CN109883588A - 一种光纤光栅测力锚杆 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤光栅测力锚杆，其能够提高应力检测成功的几率，避免因光纤与锚杆进行纵向应变时，光纤极易被拉断。该光纤光栅测力锚杆包括杆本体、光纤和光纤光栅传感器。杆本体沿长度方向设有用于容纳光纤和光纤光栅传感器的置物槽。杆本体设置有用于将光纤光栅传感器固定在置物槽内的连接件，连接件位于置物槽内，且连接件的弹性模量大于杆本体的弹性模量。相同的应力下，弹性模量越大，产生的应变越小。与传统光纤光栅测力锚杆相比，当处于相同应力状态下时，由于连接件的弹性模量大于杆本体的弹性模量，可以有效地减小杆本体传递到光纤的应变，起到保护光纤和光纤光栅传感器的作用，提高应力测量的成功率。

Description

一种光纤光栅测力锚杆

技术领域

本发明涉及锚固技术领域，具体而言，涉及一种光纤光栅测力锚杆。

背景技术

光纤光栅测力锚杆传输采用光作为信息载体，在其传输过程中，在一些电信号无法到达的环境也可以达到较为理想的效果，被广泛应用于水利、交通、矿山等领域。与传统的锚杆相比，光纤光栅测力锚杆具有抗干扰能力强、测量精度高、稳定性更高等优点。目前，采用光纤光栅测力锚杆进行检测的技术已经趋于成熟。但是，在利用光纤光栅测力锚杆进行检测时，应力测量失败的几率较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤光栅测力锚杆，其能够提高应力检测成功的几率。

本发明的实施例是这样实现的：

一种光纤光栅测力锚杆，其包括杆本体、光纤和光纤光栅传感器。杆本体沿长度方向设有用于容纳光纤和光纤光栅传感器的置物槽。杆本体设置有连接件，且连接件位于置物槽内。连接件用于将光纤光栅传感器固定在置物槽内，连接件的弹性模量大于杆本体的弹性模量。

在本发明的一些实施例中，连接件的长度大于或等于光纤光栅传感器的长度。

在本发明的一些实施例中，连接件沿长度方向设有安装槽，光纤光栅传感器位于安装槽内。

在本发明的一些实施例中，连接件设置有用于将光纤光栅传感器封装于在安装槽内的密封件。

在本发明的一些实施例中，连接件包括矩形块，安装槽设置于矩形块。

在本发明的一些实施例中，光纤光栅传感器沿杆本体的长度方向间隔设置多个，且每个光纤光栅传感器均通过连接件固定在置物槽内。

在本发明的一些实施例中，杆本体设置有填充件，填充件用于将光纤固定在置物槽内。

在本发明的一些实施例中，杆本体周向间隔设有两个置物槽，每个置物槽内均容纳有光纤和光纤光栅传感器。

在本发明的一些实施例中，杆本体可拆卸设置有保护壳，保护壳用于封闭或打开置物槽。

在本发明的一些实施例中，保护壳远离置物槽的一侧设置有防腐层。

本发明实施例至少具有如下优点或有益效果：

本发明提供一种光纤光栅测力锚杆，其能够提高应力检测成功的几率，避免因光纤与锚杆进行纵向应变时，光纤极易被拉断。该光纤光栅测力锚杆包括杆本体、光纤和光纤光栅传感器。杆本体沿长度方向设有用于容纳光纤和光纤光栅传感器的置物槽。杆本体设置有用于将光纤光栅传感器固定在置物槽内的连接件，连接件位于置物槽内，且连接件的弹性模量大于杆本体的弹性模量。相同的应力情况下，弹性模量越大，产生的应变越小。原有光纤光栅测力锚杆在不加连接件的情况下，光纤与锚杆直接紧贴在一起进行纵向应变时，由于锚杆的应变过大，很容易造成锚杆应变还来不及测出就使光纤被拉断。在相同应力状态下，由于连接件的弹性模量大于杆本体的弹性模量，将光纤光栅传感器所在部分紧贴在连接件上，同时也使得光纤与杆本体不会像传统的光纤光栅测力锚杆那样直接紧贴接触，可以有效地减小杆本体传递到光纤的应变，起到保护光纤和光纤光栅传感器的作用，提高应力测量的成功率。

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为本发明实施例提供的光纤光栅测力锚杆的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的杆本体上光纤和光栅光纤传感器连接处的示意图；

图3为图2的Ⅱ-Ⅱ截面剖视图。

图4为本发明实施例提供的连接件的结构示意图。

图标：100-光纤光栅测力锚杆；112-杆本体；114-光纤；116-光纤光栅传感器；118-置物槽；120-连接件；122-安装槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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。

在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

请参照图1，图1所示为光纤光栅测力锚杆100的结构示意图。本实施例提供一种光纤光栅测力锚杆100，主要用于水利、交通、矿山等领域。与传统的锚杆相比，光纤光栅测力锚杆100具有测量精度高、抗干扰能力强、寿命长等优点。

光纤光栅测力锚杆100主要包括杆本体112、光纤114和光纤光栅传感器116。光纤114和光纤光栅传感器116位于杆本体112内，光纤114与光纤光栅传感器116信号连接。

请参考图2和图3，图2所示为杆本体112上光纤114和光纤光栅传感器116连接处的示意图，图3所示为图2的Ⅱ-Ⅱ截面剖视图。

杆本体112采用常见的测力锚杆。杆本体112可以是实心杆体，当然，其他实施例中也可以采用空心杆体，并可以通过后期注浆的方式来提高锚杆的锚固能力。进一步地，由于杆本体112埋在岩土体中，工作条件十分恶劣，为了延长杆本体112的使用寿命，可以在杆本体112外设置防腐层(图中未示出)，从而有效防止在工作过程中杆本体112被腐蚀。

如图1所示，杆本体112沿长度方向设有用于容纳光纤114和光纤光栅传感器116的置物槽118，置物槽118贯穿整个杆本体112。置物槽118的尺寸可以根据用户在使用时的实际情况进行设计，例如本实施例中置物槽118宽4mm，深4mm，当然，其他实施例也可以是其他尺寸，例如宽2mm，深3mm。置物槽118可以通过铣型(铣床成形)的方式设置。本实施例中，置物槽118采用U形槽，当然，其他实施例也可以采用其他形状，例如弧形槽、半圆形槽、W形槽等。进一步地，为了使测量结果更加准确，可以在杆本体112上周向间隔开设两个置物槽118，每个置物槽118内均容纳有光纤114和光纤光栅传感器116。当用户在对测量结果进行分析或计算时，可以通过对比两个置物槽118内的光纤光栅传感器116反馈的测量结果分析得出更准确的测量值。同时，如果其中一个置物槽118内的光纤114或光纤光栅传感器116受到损害，另一个置物槽118内的光纤114及光纤光栅传感器116也可以保证测量的正常进行。

杆本体112设置有连接件120，连接件120位于置物槽118内，连接件120用于将光纤光栅传感器116固定在置物槽118内，且连接件120的弹性模量大于杆本体112的弹性模量。当处于相同的应力状态下，弹性模量越大，应变越小。原有光纤光栅测力锚杆在不加连接件120的情况下，光纤与锚杆直接紧贴在一起进行纵向应变时，由于锚杆的应变过大，很容易造成锚杆应变还来不及测出就使光纤被拉断。在相同应力状态下，由于连接件120的弹性模量大于杆本体112的弹性模量，将光纤光栅传感器116所在部分紧贴在连接件120上时，可以有效地减小杆本体112传递到光纤114的应变，起到保护光纤114和光纤光栅传感器116的作用，提高应力测量的成功率。

本实施例中，例如杆本体112可以采用弹性模量为140～154GPa的球墨铸铁材料，连接件120可以采用弹性模量为196～206GPa的碳钢，当然，其他实施例也可以采用其他材料，只要保证连接件120的弹性模量大于杆本体112的弹性模量即可达到相较于传统光纤光栅测力锚杆提高应力测量成功几率的目的。一般可以要求连接件120的弹性模量比杆本112弹性模量至少大2GPa，例如杆本体112采用弹性模量为172～202GPa的铸钢材料，连接件120采用弹性模量为196～206GPa的碳钢材料。连接件120的长度可以大于或等于光纤光栅传感器116的长度。进一步地，为了能更好的保护到连接件120，连接件120表面还可以设置有防腐层(图中未示出)，防止在使用过程中连接件120外表面被腐蚀，从而导致其弹性模量的损失，进而影响应力测量的进行。本实施例中连接件120为矩形块，当然，其他实施例也可以是其他形状，例如正方形块、菱形块、球形块等。

请参考图3和图4，图4所示为连接件120的结构示意图。连接件120沿长度方向设置有安装槽122，光纤光栅传感器116位于安装槽122内。本实施例中安装槽122开设在连接件120的上方，当连接件120位于置物槽118内时，安装槽122的开口朝上，这样可以使用户在将光纤光栅传感器116放入安装槽122内时更方便和快捷，如图3所示。由于裸光纤光栅(图中未示出)特别纤细和脆弱，直接作为传感器无法达到预期的效果，需要对其进行封装处理。为了防止安装槽122开口处的转角和槽壁部分将裸光纤光栅划断，可以通过砂纸打磨转角处和槽壁以后达到一定光滑度的要求。其他实施例中，安装槽122也可以开设在连接件120的下方，当连接件120位于置物槽118内时，安装槽122的开口朝下，这样的开设方式可以使光纤114更稳定的固定在安装槽122内。为了防止裸光纤光栅被划断，可同时对置物槽118的底壁和安装槽122转角处及其槽壁用砂纸进行打磨。当然，其他实施例中也可以不采用打磨的方式，例如在安装槽122开口处的转角处和槽壁粘贴一层柔性材料，例如泡沫、橡胶、海绵等，也能避免裸光纤光栅的损坏。在封装过程中，可以使用粘接剂将裸光纤光栅固定在安装槽122内，粘结剂可以是环氧胶，也可以是树脂胶。本实施例中安装槽122的形状为半圆形槽，当然，其他实施例也可以是其他形状，例如方形槽、U形槽、V形槽。

进一步地，为了更好地保证光纤光栅传感器116与连接件120贴合，以达到用户所需要的应力测量效果，连接件120还设置有将光纤光栅传感器116封装与于安装槽122内的密封件(图中未示出)，密封件起到防尘、防渗的密封作用。密封件可以是硅胶片，也可以是其他材料，如玻璃片。密封件与连接件120可以通过胶粘剂进行粘贴，胶粘剂的类型可以是环氧树脂类，当然，也可以是其他类型，例如聚氨酯类、甲醇类、聚丙烯酸酯类等。

杆本体112设置有填充件(图中未示出)，填充件用于将光纤114固定在置物槽118内。本实施例中填充件采用树脂填充层，其具有很好的粘粘性和密封性，绝缘性能好且安全环保，当然，其他实施例也可以采用其他材料，例如硅胶材料。当用户使用填充件进行填充后，光纤114被填充件完全包裹，使得光纤114与杆本体112间隔开。填充件的设置可以避免光纤114直接与杆本体112直接接触导致光纤114极易受到破坏，从而影响应力测量的成功率。

杆本体112还设置有用于打开或封闭置物槽118的保护壳(图中未示出)，保护壳与杆本体112可以是可拆卸连接，也可以是转动连接，保护壳设置在置物槽118上方。由于光纤光栅测力锚杆100所处的测量环境十分恶劣，保护壳的设置可以更好地保护到光纤114和光纤光栅传感器116。当用户需要在置物槽118内放入光纤114和光纤光栅传感器116时，打开保护壳进行封装即可。封装完成后，将保护壳盖上，此时，置物槽118处于封闭状态。保护壳可以选用与杆本体112弹性模量相同的材料制成，也可以选用比杆本体112弹性模量大的材料制成。本实施例中，保护壳与杆本体112通过螺栓、螺钉可拆卸连接，当然，其他实施例也可以采用其他方式连接，例如通过设置转动轴实现保护壳与杆本体112转动连接。

保护壳远离置物槽118的一侧设置有防腐层。由于保护壳与杆本体112处于同样恶劣的测量环境，防腐层的设置可以避免保护壳远离置物槽118的一侧被外部环境所腐蚀，更好地保护置物槽118内的光纤114和光纤光栅传感器116。本实施例中，防腐层采用KN22高分子陶瓷材料，当然，其他实施例中也可以采用其他材料，例如KN17高分子陶瓷材料。

请参考图1和图2，本实施例中光纤光栅传感器116沿杆本体112长度方向间隔设置有3个，每个光纤光栅传感器116通过光纤114串联在一起。每个光纤光栅传感器116均通过连接件120固定在置物槽118内，当然，其他实施例中光纤光栅传感器116的数量也可以是其他，例如4个、5个、6个。多个光纤光栅传感器116可形成了多个测力点，方便用户测出每个测力点所受力的大小，再根据实际情况进行灾害预警或及时作出相应的调整。本实施例中光纤光栅传感器116采用市面上常见的光纤光栅传感器，当周围的应力、应变或其他物理量发生变化时，其会产生光纤信号的波长漂移，通过测出波长漂移的情况，即可测出所需要测量的物理量的变化情况。区别于传统的电阻应变计式传感器，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、传输损耗小、耐腐蚀性佳等优点，同时还具有实现多点复用、多参量分布式区分测量的独特优势，满足了用户对传感器高精度、远距离、长期性的要求。

光纤光栅测力锚杆100的工作原理是：

光纤光栅测力锚杆100主要包括杆本体112、光纤114和光纤光栅传感器116。杆本体112沿长度方向设有用于容纳光纤114和光纤光栅传感器116的置物槽118，杆本体112还设置有用于封装光纤光栅传感器116的连接件120，连接件120位于置物槽118内，且连接件120的弹性模量大于杆本体112的弹性模量。相比于目前市面上常见的光纤光栅测力锚杆，设置连接件120的好处在于：相同的应力下，弹性模量大的材质应变小，因此传递给光栅的应变也会减小，起到保护光纤114和光纤光栅传感器116的作用，从而达到提高应力测量成功率的目的。

测量之前先用光纤光栅测力锚杆100通过实验或仿真模拟实验，将杆本体112两端进行缓慢拉伸直到拉断，可以得出两条受力变化曲线。一条曲线是杆本体112随时间所受的拉力不断变化的曲线；另一条是连接件120随时间受置物槽118两侧不断挤压而变形拉长，造成紧贴在连接件120上的光纤光栅传感器116被同步拉长，并经过解调得出的光纤光栅中心波长漂移量变化曲线。这两条曲线是随时间同步变化的曲线，在每个时间点都可以找到对应的两个值，由此可以在同一坐标系下绘制出随时间变化的两条同步变化曲线图。

在使用光纤光栅测力锚杆100进行测量时，通过置物槽118两侧对连接件120的挤压，使连接件120与封装在连接件120上的光纤光栅传感器116一起拉长，由光纤光栅传感器116反馈出其受到的均匀轴向应力(或应变)时的中心波长漂移量；再通过对比上述实验得出的同步变化曲线图，由工作现场传出的中心波长漂移量找出杆本体112所受的应力值。

本实施例中针对常规设置未详细描述之处，均可以参照现有光纤光栅测力锚杆的结构。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种光纤光栅测力锚杆，其特征在于，包括杆本体、光纤和光纤光栅传感器，所述杆本体沿长度方向设有用于容纳所述光纤和所述光纤光栅传感器的置物槽，所述杆本体设置有连接件，且所述连接件位于所述置物槽内，所述连接件用于将所述光纤光栅传感器固定在所述置物槽内，所述连接件的弹性模量大于所述杆本体的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅测力锚杆，所述连接件的长度大于或等于所述光纤光栅传感器的长度。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅测力锚杆，所述连接件沿长度方向设有安装槽，所述光纤光栅传感器位于所述安装槽内。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅测力锚杆，所述连接件设置有用于将所述光纤光栅传感器封装于在所述安装槽内的密封件。

5.根据权利要求3所述的光纤光栅测力锚杆，所述连接件包括矩形块，所述安装槽设置于所述矩形块。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光纤光栅测力锚杆，所述光纤光栅传感器沿所述杆本体的长度方向间隔设置多个，且每个所述光纤光栅传感器均通过所述连接件固定在所述置物槽内。

7.根据权利要求1-5任一项所述的光纤光栅测力锚杆，所述杆本体设置有填充件，所述填充件用于将所述光纤固定在所述置物槽内。

8.根据权利要求1-5任一项所述的光纤光栅测力锚杆，所述杆本体周向间隔设有两个所述置物槽，每个所述置物槽内均容纳有所述光纤和所述光纤光栅传感器。

9.根据权利要求1-5任一项所述的光纤光栅测力锚杆，所述杆本体可拆卸设置有保护壳，所述保护壳用于封闭或打开所述置物槽。

10.根据权利要求9所述的光纤光栅测力锚杆，所述保护壳远离所述置物槽的一侧设置有防腐层。