CN110285900A - 一种fbg测力锚杆的测力方法 - Google Patents
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Abstract
一种FBG测力锚杆的测力方法，属于锚杆监测技术领域，可解决现有锚杆监测装置存在的监测准确度不稳定，安装复杂的问题，该测力锚杆由锚杆、锚杆锚固剂、FBG光栅、光纤连接线、垫板、锚杆锁紧装置组成。锚杆表面沿轴向截面互成120°方向打磨有三条凹槽，在凹槽中布置有光纤光栅串，且沿锚杆长度方向等距布置有五个FBG传感器。FBG全称为Fiber Bragg Grating，即为光纤布拉格光栅。该测力锚杆采用FBG作为智能传感元件，不仅可以检测锚杆所受轴向载荷的情况，同时也可检测锚杆所受径向载荷的情况。本发明装置结构简单、安装方便、准确度高、稳定性好。
Description
技术领域
本发明属于锚杆监测技术领域，具体涉及一种FBG测力锚杆的测力方法。
背景技术
锚杆支护应用于煤矿以来，经过大量的实践应用表明，该方法是最经济有效的。然而因为锚杆支护是隐蔽性工程，地下岩体的应力分布很难预先得知，影响到岩体稳定性的因素也很复杂。由于锚杆的支护期较长，随着时间的推移在上述相关因素的共同影响下导致围岩中锚杆的应力发生剧烈或缓慢的变化。若锚杆所承受的应力超过了锚杆本身所能承受的极限，则会导致锚杆的失效甚至断裂，进一步有可能导致巷道塌方，造成严重的安全事故。为了切实有效的避免安全事故，提高锚固工程的稳定和巷道安全，对锚杆所受应力状况的监测十分必要。
现阶段对于锚杆的监测装置主要有电阻应变片锚杆装置、钢弦式测力锚杆、活塞式锚杆轴力监测装置、液压枕式锚杆轴力监测装置。其中电阻应变片锚杆装置是通过锚杆受力与输出的电压信号应变关系曲线来获知锚杆在支护工作中受力的大小，这种利用电阻应变片来监测锚杆受力的监测方法，容易由于应变片的电阻值过低产生的电流热效应致使环氧树脂胶在粘贴时凝固不均导致应变的测量误差，以及锚杆支护巷道的潮湿环境等相关因素电阻应变片的阻值很难保持稳定等相关问题，都会影响监测的准确性；钢弦式测力锚杆是通过转换应力计对应的钢弦频率变化来获得锚杆杆体各段轴力大小，这种测力锚杆的成本过高且其需要大规模线路安装，难以做到防水防爆；活塞式锚杆轴力监测装置是通过观察压敏显色剂受到压力后显色范围的改变来判断锚杆所受轴力的大小，这种装置的结构复杂加工要求高，且通过肉眼观察可能会导致测量结果的不准确；液压枕式锚杆轴力监测装置是通过观测钢弦式压力-频率转换器在经过液压枕受力后转换出的频率信号来获得对应的锚杆轴力，这种装置结构复杂不易操作，且无法实现对锚杆质量的大规模有效检测。
发明内容
本发明针对现有锚杆监测装置存在的监测准确度不稳定，安装复杂的问题，提供一种FBG测力锚杆的测力方法。
本发明采用如下技术方案：
一种FBG测力锚杆的测力方法，包括如下步骤：
第一步，制作测力锚杆，在锚杆的表面沿轴向设置三个凹槽，凹槽深度为1.5mm，宽度为2mm，三个凹槽沿轴向截面互成120°夹角，距离锚杆的两端20cm处分别设置标记Ⅰ，两个标记Ⅰ之前等间距设置三个标记Ⅱ，标记Ⅰ和标记Ⅱ处分别设置FBG传感器，凹槽内分别设置FBG光栅，FBG光栅上分别等间距设置5个FBG传感器，凹槽的空隙设置填充层，静置12h以上备用；
第二步，锚杆上的FBG光栅通过光纤连接线与解调仪的输入端连接，解调仪的输出端通过光纤连接线与电脑的输入端连接；
第三步，测定锚杆的轴向载荷：分别将每个FBG光栅所获得的应变取均值，得锚杆上一点的应变ε，根据锚杆应变与所受轴力的线性关系得的锚杆所受轴向载荷，计算公式如下：F=SEε，其中，S为锚杆的截面面积，E为锚杆材料的弹性模量；
第四步，测定锚杆的侧向载荷：
根据公式，得到测点位置弯曲半径的方向，旋转180°即为测点使锚杆弯曲的径向载荷方向，通过五个测点的弯曲方向判断锚杆所受径向力的方向，其中，ε12=ε2-ε1，ε13=ε3-ε1，ε23=ε3-ε2；ε1、ε2、ε3为测点截面位置三个FBG光栅位置锚杆的轴向应变量，φ12、φ13均为截面各FBG光栅点与截面圆心所连线之间所成角度，即120°；
根据公式
，得到锚杆的挠度方程，其中，ω（x）为x位置的锚杆挠度值，E为所测锚杆的弹性模量，I为所测锚杆截面的惯性矩，l为锚杆自由段长度，a，b分别为径向荷载作用位置距离锚杆两端的距离；
根据挠度方程即此时锚杆的曲线方程，根据曲线方程上各个点的弯曲半径表达式为：
，将R1、R2、R3、R4、R5以及其对应的x1、x2、x3、x4、x5代入下式：
，即可得到锚杆所述径向载荷F的大小及其位置的代表a、b。
所述锚杆本体截面为圆形，直径为16mm，长度为160cm。
所述FBG光栅为纯石英光纤光栅串，应变灵敏度为0.78/με，中心波长为1535-1565nm，波长公差为±0.5nm，带宽＜0.7nm，REF大于70%，SNR≥15dB，光纤类型为SMF光纤/AC再涂覆，剥纤长度＜30nm，光栅中心距为30cm，尾纤/连接头为一端尾纤长度1m，另一端尾纤长度3m且连接APC接头。
所述填充层为锚杆锚固剂。
本发明的原理如下：
1. 测力原理：FBG传感器是利用光线光栅的Bragg波长与光纤光栅的应变线性关系实现对应变的传感，当应变发生变化时，由于物理作用和光耦合作用引起Bragg波长的变化，因此，通过解调波长变化便能获取被测应变，根据公式ε=△λ/ατ，即可获得相应FBG位置锚杆的应变，式中△λ为光纤中反射光波长的变化量，ατ为应变与波长变化关系的系数，然后根据FBG的布置方式及锚杆受力特点建立力学模型，根据应变与载荷的数学及力学关系，求得锚杆所受载荷情况。
本发明的有益效果如下：
1. 抗电磁干扰，一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响；
2. 电绝缘性能好，安全可靠，光纤不是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆环境中使用；
3. 难腐蚀，化学性能稳定，制作光纤的石英具有极高的化学稳定性，在恶劣环境也可适用，且其使用寿命可高达25年；
4. 光纤体积小、重量轻，可塑性强，光栅的长度小，只有毫米级，测量值空间分辨率高；
5. 光纤易于埋入材料内部，对其内部参数进行高分表率的实时测量；
6. 光源波长的绝对调制，其信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗的影响；
7. 避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的依赖；
8. 传输损耗小，可实现远距离遥控监测；
9. 能方便使用波分复用技术，可以利用多个FBG进行准分布式测量；
10. 适用于长期监测，由于FBG采用波长编码技术，消除了光源功率波动及系统损耗的影响，因此可用于长期监测；
11. 光纤光栅是光纤中的一种无源器件，是通过改变光纤纤芯的折射率，形成一种周期性的折射率分布，只有特定波长的光在光纤光栅中可以反射或者透射。光纤光栅传感器正是利用它的这种特性制成的，它以波长进行编码，克服了强度调制传感器必须补偿光纤连接器和耦合器损耗以及光源输出功率起伏的弱点。
附图说明
图1为FBG测力锚杆整体结构示意图；
图2为单一径向荷载两端固定锚杆受力分析图；
图3为FBG监测系统示意图；
图4为测定锚杆受力示意图；
图5为测定挠度曲线图；
其中：1-FBG光栅；2-锚杆；3-FBG截面；4-光纤连接线；5-解调仪；6-电脑；8-拉拔机；9-千斤顶；10-百分表。
具体实施方式
结合附图，对本发明做进一步说明。
FBG测力锚杆，包括锚杆、锚杆锚固剂、FBG光栅、光纤连接线、垫板、锚杆锁紧装置。
所述锚杆的直径为16mm、长未160cm，截面为圆形，材料为45#碳素结构钢的锚杆，在锚杆表面沿轴向方向打磨三个深1.5mm、宽2mm的凹槽，且三个凹槽沿轴向截面互成120°。
所述锚杆锚固剂为分为A胶和B胶的快固环氧粘胶剂。
所述的FBG光栅为纯石英光纤光栅串。
如图1所示，在锚杆表面沿轴向截面互成120°打磨三个凹槽，每个凹槽内布置有一组光纤光栅串，每组光纤光栅串上等距布置有5个FBG传感器。
如图2所示，单一径向荷载两端固定锚杆受力分析图。图中l为锚杆自由段的长度，F为锚杆所受径向载荷，a和b分别为锚杆所受荷载距离两个固定端的距离，x为锚杆上一点到左侧固定端的距离。
如图3所示，FBG监测系统示意图。图中解调仪为MOI.sm130光纤光栅解调仪，解调仪使用时与锚杆上的光纤光栅通过光纤连接线连接，再通过电脑上的分析软件将各个FBG的中心波长情况读取出来。
如图4所示，实际测定锚杆受力示意图。首先通过拉拔机将锚杆固定，利用千斤顶对锚杆施加径向载荷，并且利用百分表对锚杆的径向挠度进行测量。
如图5所示，实际测定挠度曲线图。百分表的实测数据拟合曲线和计算所得数据代入到锚杆挠度方程所得的曲线，观察可得这两个曲线基本相似，特别是三个测量点的数据差距不大。
实际测定：为验证锚杆在受到较小轴向载荷时同样可以准确测量锚杆所受的径向载荷情况，故在保留200N轴向载荷的基础上对其施加径向载荷。将锚杆的两端分别用拉拔机的夹具固定10cm，用千斤顶在如图4所示位置对锚杆施加竖直向上的径向荷载，三个百分表分别布置在如图4所示的三个位置，位于锚杆正上方，用于测量锚杆受到径向载荷发生形变时锚杆在这三个位置上的挠度变化。观察最左边的百分表读数，读数每变化1mm就将三个百分表的读数记录一次，共进行七次读数。
已知锚杆弹性模量E=215GPa、锚杆截面惯性矩Iz=3217mm4、锚杆自由段长度l=1.4m。通过获得的光纤光栅Bragg波长变化，根据已知αε=1.1625pm/με，可求得各个FBG位置的应变情况。根据各个FBG数据所得的锚杆应变数据求得每次径向载荷变化时的各个位置所测轴力方向受力方向角，之后再根据计算得到每次加力之后各个测点的弯曲半径，然后将五个FBG位置的弯曲半径数值代入计算式即可得到径向载荷的大小、位置信息，将以上所得的F、a、b代入到锚杆的挠度方程式中，最后将所得挠度方程的锚杆挠度曲线绘制出来与百分表所测数据作比较，结果如图5所示。百分表的实测数据拟合曲线和计算所得数据代入到锚杆挠度方程所得的曲线，观察可得这两个曲线基本相似，特别是三个测量点的数据差距不大。改变千斤顶的位置，即改变径向荷载的作用位置，得到的均是两条曲线基本吻合，由此可见此测量方法的准确性。
Claims (4)
1.一种FBG测力锚杆的测力方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步，制作测力锚杆，在锚杆的表面沿轴向设置三个凹槽，凹槽深度为1.5mm，宽度为2mm，三个凹槽沿轴向截面互成120°夹角，距离锚杆的两端20cm处分别设置标记Ⅰ，两个标记Ⅰ之前等间距设置三个标记Ⅱ，标记Ⅰ和标记Ⅱ处分别设置FBG传感器，凹槽内分别设置FBG光栅，FBG光栅上分别等间距设置5个FBG传感器，凹槽的空隙设置填充层，静置12h以上备用；
第二步，锚杆上的FBG光栅通过光纤连接线与解调仪的输入端连接，解调仪的输出端通过光纤连接线与电脑的输入端连接；
第三步，测定锚杆的轴向载荷：分别将每个FBG光栅所获得的应变取均值，得锚杆上一点的应变ε，根据锚杆应变与所受轴力的线性关系得的锚杆所受轴向载荷，计算公式如下：F=SEε，其中，S为锚杆的截面面积，E为锚杆材料的弹性模量；
第四步，测定锚杆的侧向载荷：
根据公式，得到测点位置弯曲半径的方向，旋转180°即为测点使锚杆弯曲的径向载荷方向，通过五个测点的弯曲方向判断锚杆所受径向力的方向，其中，ε12=ε2-ε1，ε13=ε3-ε1，ε23=ε3-ε2；ε1、ε2、ε3为测点截面位置三个FBG光栅位置锚杆的轴向应变量，φ12、φ13均为截面各FBG光栅点与截面圆心所连线之间所成角度，即120°；
根据公式
，得到锚杆的挠度方程，其中，ω（x）为x位置的锚杆挠度值，E为所测锚杆的弹性模量，I为所测锚杆截面的惯性矩，l为锚杆自由段长度，a，b分别为径向荷载作用位置距离锚杆两端的距离；
根据挠度方程即此时锚杆的曲线方程，根据曲线方程上各个点的弯曲半径表达式为：
，将R1、R2、R3、R4、R5以及其对应的x1、x2、x3、x4、x5代入下式：
，
即可得到锚杆所述径向载荷F的大小及a、b。
2.根据权利要求1所述的一种FBG测力锚杆的测力方法，其特征在于：所述锚杆本体截面为圆形，直径为16mm，长度为160cm。
3.根据权利要求1所述的一种FBG测力锚杆的测力方法，其特征在于：所述FBG光栅为纯石英光纤光栅串，应变灵敏度为0.78/με，中心波长为1535-1565nm，波长公差为±0.5nm，带宽＜0.7nm，REF大于70%，SNR≥15dB，光纤类型为SMF光纤/AC再涂覆，剥纤长度＜30nm，光栅中心距为30cm，尾纤/连接头为一端尾纤长度1m，另一端尾纤长度3m且连接APC接头。
4.根据权利要求1所述的一种FBG测力锚杆的测力方法，其特征在于：所述填充层为锚杆锚固剂。
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