚具。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实现方式，其中，所述锚杆尾部引出一根所述光纤；
引出的所述光纤通过所述锚具与调制解调器连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实现方式，其中，所述锚具为托盘与螺母；
所述锚杆的尾部外表面设置有螺纹；
所述托盘和所述螺母与所述锚杆螺纹连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实现方式，其中，所述锚杆外部设置有防腐层；
所述防腐层与所述锚杆密封连接。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实现方式，其中，所述中间层为环氧树脂。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实现方式，其中，所述锚杆为圆钢锚杆或者玻璃钢锚杆。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实现方式，其中，所述通孔的直径为5毫米。
本发明实施例提供的锚杆传感器，通过光纤光栅、中间层和锚杆的设置，使得光纤光栅与锚杆有效的结合为一体，使光纤光栅能够更好的感知锚杆的应力应变数据，提高测量数据的准确和精确度，便于系统进行全面的分析，保证巷道内的人员安全，降低安全事故发生的几率，更好的保证了施工安全。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例所提供的一种锚杆传感器的横向截面图的结构示意图；
图2示出了本发明实施例所提供的一种锚杆传感器的纵向剖面的结构示意图；
图3示出了本发明实施例所提供的一种锚杆传感器的结构示意图。
附图1中，各标号所代表的部件列表如下：
1：光纤光栅，
2：中间层，
3：锚杆。
附图3中，各标号所代表的部件列表如下：
4：托盘，
5：螺母。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
考虑到相关技术中锚杆传感器的使用过程，锚杆的受力监测常常采用电类传感器，较为常用的为电阻应变式传感器，电阻应变式传感器以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。该类传感器在巷道内恶劣的环境下极易被腐蚀，而且测量精度不高，无法准确提供应力应变数据，保证施工安全。基于此，本发明实施例提供了一种锚杆传感器。下面通过实施例进行描述。
实施例
为了使传感器能够在巷道内恶劣的环境下正常的工作，并且使测得的数据能够更加的精确，便于测试系统对数据的分析，从而保证巷道内的施工安全。
参见图1，本发明实施例提供了一种锚杆传感器，该锚杆传感器包括：光纤光栅1、中间层2和锚杆3；
光纤光栅1包括光纤和光栅，光栅刻蚀在光纤上；
光纤光栅1设置在中间层2的内部，锚杆3设置在中间层2的外部；
光纤光栅1通过中间层2粘结在锚杆3内部；
光纤光栅1设置在锚杆3中心位置处。
通过以上实施例可以看出，通过光纤光栅1、中间层2和锚杆3的设置，使得光纤光栅1与锚杆3有效的结合为一体，这样的将光纤光栅1嵌入到锚杆3之中的一体设置，随着锚杆3打入岩层，光纤光栅1也一起被打入岩层，对光纤光栅1起到了保护的作用，并且有利于使光纤光栅1能够更好的感知锚杆3的应力应变数据，其中，光栅刻蚀在光纤上，且等距设置。除此之外，锚杆3与光纤光栅1的一体设置还能够提高所测量数据的准确性和精确度，便于系统进行全面的监测与分析，得到巷道内更加全面的数据，保证巷道内的人员安全，降低安全事故发生的几率，更好的保证了施工安全。
为了能够使光纤光栅1能够顺利的放入到锚杆3的中心位置处，使光纤光栅1更好的感知到锚杆3的应力应变的变化，为检测系统提供精确的测量数据，便于检测系统更好的分析。
本发明实施例提供了一种锚杆传感器，锚杆3的杆体中心位置设置有通孔；
通孔贯穿于整个锚杆3的杆体。
通过以上实施例可以看出，通过在锚杆传感器中设置贯穿整个锚杆3杆体的通孔，可以使光纤光栅1设置在锚杆3的内部，从而更好的感知锚杆3应力应变的变化，将该应力应变的变化传递个检测系统，从而得到巷道内施工环境的状况，更好的保证施工安全。
为了获得更多、更加准确的检测数据，更加全面的检测巷道内的施工环境，保证施工安全。
本发明实施例提供了一种锚杆传感器，锚杆3的中心位置处设置有多个光纤光栅1；
多个光纤光栅1通过光纤熔接串联连接。
通过以上实施例可以看出，在整个锚杆3的中心位置处沿锚杆长度设置有多个光纤光栅1，并且多个光纤光栅1通过熔接串联连接在一根光纤上。多个光纤光栅1的设置可以感知到锚杆3的每一段的应力应变的变化，使得采集到的数据更加的全面，更加精确全面的反应巷道内的施工环境。
优选地，在锚杆的中心位置处设置有5个光纤光栅1。
为了更好的固定光纤光栅1与检测系统的连接处。本发明实施例提供了一种锚杆传感器，锚杆3的尾部设置有锚具。
通过以上实施例可以看出，锚具的设置可以更好的固定引出光纤与检测系统的连接处，实现信号有效的传输，防止出现信号传输故障。
为了实现信号有效传输到检测系统，实现数据分析，得出检测结果。本发明实施例提供了一种锚杆传感器，锚杆3尾部引出一根光纤；
引出的光纤通过锚具与调制解调器连接。
通过以上实施例可以看出，锚杆3尾部引出的光纤是为了与检测系统连接，进行数据的检测与分析。
优选的，本发明实施例提供了一种锚杆传感器，锚具为托盘4与螺母5；
锚杆3的尾部外表面设置有螺纹；
托盘4和螺母5与锚杆3螺纹连接。
通过以上实施例可以看出，锚杆3的尾部的外表面设置的螺纹与托盘4和螺母5的结合，可以有效的实现对从锚杆3尾部引出的光纤进行固定，使其能够对信号进行更好的传输。
为了避免在运输过程中或者安装过程中划伤传感器，并且在使用过程中对传感器进行防腐保护。
本发明实施例提供了一种锚杆传感器，锚杆3外部设置有防腐层；防腐层与锚杆3密封连接。
其中，防腐层采用了硅胶、热塑管进行密封，从而减少运输或者安装锚杆3时水泥砂浆划伤传感器，起到了防腐和缓冲保护的作用，减少了使用过程中恶劣环境对锚杆传感器的腐蚀，使得测得数据的精确度能够得到保障，并且使锚杆传感器的使用寿命能够得以延长。
为了使得光纤光栅1与锚杆3杆体实现有效的固定连接，设置有中间层2。本发明实施例提供了一种锚杆传感器，中间层2为环氧树脂。
通过以上实施例可以看出，中间层2的设置主要是起到连接光纤光栅1和锚杆3的作用，并对光纤光栅1起到一定的固定保护的作用。其操作为将光纤光栅1放入到锚杆3中以后将环氧树脂以液体的状态注入到锚杆3通孔内部，待其凝固后实现把光纤光栅1和锚杆3粘结为一体，并对光纤光栅1起到固定保护的作用。其中，环氧树脂的弹性模量、体积模量、泊松比等参数与锚杆3的最为接近，为目前的优选方案。
为了更好的使锚杆传感器应用到实际巷道加固与监测中，起到对对巷道的加固与支撑的作用。
本发明实施例提供了一种锚杆传感器，锚杆3为圆钢锚杆3或者玻璃钢锚杆3。
其中，圆钢锚杆3和玻璃钢锚杆3在现在工程应用中比较常见，其各种性能指标能够达到施工的要求，能够更好的对巷道起到加固支撑的作用。
为了把光纤光栅1顺利的放入到锚杆3中心内的通孔中，并使环氧树脂有效的固定连接锚杆3和光纤光栅1。
优选地，本发明实施例提供了一种锚杆传感器，通孔的直径为5毫米。
通过以上实施例可以看出，通孔设置的直径为5毫米，该尺寸的设置既能把光纤光栅1放入到锚杆3内的通孔中，实现中间层2对锚杆3和光纤光栅1的有效连接，还能对锚杆3的支撑强度不产生影响，达到工程中各项数据指标的要求。
优选地，为了使得监测到的数据全面并且典型，锚杆轴力量测测点布置顶板和侧帮上，顺序打入锚杆，锚杆分别打在了巷道的侧帮和顶板，每侧分别为4根，并且侧帮的锚杆打在了靠近工作面的那一面，因为这一侧受力变化比较明显。此外，为了方便记录数据以及阐述方便，从上至下分别对锚杆进行编号，顶板从1号到4号，侧帮从5号到8号。如果是普通的锚杆，借助锚杆机，配上树脂药卷，很快就能打进并且固定到煤层之中。但是埋锚杆传感器，由于光纤光栅的特性是抗拉不抗折，如果同普通锚杆一样用锚杆机打入的话，在锚杆机转动过程中产生的扭矩有可能会损坏到锚杆传感器，使得监测受到影响，所以必须寻求一种适当的方法进行安装。其操作步骤如下所示：
第1步，打孔。由于光纤光栅抗拉不抗折的特性，所以不能利用这几根埋有光纤光栅传感器的锚杆进行直接打孔，必须使用比它们粗一些的玻璃钢锚杆进行打孔，打大约直径为50毫米的孔，对于1、2、3、4号锚杆孔深约2.3米，对于5、6、7、8号锚杆孔深约2米。分别在侧帮和顶板处打孔。
第2步，注浆。注浆需要使用的是水泥药卷，因为水泥药卷固定的快，使得锚杆能快速固定在打好的孔洞之中。注浆时，要均匀快速的使水泥药卷灌注到孔洞之中。
第3步，插入锚杆。孔洞使用水泥药卷浇灌之后，应快速将锚杆插入到孔洞之后，大约几分钟后，待锚杆传感器和水泥固定好之后即可，
第4步，固定。将与锚杆配套的托盘穿过光纤引线，与锚杆一同固定在煤岩上。这样带有光纤光栅传感器的锚杆就与煤岩形成一体，通过检测其中光纤光栅传感器的波长变化，即可以推测出煤岩的受力变化。
综上所述，本实施例提供的锚杆传感器，通过光纤光栅、中间层和锚杆的设置，使得光纤光栅与锚杆有效的结合为一体，这样的将光纤光栅嵌入到锚杆之中的一体设置，随着锚杆打入岩层，光纤光栅也一起被打入岩层，对光纤光栅起到了保护的作用，并且有利于使光纤光栅能够更好的感知锚杆的应力应变数据。除此之外，锚杆与光纤光栅的一体设置还能够提高所测量数据的准确性和精确度，便于系统进行全面的监测与分析，得到巷道内更加全面的数据，保证巷道内的人员安全，降低安全事故发生的几率，更好的保证了施工安全。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种锚杆传感器，其特征在于，所述锚杆传感器包括：光纤光栅、中间层和锚杆；
所述光纤光栅包括光纤和光栅，所述光栅刻蚀在所述光纤上；
所述光纤光栅设置在所述中间层的内部，所述锚杆设置在所述中间层的外部；
所述光纤光栅通过所述中间层粘结在所述锚杆内部；
所述光纤光栅设置在锚杆中心位置处。
2.根据权利要求1所述的锚杆传感器，其特征在于，所述锚杆的杆体中心位置设置有通孔；
所述通孔贯穿于整个所述锚杆的杆体。
3.根据权利要求1所述的锚杆传感器，其特征在于，所述锚杆的中心位置处设置有多个所述光纤光栅；
所述多个光纤光栅通过光纤熔接串联连接。
4.根据权利要求1所述的锚杆传感器，其特征在于，所述锚杆的尾部设置有锚具。
5.根据权利要求4所述的锚杆传感器，其特征在于，所述锚杆尾部引出一根所述光纤；
引出的所述光纤通过所述锚具与调制解调器连接。
6.根据权利要求5所述的锚杆传感器，其特征在于，所述锚具为托盘与螺母；
所述锚杆的尾部外表面设置有螺纹；
所述托盘和所述螺母与所述锚杆螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的锚杆传感器，其特征在于，所述锚杆外部设置有防腐层；
所述防腐层与所述锚杆密封连接。
8.根据权利要求1所述的锚杆传感器，其特征在于，所述中间层为环氧树脂。
9.根据权利要求1所述的锚杆传感器，其特征在于，所述锚杆为圆钢锚杆或者玻璃钢锚杆。
10.根据权利要求2所述的锚杆传感器，其特征在于，所述通孔的直径为5毫米。
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