CN114858322A - 一种基于5g融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，包括外壳、骨架和检测部，所述骨架的形状包括长条形，截面的形状包括弧形，所述检测部紧贴骨架的表面设置，所述检测部连接设置在矿井外的控制中心，由控制中心对检测部传回的信号进行解析分析，并对解析后的数据进行记录，所述骨架凸起的一面受到冲击后，在骨架内部应力的作用下，能够蜷缩成涡卷状，带动整个传感器将需要被检测的锚杆包裹起来，使用起来简单方便，且能够适用于目前市场上大部分的锚固锚杆，适用性强，所述外壳包裹在骨架外层，为骨架和测部提供密封保护，防止矿井中水和灰尘侵蚀骨架和检测部，影响传感器的正常检测。

Description

一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器

技术领域

本发明涉及矿山安全生产技术领域，具体涉及如上所述的发明：一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器。

背景技术

矿井巷道墙壁的岩层容易受采动的影响，内部产生形变，继而影响锚杆对岩层的锚固，容易导致矿难的发生。矿井岩层的形变传递到锚杆上，主要是体现在锚杆所受的轴向应力会发生变化，通过对锚杆所受轴向应力进行监测，就能对矿样巷道的岩层变动进行监控，预测其导致的矿难。

光纤锚杆应力传感器是一种用于矿井下锚杆轴向应力监测的传感器，可以测量因采动影响锚杆应力的变化，是研究采场动压作用规律的重要手段，可用于采场冲击低压初期预测和趋势分析。

目前市场上的光纤锚杆应力传感器基本上都是使用一个轴套套在锚杆上，光纤光栅贴在轴套外侧表面，外侧再套上外壳，具体如图1所示专利号为CN202023132004.5的专利提到的一种矿用光纤锚索应力传感器，其缝隙比较多，密封条件较差，而矿井中的环境都比较恶劣，空气中弥漫着灰尘水滴甚至一些具有腐蚀性的气体，这些杂物容易从缝隙进入传感器中，影响光纤光栅的正常工作，降低传感器的使用寿命。因为光纤光栅与锚杆之间还间隔了轴套，因此轴套必须与锚杆接触紧实才能确保检测的准确性，导致市场上的光纤锚杆应力传感器一般只能对应一种型号的锚杆，而且对轴套和锚杆的加工精度要求非常高，这也使得锚杆和轴套比较容易受环境影响产生误差影响传感器的正常检测，综上所述，传统的光纤锚杆应力传感器制造成本高，安装困难，密封性差，间接导致其需要经常维修，使用成本也比较高。

发明内容

为解决现有技术不足，本发明提供如上所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，该传感器的主体形状包括长条形的软质外壳，外壳中设置有骨架，光纤光栅和应变片贴在骨架上，将传感器朝锚杆上甩去，骨架即可带动光纤光栅和应变片成螺旋状包裹在锚杆上，结构简单，安装方便快捷，且软质外壳使用橡胶一体制成，没有缝隙，防水防尘性能优良。

本发明的技术方案如下：

一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，其特征在于，包括外壳、骨架和检测部；所述检测部沿骨架的表面设置，并与矿井外的控制中心连接，所述检测部包括光纤光栅和应变感应片，所述控制中心包括光纤动态解析部和电信号解析部，所述光纤光栅沿骨架长度方向布置，并通过光缆与光纤动态解析部连接，所述应变感应片通过5G融合技术与电信号解析部连接；所述外壳采用弹性材料制成，包裹在骨架和检测部外侧，为骨架和测部提供密封保护，并能带动骨架和检测部呈现两种形态，一种是伸展形态，一种是安装形态；当所述外壳带动骨架和检测部呈伸展形态时，所述骨架能够保持伸直状态；当所述外壳带动骨架和检测部呈安装形态时，所述骨架能绕在锚杆外侧，带动整个传感器将需要被检测的锚杆包裹起来，使用起来简单方便，适用性强，所述外壳包裹在骨架外层，。

如上所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，所述骨架为弹性片，骨架处于伸展形态时，其截面的形状包括圆弧形，骨架处于安装形态时，其截面的形状包括长条形，原理是将卷曲的骨架原材料拉直了，冲压成弧形，这样就有了两个内应力，把骨架拉直后，弧形的应力把骨架撑住。

进一步的，所述骨架处于伸展形态时，其凸起的一面中间设置有光栅槽，所述光纤光栅设置在光栅槽中，所述应变感应片设置在光栅槽表面，所述骨架处于安装形态时，其设置有光栅槽的一面朝向锚杆应变感应片与光纤光栅设置的位置越靠近，其检测结果产生的误差就越小。

如上所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，沿所述外壳的两侧沿其长度方向设置有连接槽轨，所述连接槽轨包括左侧的左槽轨和右侧的右槽轨，在骨架缠绕在锚杆外侧时，所述左槽轨能够与右槽轨相互扣合在一起。

进一步的，所述左槽轨与右槽轨扣合在一起的总高度不超过外壳厚度。

如上所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，所述外壳的下侧表面设置有磁吸固定部，所述磁吸固定部由若干个磁铁组成，当传感器固定在锚杆表面时，所述磁吸固定部的磁铁能够为传感器提供吸附力，吸附在锚杆表面。

进一步的，所述磁吸固定部的磁铁形状包括矩形，且为矩形密铺设置在外壳的下侧表面上，所述磁铁的侧面截面形状包括倒置的等腰梯形，使磁吸固定部与锚杆表面更加贴合。

进一步的，每块所述磁铁下表面的面积不超过4平方毫米，磁铁的面积越小，锚杆传递到检测部的应力损耗就越小，传感器对锚杆轴向应力的检测误差就越小。

本发明的有益效果在于：

1、本发明所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，所述传感器的外层包裹有软质的外壳，整个传感器没有任何接缝，防水性能优越；

2、本发明所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，所述传感器的骨架在轻微受力之后，即可卷曲包裹住锚杆，相对传统锚杆应力传感器的复制安装步骤，设置更方便。

3、本发明所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，所述传感器能够的骨架能够自由卷曲，因此能够固定在市场上大部分圆形锚杆的表面，适用形更强。

4、本发明所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，所述传感器的检测部与锚杆表面只间隔一层外壳，锚杆所受的轴向应力更容易传递到检测部上，更容易被检测部检测到，灵敏度和精度相对传统锚杆应力传感器都要高。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，本申请的方案和优点对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

在附图中：

图1为传统光纤锚杆应力传感器的结构示意图；

图2为实施例1中一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器的结构示意图；

图3为实施例1中光纤锚杆应力传感器默认状态下的剖面图；

图4为实施例1中光纤锚杆应力传感器安装状态下的剖面图；

图5为实施例1中光纤锚杆应力传感器的局部放大图；

图6为实施例1中传感器与锚杆配合安装的结构示意图；

图7为实施例1中连接槽轨的结构示意图；

图中各附图标记所代表的组件为：

1、外壳；11、连接槽轨；12、导轨壁；13、连接部；14、限位部；15、左槽轨；16、右槽轨；2、骨架；3、检测部；31、光纤光栅；32、应变感应片；4、锚杆；5、磁吸固定部；51、磁铁。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和进一步的实施例对本发明作进一步的描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

具体实施方式：

参见图2-图7，一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，其特征在于，包括外壳1、骨架2和检测部3；所述检测部3沿骨架2的表面设置，并与矿井外的控制中心连接，所述检测部3包括光纤光栅31和应变感应片32，所述控制中心包括光纤动态解析部和电信号解析部，所述光纤光栅31沿骨架2长度方向布置，并通过光缆与光纤动态解析部连接，所述应变感应片32通过5G融合技术与电信号解析部连接；所述外壳1采用弹性材料制成，包裹在骨架2和检测部3外侧，并能带动骨架2和检测部3呈现两种形态，一种是伸展形态，一种是安装形态；当所述外壳1带动骨架2和检测部3呈伸展形态时，所述骨架2能够保持伸直状态；当所述外壳1带动骨架2和检测部3呈安装形态时，所述骨架2能绕在锚杆外侧。带动整个传感器将需要被检测的锚杆4包裹起来，使用起来简单方便，且能够适用于目前市场上大部分的锚固锚杆4，适用性强，所述外壳1包裹在骨架2外层，为骨架2和测部提供密封保护，防止矿井中水和灰尘侵蚀骨架2和检测部3，影响传感器的正常检测。

作为优选的，所述骨架2采用弹簧钢制作，弹簧钢本身具有优良的冶金质量高的纯洁度和均匀性，当锚杆4所受的轴向应力传导到传感器上时，材质均匀的骨架2能够产生均匀的微小形变，确保检测部3检测的准确性，且所述传感器经常需要拆卸装在不同的锚杆4上使用，弹簧钢制成的骨架2具有非常好的弹性变形能力，即使经常拆装，也不容易出现弹性衰减，无法蜷缩的现象。

作为优选的，所述骨架2的厚度不超过0.5mm，如果骨架2太厚，一方面，会导致骨架2蜷缩受阻，蜷缩之后内圈的直径变大，无法适用于直径较小的锚杆4，另一方面，锚杆4上的轴向应力在向传感器传递时会受到阻碍，影响传感器的检测精度。

作为优选的，所述外壳1采用软质硅胶制成，覆盖在骨架2和检测部3的表面，整个传感器都没有缝隙，密封性能良好，能够防止杂物进入影响检测部3的正常工作，还能够防止骨架2产生锈蚀，增加传感器的整体寿命，而且硅胶制成的外壳1能够起到绝缘作用，一些矿井的岩层中经常会产生放电现象，岩层放电会顺着锚杆4传导到传感器上，硅胶材质的外壳1能够隔绝放电，防止传感器内的检测部3被放电烧毁，参见图1，这是整体采用金属材质的传统光纤锚索应力传感器所不具备的。

因为所述骨架2需要蜷缩，所以其边缘非常的锋利，操作人员直接操作容易被划伤手，而硅胶的软质外壳1能够防止锋利的骨架2边缘划伤操作人员，保护传感器的同时，保护操作人员。

需要说明的是，所述应变感应片32的原理如下所述：应变感应片32是由上下两片绝缘片和中间的电阻丝构成的。锚杆4承受应力时会发生轻微的形变，而应力传感器就是通过检测这种形变得出锚杆4上的应力变化，锚杆4形变会带动应变感应片32产生形变，继而带动电阻丝也产生形变，电阻丝产生形变，其整体的电阻就会发生变化，电阻变化就会引发通过电阻丝的电流产生变化，电信号解析部通过检测电流的变化量，得出锚杆4的应力变化。

进一步的，所述光纤光栅31检测锚杆4应力变化的方式与应变感应片32的原理类似，但光纤光栅31产生形变时，变化的是光纤光栅31内光的波长，所述光纤动态解析部通过解析光纤光栅31内光的波长来得出锚杆4上应力的变化。

参见图2和图3，所述骨架2为弹性片，骨架2处于伸展形态时，其截面的形状包括圆弧形，骨架2处于安装形态时，其截面的形状包括长条形，原理是将卷曲的骨架2原材料拉直了，冲压成弧形，这样就有了两个内应力，把骨架2拉直后，弧形的应力把骨架2撑住。

进一步的，所述骨架2处于伸展形态时，其凸起的一面中间设置有光栅槽，所述光纤光栅31设置在光栅槽中，所述应变感应片32设置在光栅槽表面，所述骨架2处于安装形态时，其设置有光栅槽的一面朝向锚杆4，光纤光栅31和应变感应片32检测的结果需要经过控制中心解析后进行对比验证，因此应变感应片32与光纤光栅31设置的位置越靠近，其检测结果产生的误差就越小。

参见图3、图4、图5和图7，沿所述外壳1的两侧沿其长度方向设置有连接槽轨11，所述连接槽轨11包括左侧的左槽轨15和右侧的右槽轨16，在骨架2缠绕在锚杆外侧时，所述左槽轨15能够与右槽轨16相互扣合在一起。

进一步的，所述左槽轨15与右槽轨16扣合在一起的总高度不超过外壳1厚度。一是，使传感器接触锚杆4的面积增加，锚杆4的应力变化更容易被传感器检测到；二是，连接槽轨11相互配合能够起到一定的密封作用，防止杂物进入到锚杆4与传感器之间，干扰传感器的正常检测；三是对传感器进行位置限定，防止传感器被骨架2影响收回，再变成涡卷状。

进一步的，所述连接槽轨11由导轨壁12连接外壳1本体侧壁构成，所述导轨壁12的截面形状为L形，所述导轨壁12包括连接部13和限位部14，所述连接部13的内侧连接外壳1本体侧壁，外侧连接限位部14，所述限位部14与外壳1本体侧壁之间形成连接槽轨11，一侧限位部14凸起的高度与另一侧连接槽轨11的深度相配合，使连接槽轨11配合之后表面能够形成平面，保证所述传感器的内侧表面能够紧贴锚杆4，且不留缝隙，避免杂物进入。

作为优选的，所述导轨壁12整体采用软质塑料制成，硬度略高于硅胶制成的外壳1，尽量减少导轨壁12硬度对传感器蜷缩的影响，并保证连接槽轨11互相结合时不易脱出，所述导轨壁12在硅胶外壳1热熔覆盖在骨架2上的同时，连接在外壳1的两侧，与外壳1紧密贴合不易脱离。

参见图3、图4和图6，所述外壳1的下侧表面设置有磁吸固定部5，所述磁吸固定部5由若干个磁铁51组成，当传感器固定在锚杆4表面时，所述磁吸固定部5的磁铁51能够为传感器提供吸附力，防止传感器从锚杆4上脱落。

进一步的，所述磁吸固定部5的磁铁51形状为矩形，且为矩形密铺设置在外壳1的下侧表面上，所述磁铁51的侧面截面形状为倒置的等腰梯形，相对整条的磁吸条的设计方式，众多的矩形磁铁51不会影响传感器正常的伸直，当传感器蜷缩固定在锚杆4上时，所述磁铁51等腰梯形的侧面截面能够使磁吸固定部5与锚杆4表面更加贴合，传感器对锚杆4轴向应力的变化更加灵敏。

进一步的，每块所述磁铁51下表面的面积不超过4平方毫米，当岩层的应力传递到锚杆4上时会导致锚杆4产生一定的形变，而光纤锚杆4应力传感器主要是通过检测这种形变测得锚杆4轴向应力的变化量，如果磁铁51的面积越大，锚杆4传递到检测部3的应力损耗就越大，传感器对锚杆4轴向应力的检测误差就越大。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或增减替换，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 (8)

1.一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，其特征在于，包括外壳(1)、骨架(2)和检测部(3)；

所述检测部(3)沿骨架(2)的表面设置，并与矿井外的控制中心连接，所述检测部(3)包括光纤光栅(31)和应变感应片(32)，所述控制中心包括光纤动态解析部和电信号解析部，所述光纤光栅(31)沿骨架(2)长度方向布置，并通过光缆与光纤动态解析部连接，所述应变感应片(32)通过5G融合技术与电信号解析部连接；

所述外壳(1)采用弹性材料制成，包裹在骨架(2)和检测部(3)外侧，并能带动骨架(2)和检测部(3)呈现两种形态，一种是伸展形态，一种是安装形态；

当所述外壳(1)带动骨架(2)和检测部(3)呈伸展形态时，所述骨架(2)能够保持伸直状态；

当所述外壳(1)带动骨架(2)和检测部(3)呈安装形态时，所述骨架(2)能绕在锚杆外侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，其特征在于，所述骨架(2)为弹性片，骨架(2)处于伸展形态时，其截面的形状包括圆弧形，骨架(2)处于安装形态时，其截面的形状包括长条形。

3.根据权利要求2所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，其特征在于，所述骨架(2)处于伸展形态时，其凸起的一面中间设置有光栅槽，所述光纤光栅(31)设置在光栅槽中，所述应变感应片(32)设置在光栅槽表面，所述骨架(2)处于安装形态时，其设置有光栅槽的一面朝向锚杆(4)。

4.根据权利要求1所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，其特征在于，沿所述外壳(1)的两侧沿其长度方向设置有连接槽轨(11)，所述连接槽轨(11)包括左侧的左槽轨(15)和右侧的右槽轨(16)，在骨架(2)缠绕在锚杆外侧时，所述左槽轨(15)能够与右槽轨(16)相互扣合在一起。

5.根据权利要求4所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，其特征在于，所述左槽轨(15)与右槽轨(16)扣合在一起的总高度不超过外壳(1)厚度。

6.根据权利要求1所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，其特征在于，所述外壳(1)的下侧表面设置有磁吸固定部(5)，所述磁吸固定部(5)由若干个磁铁(51)组成。

7.根据权利要求6所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，所述磁吸固定部(5)的磁铁(51)形状包括矩形，且为矩形密铺设置在外壳(1)的下侧表面上，所述磁铁(51)的侧面截面形状包括倒置的等腰梯形。

8.根据权利要求7所述的一种基于5G融合技术防水矿用光纤锚杆应力传感器，每块所述磁铁(51)下表面的面积不超过4平方毫米。

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