CN109838259B - 一种光电耦合传感智能支护锚杆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锚固测量技术领域，提供一种光电耦合传感智能支护锚杆系统。所述支护锚杆系统从上至下依次包括上托板、弹性元件和下托板，所述弹性元件的两端分别与上托板和下托板固定连接；还包括若干压柱对，若干所述压柱对分别设置于上托板和下托板的对应位置；所述压柱对之间还设置有光电耦合传感器，所述光电耦合传感器上还连接有警示装置。本发明的光电耦合传感器将力转化为光信号和电信号并传输至警示装置，实现支护锚杆应力预警；本发明系统实现了光电耦合同时输出监控，可多模块同时嵌入，实现了地层内部不同应力的实时监控和多信号输出，安全可靠，成本低廉，可实现锚杆支护、预警和内应力监控一体化作业。
Description
技术领域
本发明属于锚固测量技术领域，更具体地，涉及一种光电耦合传感智能支护锚杆系统。
背景技术
锚杆是一种抗拉强度强于岩土层的杆体，它一端与岩土层内部相互粘接形成摩擦阻力，另一端裸露在外通过安装垫圈、托盘与螺母对杆体施加拉力并将锚杆头处的拉力传至锚固体的区域，其功能是对锚杆施加预应力。锚杆作为加固巷道围岩的重要用具，其受力状态对于衡量其工作稳定状况具有重要的意义，因此众多锚杆应力计被研发出来。
现有技术中应用较为普遍的锚杆应力计由手压泵、千斤顶、传感器及数显仪表共同组成，该方法虽然可以准确的测量锚杆所受拉力，但是其有三个明显不足：一是其安装工序复杂，该锚杆应力计的安装需要有专人负责并按照严格的程序进行操作，耗费较多人力与时间；二是其不作为锚杆支护本身零件的一部分对锚杆支护产生一定的影响，尤其是限制了锚杆的纵向变形进而限制围岩产生适量变形，由于围岩不能产生适当变形而不可能有效的释放一定的应力，这种围岩应力持续增高对围岩稳定性构成严重威胁；第三造价昂贵，每一个锚杆应力计是一根普通锚杆的十倍左右，而配套的安装仪器更是锚杆的数十倍，如此高昂的价格决定其工程应用中不可能全部锚杆都配套安装。这就限制了对工程应用中所有锚杆的有效监测进而限制区域性围岩应力变化的有效监测。
力致发光是指材料在摩擦、挤压、拉伸、碰撞等机械刺激下所表现出的一种发光现象。相比传统的光致发光或电致发光材料，力致发光材料可以利用日常生活中无处不在的机械能作为激发源，从而避免了人工产生光/电激发源的需求，有望作为新一代节能、环保和可持续的发光材料在照明、显示、成像和智能传感等领域实现应用。目前，尚未见将力致发光材料应用于支护锚杆应力计领域的相关报道。
发明内容
针对现有技术中支护锚杆应力计的不足，本发明的目的在于提供一种新型光电耦合传感智能支护锚杆系统，所述支护锚杆系统实现了光电耦合同时输出监控，可多模块同时嵌入，实现了地层内部不同应力的实时监控和多信号输出，而且结构简单、成本低廉。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种光电耦合传感智能支护锚杆系统，从上至下依次包括上托板、弹性元件和下托板，所述弹性元件的两端分别与上托板和下托板固定连接；所述上托板和下托板的对应位置均设置有轴向管体，当上托板和下托板安装时，上下托板的轴向管体形成支护锚杆通道；
还包括若干压柱对，若干所述压柱对分别设置于上托板和下托板的对应位置，每个所述压柱对之间存在不同大小的配合间隙；所述压柱对之间还设置有光电耦合传感器，用于将力转化为光信号和电信号，所述光电耦合传感器上还连接有警示装置，在支护锚杆受力情况不同时发出不同颜色的光，起到警示作用。
本发明的光电耦合传感智能支护锚杆系统受到压力后，上下托板之间的弹性元件产生相应的弹性形变，直到设置于压柱对之间的光电耦合传感器受力，本发明的光电耦合传感器能将力同时转化为光信号和电信号，并将光信号和电信号传输至警示装置，实现支护锚杆应力预警的目的；本发明的系统实现了光电耦合同时输出监控，可多模块同时嵌入，安全可靠、成本低廉，实现锚杆支护、预警和内应力监控一体化作业。
本发明通过压柱对不同大小的配合间隙，以及与之连接的不同颜色指示灯，使得光电耦合传感智能支护锚杆系统在受到不同压力时发出不同颜色的光，有利于得到稳定的支护锚杆锚固力。
进一步地，所述光电耦合传感器由力致发光材料和导电膜组成，所述导电膜固定设置于力致发光材料的上下表面，用于传输力致发光材料产生的电流信号。
更进一步地，所述力致发光材料为稀土元素掺杂的钛酸铅、水晶、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铌酸锂、钽酸锂中任意一种。
更进一步地，所述稀土元素为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、钇中至少一种。
进一步优选地，所述力致发光材料为掺镨铌酸锂晶体。
进一步优选地，所述导电膜为铜膜、铝膜、金膜、银膜或石墨烯涂层中任意一种。
所述力致发光材料采用本领域现有可实现的技术手段制备得到。
更进一步地，本发明同时提供所述的优选制备方法如下：在纯度为99.99％的Li2CO3和Nb2O5中加入1mol的Pr2O3，Li2CO3和Nb2O5的加入量摩尔比为1:1，在150～200℃下烘干；然后充分研磨混合均匀，将混匀后的原料压实后，在800～900℃下保温2小时，最后在1000～1100℃下煅烧2～10小时，得到掺镨铌酸锂多晶粉体；将掺镨铌酸锂多晶粉体缓慢加热升温至粉体开始熔化，再继续升温20～40℃后，保温一段时间直至粉体全部变为透明熔体为止；将上述透明熔体依次经过引颈、放肩、等径、提拉工序，得到掺镨铌酸锂晶体，其中，在提拉过程中，拉速为1～3mm/h、转速为8～11转/min。
进一步地，所述警示装置包括第一警示装置和第二警示装置。
更进一步地，所述第一警示装置为多个指示灯，多个所述指示灯产生不同颜色的光，所述指示灯两端通过导线分别与所述光电耦合传感器进行电连接。
更进一步地，所述第二警示装置包括光纤，所述光纤一端还设置有探头，所述光纤的另一端还连接有接收装置，用于接收光纤传导的光信号；所述探头置于光电耦合传感器中，用于将受压产生的光信号传输至接收装置；所述接收装置包括依次电连接的光敏二极管、固态继电器、报警LED灯和开关自锁电路。
本发明的光电耦合传感器属于力致发光材料，一方面，当支护锚杆受到压力时，弹性元件压缩变形，从而使得设置于每个压柱对之间的力致发光材料受到压力作用，力致发光材料受压后在其上下表面产生电压差，从而产生电流，上述电流通过设置于上下表面的导电膜及导线传输至第一警示装置，通过发出不同颜色的光起到警示作用；另一方面，力致发光材料受力后会在材料内部产生电场，从而激发掺杂的稀土元素发光，产生的光信号通过光纤传输至与其连接的外接电路上，进而起到报警的作用。
进一步地，所述压柱对包括第一压柱对和第二压柱对。
更进一步地，所述第一压柱对和第二压柱对分别设置于轴向管体两侧，所述第一压柱对之间的间隙比第二压柱对之间的间隙小。
为了有效节约空间，进一步地，所述弹性元件为若干C型弹簧。本发明可以通过阵列增加C型弹簧的数量，从而增加该光电耦合传感智能支护锚杆系统的变形刚度，扩大测力量程。
优选地，所述C型弹簧为两个，两个所述C型弹簧分别设置于轴向管体的两侧。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的光电耦合传感智能支护锚杆系统受到压力后，上下托板之间的弹性元件产生相应的弹性形变，直到设置于压柱对之间的光电耦合传感器受力，本发明的光电耦合传感器能将力同时转化为光信号和电信号，并将光信号和电信号传输至警示装置，实现支护锚杆应力预警的目的；本发明的系统实现了光电耦合同时输出监控，可多模块同时嵌入，安全可靠、成本低廉，实现锚杆支护、预警和内应力监控一体化作业。
本发明填补力致发光材料在支护锚杆应力计上的技术空白，采用力致发光材料作为光电耦合传感器，一方面，力致发光材料受压后在其上下表面产生电压差，从而产生电流，通过导电膜及导线传输至第一警示装置，通过发出不同颜色的光起到警示作用；另一方面，力致发光材料受力后本身会发光，产生的光信号通过光纤传输至与其连接的外接电路上，进而起到报警的作用；实现了与地层内部不同应力的实时监控和多信号输出，起到双重预警作用，安全可靠。
本发明在光电耦合传感智能支护锚杆系统上设置警示装置，并设置不同配合间隙的压柱对，以及与之连接的不同颜色指示灯，使得光电耦合传感智能支护锚杆系统在受到不同压力时发出不同颜色的光，有利于得到稳定的支护锚杆锚固力，为判明支护锚杆受力状态提供有力技术支撑，安全可靠。
本发明的光电耦合传感智能支护锚杆系统还可以借助弹性元件实现一定的围岩变形而克服传统锚杆应力计不能让围岩产生可控变形释放一定应力的缺陷。
本发明提供的光电耦合传感智能支护锚杆系统具有价格低廉，结构简单，使用方便，安全系数高等特点。
附图说明
图1为实施例1中光电耦合传感智能支护锚杆系统的结构示意图；
图2为实施例1中光电耦合传感智能支护锚杆系统的局部结构示意图；
图3为实施例1中光电耦合传感智能支护锚杆系统的局部结构示意图；
其中，1-上托板，100-红色LED指示灯，2-弹性元件，200-黄色LED指示灯，3-下托板，4-支护锚杆，5-垫片，6-锁紧螺母，7-压柱对，71-第一压柱对，72-第二压柱对，8-警示装置，81-第一警示装置，82-第二警示装置，9-光电耦合传感器，91-力致发光材料，92-导电膜，10-导线，11-光纤，12-接收装置，121-光敏二极管，122-固态继电器，123-报警LED灯，124-开关自锁电路。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1
如图1～3所示，本实施例提供一种光电耦合传感智能支护锚杆系统，该光电耦合传感智能支护锚杆系统从上至下依次包括上托板1、弹性元件2和下托板3，弹性元件2的两端分别与上托板1和下托板3固定连接，优选地，本实施例的弹性元件2可以通过螺栓与上下托板3实现固定连接；本实施例的支护锚杆系统上还可安装有垫片5，垫片5通过螺栓固定设置于上托板1上，螺栓固定连接属于常规现有技术，本实施例中虽然只示出其中一个螺栓，但并不代表其他几处没有螺栓。
本实施例的上托板1和下托板3具有相同的结构，均呈“T”字型，“T”字型的竖向部分相对设置，且上托板1和下托板3在其竖向部分的对应位置均开设有轴向管体，上托板1和下托板3在“T”字型的横向部分相互平行，当安装上托板1和下托板3时，上下托板的轴向管体形成支护锚杆4通道，支护锚杆4依次穿过垫片5、上托板1、下托板3，支护锚杆4通过锁紧螺母6与上托板1固定连接，并将压力传导在光电耦合传感智能支护锚杆系统上托板1端面上。
弹性元件2优选为若干C型弹簧。本发明使用C型弹簧作为弹性元件2有利于节约空间，而且通过阵列来增加C型弹簧的数目，可增加该光电耦合传感智能支护锚杆系统的变形刚度，从而扩大测力量程范围。本实施例优选为六个C型弹簧，均匀分别设置于轴向管体周围。
本实施例提供的光电耦合传感智能支护锚杆系统还包括若干压柱对7，若干压柱对设置于上托板1和下托板3的对应位置，压柱对包括上压柱和下压柱，上压柱设置于上托板1，下压柱设置于下托板3，上压柱和下压柱一一对应设置；每个压柱对7之间均存在不同大小的配合间隙。本实施例优选为设置两个不同配合间隙的压柱对，即第一压柱对71和第二压柱对72，第一压柱对71包括第一上压柱和第一下压柱，第二压柱对72包括第二上压柱和第二下压柱，其中第一压柱对71和第二压柱对72分别设置于轴向管体的两侧，第一压柱对71之间的配合间隙小于第二压柱对72之间的配合间隙。
本实施例的支护锚杆系统还包括光电耦合传感器9，光电耦合传感器9设置于压柱对7之间，用于将力转化为光信号和电信号，本实施例优选为将光电耦合传感器9固定设置于下压柱上，可以采用常规方法固定，本实施例采用将光电耦合传感器9直接粘接于下压柱上；本实施例的光电耦合传感器9由力致发光材料91和导电膜92组成，其中，导电膜92分别固定设置于力致发光材料91的上下表面，用于传输力致发光材料91产生的电流信号，本实施例中可以采用常规方法将导电膜92固定于力致发光材料91上下表面，如直接采用镀膜方法；上述力致发光材料91可以为稀土元素掺杂的钛酸铅、水晶、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铌酸锂、钽酸锂中任意一种，稀土元素为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、钇中至少一种，本实施例的力致发光材料91优选为掺镨铌酸锂晶体；本实施例的导电膜可以为铜膜、铝膜、金膜、银膜或石墨烯涂层中任意一种，本实施例优选为铜膜。
本实施例同时提供上述掺镨铌酸锂晶体的优选制备方法，具体步骤如下：在纯度为99.99％的Li2CO3和Nb2O5中加入1mol的Pr2O3，Li2CO3和Nb2O5的加入量摩尔比为1:1，在180℃下烘干以去除水分；然后在刚玉研钵中充分研磨混合均匀，将混匀后的原料转移到铂金坩埚内压实后，在800℃下保温2小时，最后在1000℃下煅烧5小时，得到掺镨铌酸锂多晶粉体；将盛放掺镨铌酸锂多晶粉体的铂金坩埚放到单晶生长炉中缓慢加热升温至粉体开始熔化后，再继续升温30℃，保温至粉体全部变为透明熔体为止；将上述透明熔体依次经过引颈、放肩、等径、提拉工序，得到掺镨铌酸锂晶体，其中，在提拉过程中，拉速为3mm/h、转速为10转/min。
本实施例中的光电耦合传感器9包括第一传感器和第二传感器，其中，第一传感器置于第一压柱对71之间，第二传感器置于第二压柱对72之间。
本实施例的光电耦合传感器9上还连接有警示装置8，在支护锚杆受力情况不同时发出不同颜色的光，起到警示作用。本实施例的警示装置包括第一警示装置81和第二警示装置82，其中，本实施例的第一警示装置81优选为多个指示灯，多个指示灯产生不同颜色的光，指示灯两端通过导线10分别与设置于力致发光材料上下表面的导电膜进行电连接；本实施例的指示灯优选为红色LED指示灯100和黄色LED指示灯200，两种颜色的指示灯均设置于支护锚杆系统的外围空间，其中红色LED指示灯100两端通过导线10分别与第一传感器的上下导电膜进行电连接，黄色LED指示灯200两端通过导线10分别与第二传感器中的上下导电膜进行电连接。
如图3所示，本实施例的第二警示装置82包括光纤11，用于传输受压产生的光信号，光纤11一端设置有探头，所述探头置于光电耦合传感器中，优选地，本实施例将探头采用常规方法置于力致发光材料中；光纤11的另一端还连接有接收装置，用于接收光纤11传导的光信号；所述接收装置12包括依次电连接的光敏二极管121、固态继电器122、报警LED灯123和开关自锁电路124；当过载压力产生的光信号通过光纤11传输至接收装置12后，使得光敏二极管121导通，控制固态继电器122导通并为报警LED灯123供电，使报警LED灯124常亮，实现报警的目的。
本实施例支护锚杆系统的使用方法及工作原理如下：
将支护锚杆4依次穿过垫片5、上托板1和下托板3，支护锚杆4一端与上托板1通过锁紧螺母6固定连接，另一端通过下托板3端面固定于地面上或其它物理场景平面上。
初始状态下，支护锚杆4不受力，C型弹簧处于正常状态，上压柱与光电耦合传感器9处于非接触状态；支护锚杆4开始受力，C型弹簧压缩变形，当其变形量达到某一较低峰值时，使第一压柱对71之间的配合间隙缩小，直至第一上压柱与第一传感器中的力致发光材料91上表面处于接触状态，一方面，力致发光材料91受压后本身发光，通过与之连接的光纤11传输光信号至接收装置12，起到警示作用，另一方面，力致发光材料受压后同时在其上下表面产生压差，以此产生电流通过上下导电膜和导线10传输至指示灯，使设置在外围空间的红色LED指示灯100启亮，同时起到警示作用；支护锚杆4继续受力，C型弹簧进一步压缩变形，当C型簧的变形量达到某一较大峰值时，使第一上压柱与第一传感器的力致发光材料持续接触，且第二上压柱与第二传感器的力致发光材料开始接触，两处力致发光材料均受压后本身发光，分别通过与之连接的光纤11传输光信号至接收装置12，起到警示作用，力致发光材料受压后同时在上下表面产生压差，产生的电流分别通过导电膜92和导线10传输至指示灯，使设置在外围空间的红色LED指示灯100和黄色LED指示灯200启亮，同样起到警示作用。
本发明的光电耦合传感智能支护锚杆系统受到压力后，上下托板之间的弹性元件产生相应的弹性形变，直到设置于压柱对之间的光电耦合传感器受力，本发明的光电耦合传感器能将力同时转化为光信号和电信号，并将光信号和电信号传输至警示装置，实现支护锚杆应力预警的目的；本发明的系统实现了光电耦合同时输出监控，可多模块同时嵌入，安全可靠、成本低廉，实现锚杆支护、预警和内应力监控一体化作业。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种光电耦合传感智能支护锚杆系统，其特征在于，从上至下依次包括上托板、弹性元件和下托板，所述弹性元件的两端分别与上托板和下托板固定连接；所述上托板和下托板的对应位置均设置有轴向管体，当上托板和下托板安装时，上下托板的轴向管体形成支护锚杆通道；
还包括若干压柱对，若干所述压柱对分别设置于上托板和下托板的对应位置，每个所述压柱对之间存在不同大小的配合间隙；所述压柱对之间还设置有光电耦合传感器，用于将力转化为光信号和电信号，所述光电耦合传感器上还连接有警示装置，在支护锚杆受力情况不同时发出不同颜色的光，起到警示作用；所述光电耦合传感器由力致发光材料和导电膜组成，所述导电膜固定设置于力致发光材料的上下表面，用于传输力致发光材料产生的电流信号；
所述警示装置包括第一警示装置和第二警示装置；
所述第一警示装置为多个指示灯，多个所述指示灯产生不同颜色的光，所述指示灯两端通过导线分别与所述光电耦合传感器进行电连接；
所述第二警示装置包括光纤，用于传输受压产生的光信号；所述光纤一端设置有探头，所述探头置于光电耦合传感器中；所述光纤的另一端还连接有接收装置，用于接收光纤传导的光信号；所述接收装置包括依次电连接的光敏二极管、固态继电器、报警LED灯和开关自锁电路；
所述压柱对包括第一压柱对和第二压柱对；
所述第一压柱对和第二压柱对分别设置于轴向管体两侧，所述第一压柱对之间的间隙比第二压柱对之间的间隙小。
2.根据权利要求1所述光电耦合传感智能支护锚杆系统，其特征在于，所述力致发光材料为稀土元素掺杂的钛酸铅、水晶、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铌酸锂、钽酸锂中任意一种。
3.根据权利要求2所述光电耦合传感智能支护锚杆系统，其特征在于，所述力致发光材料为稀土元素掺杂的铌酸锂。
4.根据权利要求3所述光电耦合传感智能支护锚杆系统，其特征在于，所述稀土元素为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、钇中至少一种。
5.根据权利要求1～4任一项所述光电耦合传感智能支护锚杆系统，其特征在于，所述弹性元件为若干C型弹簧。
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