CN108007619B - 一种利用光纤光栅测量锚杆侧向受力的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用光纤光栅测量锚杆侧向受力的方法是利用包括锚杆、锚杆锚固剂、光纤光栅、垫板、光缆、锚杆锁紧装置、光缆、解调仪构成的测量锚杆，并利用光纤光栅对所述测量锚杆的侧向受力进行测量。本发明采用光纤光栅准确测得了锚杆所受切向力的大小方向位置，解决了现有测力锚杆仅能测量锚杆所受轴向力，提高了受力锚杆测量精度的可靠性，为更好地了解锚杆在钻孔中的受力情况，研究锚杆在岩层中的受力情况提供基础数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种锚杆侧向受力检测方法，具体而言，是一种利用光纤光栅传感器对锚杆侧向受力的测力方法。
背景技术
光纤光栅简称FBG，FBG传感器是20世纪90年代传感领域较好的发明创造，它是以FBG为核心器件而产生的传感器产品，而FBG又是一种光纤无源器件，具有可靠性好、测量精度高、能够进行实时监测、抗电磁干扰以及抗雷击等特点。因此，在石油行业、矿业及建筑结构安全监测等领域，主要利用光纤光栅传感器替代老式的电信号传感器，在测力锚杆的领域，光纤光栅传感器得到了广泛的应用。
公开号为CN 203097917 U，公开了名称为“一种测力锚杆”，该发明采用沿锚杆开两个对称的槽且各个槽内等距布置了六个应变片，且用外壳对应变片进行了保护，用于对受力锚杆进行测力，但这种电阻应变片稳定性不够，易受外界环境影响而变形，特别是地矿环境恶劣的情况下，测量不准确，可靠性不高。
公开号为CN 106677812[1]A，公开了名称为“一种光纤光栅测力锚杆”，该发明采用了光纤光栅传感器来测量锚杆的受力状况，其构成是将光纤光栅传感器设置于固定锚杆的垫板上，根据垫板受到的挤压力来测量锚杆受到的拉拔力，该测力锚杆应用光纤光栅传感器对受力锚杆进行测力，提高了传感器的稳定性，但是采用传感器数量少且设置在垫板上，无法准确测量锚杆所受力的情况。
公开号为CN 202690096 U，公开了名称为一种“光纤光栅测力锚杆”，该发明将一对光纤光栅传感器设置于锚杆两侧，但设置数量少，结构简单，除了锚杆轴向应变情况外无法获得锚杆弯曲的受力情况。
上述采用现有监测锚杆结构对锚杆实现受力检测有一定的不足，因此寻求一种更加完善的检测锚杆结构具有重要的实用价值。
发明内容
基于上述现有对锚杆受力状况进行检测结构的不足，本发明提供一种利用光纤光栅传感器测量锚杆受力的方法。
本发明的具体测量方法的技术方案如下。
一种利用光纤光栅测量锚杆侧向受力的方法，其特征在于：所述方法是利用包括锚杆、锚杆锚固剂、光纤光栅、垫板、光缆、锚杆锁紧装置、光缆、解调仪构成的测量锚杆，并利用光纤光栅对所述测量锚杆的侧向受力进行测量；
所述测量锚杆是锚杆沿表面轴向截面互成120°加工三个凹槽，分别在每个凹槽中设置一光纤光栅串，每根光纤光栅串上等距对应设置有五个光纤光栅，每根光纤上对应光栅均在锚杆的同一截面上，且每根光纤与解调仪相连，然后用锚杆锚固剂、垫板及锁紧装置将光纤光栅固定在凹槽中，构成受力测量锚杆；所述受力测量锚杆的测量方法是按下列步骤进行的：
1）将所述受力测量锚杆置入岩层内，当受力测量锚杆受到切向力或者轴向拉力时，锚杆发生变形，设置在锚杆凹槽中的光栅发生变化，其栅距发生变化导致中心波长变化；
2）通过光纤将光信号传输到解调仪，通过解调仪将信号进行解调分析，即获得相应光纤光栅位置锚杆的应变情况；
3）获得锚杆所受轴向力时，锚杆受到轴向拉伸，即获得设置于锚杆上的光纤光栅所在位置的应变情况，后分别将每个光纤光栅所获得应变情况取均值的一锚杆上一点的应变，得截面应力然后根据公式，即得锚杆所受轴向力F，其中：E是锚杆材质的弹性模量，S是锚杆的横截面面积；
4）获得锚杆所受切向力时，根据光纤光栅设置获得锚杆上五个截面三点的应变量，后根据每个截面三点的应变量，获得锚杆在五个截面位置中心线的曲率半径，以及表示该位置的弯曲方向角度，之后根据五个截面位置的弯曲情况判断锚杆的切向方向受力情况，并根据锚杆所处于的状态，得到该状态下的挠度方程；
其中：是锚杆在x位置锚杆切向变形量；再根据曲线的曲率半径方程，将所得的五个截面位置的曲率半径以及带入曲率半径方程，即得方程组求得锚杆受力的位置及其大小，再通过判断锚杆的弯曲方向的角度得到锚杆所受切向力的方向。
进一步的技术特征如下。
所述锚杆的制作方法是将一实心锚杆沿轴向截面互成120°加工为三个相等的凹槽，并将三个相等的凹槽打磨光滑，然后将相应的三条光纤光栅串整理平直置于打磨光滑的凹槽中，再用AB胶将光纤光栅串固定。
所述AB胶是一种用于将光纤光栅固定于锚杆上并将锚杆上凹槽填充的特殊用胶。
所述受力锚杆的凹槽结构是轴向近于封闭的矩形或圆型结构。
所述锚杆与光纤光栅的固定是将光纤光栅置于受力锚杆的凹槽中，在五分钟之内将混合后的AB胶填充于凹槽内的所有空间，之后静置10分钟初步凝固；同样对锚杆的其他两个凹槽采用相同的方法进行设置固定，然后将制作好的锚杆置于干燥通风的地方静置24小时以上，即可用于锚杆在钻孔中的受力测量。
上述一种利用光纤光栅测量锚杆侧向受力方法的技术方案，用于煤矿井下锚杆受力情况的测量，与现有技术相比，本发明采用光纤光栅传感器进行测量，提高了煤矿井下锚杆受力情况测量精度的可靠性，且本发明利用光纤光栅传感器设置能够准确的得到锚杆所受切向力大小方向以及受力位置等信息，解决了现有测力锚杆只能测量锚杆所受轴向力的不足。因此，本发明能够有效的提高测力锚杆在使用中获得的数据量，以便更好的了解锚杆在钻孔中的受力情况。
附图说明
图1是本发明的光纤光栅锚杆的整体结构图。
图2是本发明的光纤光栅锚杆的截面图。
图3是本发明锚杆开槽光纤布置示意图。
图4是本发明的光纤光栅锚杆在受到单一的点切应力的状况下的受力分析图。
图中：1：锚杆；2：锚杆锚固剂；3：光纤光栅；4：垫板；5：锚杆锁紧装置；6：光缆；7：解调仪。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。
实施本发明上述所提供的一种利用光纤光栅测量锚杆侧向受力的方法，该方法是通过在锚杆上按照一定规律布置数个光纤光栅应变传感器来实现的，具体测量锚杆受力情况是按以下步骤进行的：
1）将一实心的锚杆1纵向表面互成120°加工三个凹槽，在其中布置三条光纤光栅3串，每条光纤光栅串上等距布置五个光纤光栅然后用AB胶将其固定，然后利用锚固定剂2以及垫板4将锚杆1固定在凹槽中。
2）然后岩层跟锚杆1相接触，当岩层发生变化时给锚杆1作用力，从而导致锚杆1发生形变。然后布置在锚杆1表面相应位置的光纤光栅3发生变化，其栅距发生变化导致中心波长的变化。
3）通过光纤以及铠装光缆6将光信号传输到解调仪7，通过解调仪7将信号进行解调分析，根据公式，即可获得相应光纤光栅3位置锚杆1的应变情况，式中为光纤中反射光波长的变化量；为应变与波长变化关系的系数。
4）获得锚杆1所受到的轴向力的情况时，锚杆1受到轴向的拉伸，就可得到布置在锚杆1上的光纤光栅3所在位置的应变情况，然后分别把每个光纤光栅3所得的应变情况取均值然后获得锚杆上一点的应变，然后得截面应力之后根据公式，即可得锚1所受轴向力F，以上E为锚杆1材质的弹性模量，A为锚杆1的横截面面积。
5）获得锚杆1所受切向力的情况时，根据光纤光栅3的布置可以得到，锚杆1上五个截面的表面的三点的应变量。然后根据每个截面的三个点的应变量就可得到锚杆1在这五个截面位置中心线的曲率半径，以及能表示该位置受力方向的角度。之后根据这五个截面位置的弯曲情况大致判断锚杆1切向方向的受力情况，然后根据锚杆1所处于的状态确定挠度方程。其中为x位置锚杆1切向变形量；锚杆两个固定端之间的长度；为受力位置到锚杆1上端的固定端的距离；为受力位置到锚杆1下端的固定端的距离；为锚杆1的弹性模量；为锚杆1截面的惯性矩。再根据曲线的曲率半径方程，将以及带入曲率半径方程即可得到方程组就可求得F，a，b。再根据之前的就可得到锚杆1所受到切向力方向。
在上述实施方案中，锚杆1的制作方法是将一实心锚杆沿轴向截面互成120°加工为三个相等的凹槽，并将三个相等的凹槽打磨光滑，然后将相应的三条光纤光栅串整理平直置于打磨光滑的凹槽中，再用AB胶将光纤光栅串固定。
在上述实施方案中，所述受力锚杆1的凹槽结构是轴向近于封闭的矩形或圆型结构。
在上述实施方案中，所述锚杆锚固剂2是树脂锚固剂。
在上述实施方案中，所述AB胶用于受力锚杆1与光纤光栅3固定是将光纤光栅3置于受力锚杆1的凹槽中，在五分钟之内将混合后的AB胶填充于凹槽内的所有空间，之后静置10分钟初步凝固；同样对锚杆1的其他两个凹槽采用相同的方法进行设置固定，然后将制作好的锚杆1置于干燥通风的地方静置24小时以上，即可用于锚杆在钻孔中的受力测量。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明。
参阅附图1、附图2，在锚杆1表面开槽并如附图2所示方式布置三根光纤光栅3串并用AB胶将其固定，然后将其置于所测位置钻孔中并用锚杆锚固剂2以及垫板4、锚杆锁紧装置5将其固定在钻孔中。
然后如附图3受力分析图所示，锚杆1受到了一切应力F其为点应力。锚杆1受力发生弯曲光纤光栅3的栅距发生变化，从而导致光的波长发生变化，该信号被光纤传输至解调仪7记录并分析，从而得到每个光纤光栅3所在位置上锚杆1的应变情况。然后根据每个截面上三个光纤光栅3位置的应变。
根据每个截面上三个位置的应变情况可得到锚杆1在这五个截面位置的中性面弯曲半径以及其弯曲方向，由于该实例中已知锚杆1所受力为单一的切向的点应力F。现场将根据这五个角度分析锚杆所受力的方向。
然后根据附图3的受力分析图即可得到锚杆1受力弯曲的挠度方程为：
又有：
式中E为锚杆1的弹性模量；I为该锚杆1截面的惯性矩；l为锚杆1两个固定端之间的距离；a为锚杆1受力位置到锚杆1下侧固定端的距离且。
由于锚杆1所受为单一的点状切应力故靠近受力点位置的弯曲半径更小，故可知中最小的两个即为距离锚杆1受力位置上下两侧最近的光栅布置截面。这里我们取为最小的两个。
将以及带入上式，然后得一方程组。
为两个光纤光栅3截面相对锚杆1的位置坐标。
解此方程组即可得到该力F的大小，以及其施力点相对于锚杆1的位置坐标a，b。
综合以上即可得到该锚杆1所受切向力F的大小F，水平方向，以及该锚杆1的受力位置b。
并且将所得的F、b带入之前的挠度方程更可以得到此时锚杆的挠度曲线，即为锚杆此时的形状情况。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种利用光纤光栅测量锚杆侧向受力的方法，其特征在于：所述方法是利用包括锚杆（1）、锚杆锚固剂（2）、光纤光栅（3）、垫板（4）、锚杆锁紧装置（5）、光缆（6）、解调仪（7）构成的测量锚杆，并利用光纤光栅（3）对所述测量锚杆的侧向受力进行测量；
所述测量锚杆是锚杆（1）沿表面轴向截面互成120°加工三个凹槽，分别在每个凹槽中设置一光纤光栅串，每根光纤光栅串上等距对应设置有五个光纤光栅（3），每根光纤上对应光栅均在锚杆（1）的同一截面上，且每根光纤与解调仪（7）相连，然后用锚杆锚固剂（2）、垫板（4）及锁紧装置（5）将光纤光栅串固定在凹槽中，构成受力测量锚杆；
所述受力测量锚杆的测量方法是按下列步骤进行的：
1）将所述受力测量锚杆置入岩层内，当受力测量锚杆受到切向力或者轴向拉力时，锚杆（1）发生变形，设置在锚杆（1）凹槽中的光栅发生变化，其栅距发生变化导致中心波长变化；
2）通过光纤将光信号传输到解调仪（7），通过解调仪（7）将信号进行解调分析，即获得相应光纤光栅（3）位置锚杆（1）的应变情况；
3）获得锚杆所受轴向力时，锚杆受到轴向拉伸，即获得设置于锚杆上的光纤光栅（3）所在位置的应变情况，后分别将每个光纤光栅（3）所获得应变情况取均值的一锚杆上一点的应变，得截面应力然后根据公式，即得锚杆（1）所受轴向力F，其中：E是锚杆材质的弹性模量，S是锚杆的横截面面积；
4）获得锚杆（1）所受切向力时，根据光纤光栅（3）设置获得锚杆上五个截面三点的应变量，后根据每个截面三点的应变量，获得锚杆在五个截面位置中心线的曲率半径，以及表示该位置的弯曲方向角度，之后根据五个截面位置的弯曲情况判断锚杆（1）的切向方向受力情况，并根据锚杆（1）所处于的状态，得到该状态下的挠度方程；
其中：是锚杆在x位置锚杆切向变形量；再根据曲线的曲率半径方程，将所得的五个截面位置的曲率半径以及带入曲率半径方程，即得方程组求得锚杆（1）受力的位置及其大小，再通过判断锚杆的弯曲方向的角度得到锚杆（1）所受切向力的方向。
2.如权利要求1所述的利用光纤光栅测量锚杆侧向受力的方法，其特征在于：所述锚杆（1）的制作方法是将一实心锚杆（1）沿轴向截面互成120°加工为三个相等的凹槽，并将三个相等的凹槽打磨光滑，然后将相应的三条光纤光栅串整理平直置于打磨光滑的凹槽中，再用AB胶将光纤光栅串固定。
3.如权利要求1所述的利用光纤光栅测量锚杆侧向受力的方法，其特征在于：所述锚杆（1）的凹槽结构是轴向近于封闭的矩形或圆型结构。
4.如权利要求1所述的利用光纤光栅测量锚杆侧向受力的方法，其特征在于：所述锚杆锚固剂（2）是树脂锚固剂。
5.如权利要求1所述的利用光纤光栅测量锚杆侧向受力的方法，其特征在于：所述锚杆（1）与光纤光栅（3）的固定是将光纤光栅（3）置于受力锚杆（1）的凹槽中，在五分钟之内将混合后的AB胶填充于凹槽内的所有空间，之后静置10分钟初步凝固；同样对锚杆（1）的其他两个凹槽采用相同的方法进行设置固定，然后将制作好的锚杆（1）置于干燥通风的地方静置24小时以上，即可用于锚杆在钻孔中的受力测量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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