专利名称：检测锚杆锚固力的光纤光栅检测系统装置及检测方法
技术领域：
本发明涉及对锚杆的锚固质量进行检测和控制的检测装置，具体涉及通过光纤光栅对锚杆锚固质量进行检测的一种检测锚杆锚固力的光纤光栅检测系统装置及检测方法。
背景技术：
国内外地下或地上对洞室围岩和边坡的稳定，大量巷道、隧道、边坡的稳定采用锚杆锚固围岩，尤其是煤矿井下开采，需要在井下开掘大量巷道。据不完全统计，国有大中型煤矿每年新掘进的巷道总长度高达8000km左右，80%以上是开掘在煤层中的巷道，保持巷道畅通与围岩稳定对煤矿建设与安全生产具有重要意义。同时，冶金矿山、水利、铁路、公路、国防等开挖的隧道，基本上都采用锚杆支护，是维护巷道稳定中最常用的一种主动支护方式，对巷道围岩强度具有强化作用，可以显著提高围岩的稳定性，加之具有支护成本低、成巷速度快、经济效益好等优点。 锚杆的锚固质量直接关系到洞室围岩和边坡的稳定，必须对锚杆的锚固质量进行检测、控制。锚杆锚固质量的好坏不但跟锚杆的整体抗拨力有关，而且还跟各段的锚固力有关。只有确定出各个部段的锚固力，才能对锚杆的锚固质量作出正确的评价。同时，锚杆支护现代理念的动态信息法，也要求能够迅速地将锚杆支护后的信息反馈给工作人员，以便工作人员可以及时的做出调整，指导往后的支护。传统的检测手段比较多，主要有电阻应变计式、差动电阻应变计式、钢弦式和液压枕式等几类传感器，同时国内外有学者采用声频应力波检测的方法和探地雷达，小波分析等方法。这些机电类敏感元器件已大量使用，并已有成熟的技术，尤其是电阻应变计的长期稳定性、温度漂移、零点稳定和长距离传输问题得到较好的解决。但这些传感器仍存在防潮、防水、抗干扰性能差，不能实现分布式测量等缺点，同时，还存在不能很好满足工程的实时检测需要，加之具有整个检测过程周期较长、设备安装极其繁琐，无法对整个过程进行长期有效的检测的缺陷。

发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、安装方便、检测速度快，远距离监控，重复使用、易于保护和维护，能够对锚杆受力进行实时检测，并能够实现分布式测量的一种检测锚杆锚固力的光纤光栅检测系统装置。本发明的另一目的在于提供检测方法。为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的一种检测锚杆锚固力的光纤光栅检测系统装置包括螺母、锚杆测力计、光纤光栅锚杆测力计、承压板、第一光纤光栅传感器、筒体、第二光纤光栅传感器、锚杆、第三光纤光栅传感器、电阻应变仪、机算机、光纤光栅解调仪、弹性体、光纤引出线、第一光纤光栅、第二光纤光栅，本发明的特殊之处在于所述锚杆一端依次分别连接一个螺母、一个锚杆拉力机、一个光纤光栅锚杆测力计，所述光纤光栅锚杆测力计与承压板连接，所述锚杆另一端穿过承压板与筒体连接，所述筒体内腔依次分别与第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器，第三光纤光栅传感器连接，所述光纤光栅锚杆测力计、光纤光栅传感器一端通过光纤引出线与光纤光栅解调仪连接，所述光纤光栅解调仪与机算机连接，所述机算机与电阻应变仪连接，所述电阻应变仪另一端通过光纤引出线与光纤光栅传感器另一端连接，所述光纤光栅传感器一端面上连接有弹性体和光纤引出线，光纤光栅传感器内腔设有第一光纤光栅和第二光纤光栅。所述筒体内腔间隔置有至少3个光纤光栅传感器。所述光纤光传感器为光纤光栅传感器依次串联连接构成I根线性阵列，其每根线性阵列并联连接后至少构成三个阵列。4、一种所述的检测系统装置的检测方法，按下述步骤进行
(1)、光纤光栅解调仪内置的宽带光源通过光缆施加光源给第三光纤光栅传感器和光 纤光栅锚杆测力计，第三光纤光栅传感器和光纤光栅锚杆测力计返回的光信号由光纤光栅解调仪装换成传感器的波长值输入给计算机，通过计算波长漂移量，将波长值转换成锚杆端部的应力值；
(2)、准分布的第一光纤光栅传感器、第二光纤光栅传感器、第三光纤光栅传感器通过不同光纤光栅的反射光波长、义2、L，与锚索、锚杆沿各测量点相对应，分别感受锚索、锚杆沿线各分布测点的应力，使其
反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出，由光纤光栅解调仪探测其波长的大小，通过计算波长漂移量，将波长值转换成锚杆杆身的各个测点的应变大小及锚索、锚杆的应力分布状态；
(3)、光纤光栅是一种对温度和应变同时敏感的光学器件，且温度的灵敏度是应变灵敏度的10倍左右，在使用光纤光栅传感系统进行检测时，充分考虑了光纤光栅的温度交叉敏感，即对光纤光栅传感系统进行了温度补偿，消除温度对应变影响，提高测量的精度，采用不受力的温度补偿方法对光纤光栅实验系统进行温度补偿，温度补偿是将一根光纤光栅布设于锚杆测力计上，另一根布设于锚杆测力及不受力的构件上，仅感受温度的变化；以不受力的光纤光栅传感器为参考，得到了锚杆的真实应变值。本发明与现有技术相比，具有结构简单、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射、光路可弯曲、安装方便、检测速度快，远距离监控，重复使用、易于保护和维护，便于实现遥测，能够对锚杆受力进行实时检测，并能够实现分布式测量的特点；由于光纤光栅温度传感器采用波长编码技术，消除了光源功率波动及系统损耗的影响，适用于长期监测；个光纤光栅串联起来，组成准分布式温度测量系统，使用光缆连接线路，可实现远程监测；同时，还有测量精度高，传输信号稳定，长期稳定性好的优点。该检测装置能够有效的进行锚杆质量检测，为实现巷道、隧道、边坡的安全维护提供科学保障。广泛用于煤矿、冶金矿山、水利、铁路、公路、国防等开挖的隧道及边坡。


图I为本发明的光纤光栅锚杆检测系统结构示意 图2为图I的光纤光栅锚杆测力计的I - I放大的剖视结构示意 图3为图I的光纤光栅锚杆测力计曲线图；图4为图I的杆身光纤光栅应变量随锚固长度变化曲线图 图5为图I的光纤光栅应变量随载荷变化曲线 图6为图I的光纤光栅锚杆测力计轴力曲线；
图7为图I的光纤光栅锚杆测力计内部两个测点随外加载荷变化曲线 图8为图I的光纤光栅锚杆杆体上三个测点随外载荷变化曲线 图9为图I的光纤光栅锚杆测力计所测量的锚杆轴力的数据变化图。
具体实施例方式附图为本发明的实施例。
下面结合附图及实施例对发明内容作进一步说明参照图I、图2所示，一种检测锚杆锚固力的光纤光栅检测系统装置包括螺母、锚杆测力计、光纤光栅锚杆测力计、承压板、第一光纤光栅传感器、筒体、第二光纤光栅传感器、锚杆、第三光纤光栅传感器、电阻应变仪、机算机、光纤光栅解调仪、弹性体、光纤引出线、第一光纤光栅、第二光纤光栅，所述锚杆8 一端依次分别连接一个螺母I、一个锚杆拉力机2、一个光纤光栅锚杆测力计3,所述光纤光栅锚杆测力计3与承压板4连接，所述锚杆8另一端穿过承压板4与筒体5连接，所述筒体5内腔依次分别与第一光纤光栅传感器6、第二光纤光栅传感器7,第三光纤光栅传感器9，连接，所述光纤光栅锚杆测力计3、光纤光栅传感器一端通过光纤引出线14与光纤光栅解调仪12连接，所述光纤光栅解调仪12与机算机11连接，所述光纤光栅传感器一端面上连接有弹性体13和光纤引出线14，光纤光栅传感器内腔设有第一光纤光栅15和第二光纤光栅16。所述筒体5内腔间隔置有至少3个光纤光栅传感器。所述光纤光传感器为光纤光栅传感器依次串联连接构成I根线性阵列，其每根线性阵列并联连接后至少构成三个阵列。图3所示，光纤光栅锚杆测力计内部两个测点随外加载荷变化曲线图。由图可知，FBGl的波长变化量大于FBG2，在轴向12次加载过程中，两只光纤光栅的最大波长漂移量分别为1.09nm和0.915nm。相邻两次加载的平均波长漂移量FBGl为0. 091nm、FBG2为0. 076nm，第二次加载后两条曲线斜率变小，FBGl的波长漂移量为
0.058nm, FBG2的波长漂移量为0. 05nm。图4所不,杆身光纤光栅应变量随锚固长度变化曲线图，
由图可知，不同载荷下锚杆杆身光纤光栅应变变化曲线可以看出，曲线总体分布比较均匀，第一次加载至6. 53kN时，第一个测点处FBGl的应变量最大，应变变化量达到216两,随着外加载荷的逐渐增加，应变变化量逐步减小，每次加载应变变化增加约109. 58 ;FBG2的最大应变变化量量为156 ,平均每次加载的应变值增加104.75两；FBG2的最大应变变化量量为46 ,平均每次加载的应变值增加3.83网。图5所示，光纤光栅锚杆杆体上三个测点随外载荷变化曲线图，反应出不同的载荷下锚杆杆体FBG1、FBG2、FBG3的应变变化量得发展趋势。图6所示，考虑温度影响后光纤光栅锚杆测力计所测量的锚杆轴力的数据变化图。由图可知，进行温度补偿后的光纤光纤光栅锚杆测力计的轴力数据更加接近于实际载荷值。其中第一次加载6. 53kN测点一温度补偿前锚杆测力计轴力为6.36kN，进行温度补偿后锚杆轴力为6. 51kN。可见对采用光纤光栅的方法对锚杆轴力进行精确测量，对光纤光栅进行温度补偿是必要的。一种所述的检测系统装置的检测方法，按下述步骤进行
(1)、光纤光栅解调仪12内置的宽带光源通过光缆14施加光源给第三光纤光栅传感器9和光纤光栅锚杆测力计3，第三光纤光栅传感器9和光纤光栅锚杆测力计3返回的光信号由光纤光栅解调仪12装换成传感器的波长值输入给计算机11，通过计算波长漂移量，将波长值转换成锚杆端部的应力值；
(2)、准分布的第一光纤光栅传感器6、第二光纤光栅传感器7、第三光纤光栅传感器9
通过不同光纤光栅的反射光波长4H与锚索、锚杆沿各测量点相对应，分别感受锚
索、锚杆沿线各分布测点的应力，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从·测量现场传出，由光纤光栅解调仪探测其波长的大小，通过计算波长漂移量，将波长值转换成锚杆杆身的各个测点的应变大小及锚索、锚杆的应力分布状态；
(3 )、光纤光栅是一种对温度和应变同时敏感的光学器件，且温度的灵敏度是应变灵敏度的10倍左右，在使用光纤光栅传感系统进行检测时，充分考虑了光纤光栅的温度交叉敏感，即对光纤光栅传感系统进行了温度补偿，消除温度对应变影响，提高测量的精度，采用不受力的温度补偿方法对光纤光栅实验系统进行温度补偿，温度补偿是将一根光纤光栅布设于锚杆测力计上，另一根布设于锚杆测力及不受力的构件上，仅感受温度的变化；以不受力的光纤光栅传感器为参考，得到了锚杆的真实应变值。根据拉拔锚杆杆体受力的特点，锚杆轴力在锚固端口处最大，然后迅速减小，并且在锚固段底部轴力几乎为O。本发明杆体光纤光栅的布置尽量靠近锚杆锚固端头部，有效的反映出杆体应变变化趋势，体现出锚杆杆体的受力变化。本发明采用特制光纤光栅端头式锚杆测力计，如图2所示，可用于测量锚杆、锚索、岩石锚杆、锚栓、桥梁以及其它荷载的检测。锚杆测力计本身为高强度的合金圆筒，筒体内置I 3个高精度的光纤光栅传感器。仪器可以测量作用在锚杆测力计上的总荷载，分别读取每个传感器还可以测量出不均匀荷载或偏心荷载。内置有温度传感器可以检测环境温度并提供温度补偿。仪器具有高灵敏度及卓越防水性能，由一根铠装光缆输出信号，最远传输距离可达30km。此类光纤光栅测力计具有以下特点光纤光栅传输的是全光信号，信噪比高，长期稳定性好。实施例I
将光纤光栅锚杆检测装置与锚杆连接好后，对锚杆锚固过程进行检测。通过光纤光栅解调仪软件，将数据采集频率设定为2Hz，即每秒钟采集两组光纤光栅传感器波长数据，取其平均值作为每次记录完毕时的光纤光栅瞬时波长值。在某煤矿巷道采用光纤光栅传感的方法在线检测锚杆受力，适用锚杆拉拔机对锚杆进行拉拔试验。首先，在锚杆上安装3只FBG传感器。在锚杆的端部安装光纤光栅锚杆测力计，用于检测锚杆轴力；将此锚杆试件同相似材料放入制备好的钢管内进行锚固，待锚固充分后在处于自由端的锚头安装锚杆拉力机，并进行拉拔试验，梯度加载并记录相应的FBG波长变化。通过检测的数据来建立传感器波长变化与锚杆应变增量的关系，分析FBG传感器的应变传感特性，同时与光纤光栅锚杆测力计的检测结果进行对比，验证端部光纤光栅锚杆测力计在锚杆轴力检测中应用的可行性，为工程应用提供参考。锚杆锚固长度为1100mm，注入水泥砂浆配比号为564，在锚杆的外端头安装了光纤光栅锚杆测力计。锚杆采用反复施加拉拔力的方式进行加载，第一次施加的最大载荷控制在系统最大锚固力范围之内，然后第二次、第三次逐渐增加载荷，直到锚杆与灌浆体脱离。拉拔采取等梯度载荷反复加载的办法进行，从开始加载到锚固失效整个过程中，分12级加载。首先从OkN开始加载，到58. 8kN，每次增加6. 53kN，共加载9次；从58. 8kN到76. 44kN每次加载5. 88kN,共加载3次。等到变形稳定以后读取中心波长的改变值。当加载到74.66kN，进行卸载。由于采用的锚杆拉力计是手动卸载的，58. SkN时手动根本无法控制等剃度卸载，因此实验不做卸载循环。等到光栅中心波长稳定以后，开始第二次重复加载。当加载到74.66kN时，再卸载到OkN。等到波长稳定以后，进行第三次的破坏加载。 将锚杆拉力计与锚杆连接好后，开始对锚杆进行加压。在加压的过程中由于锚杆与水泥砂浆接触处无法进行观察。通过对端头处进行了细致观察，当拉拔力小时，锚固端头处并没有变化，当拉拔力达到一定程度后，端头处螺丝开始向外小距离移动。此时，锚杆拉力计读数可以继续增加，直至拉力计读数不在上涨，说明此时锚杆将被拔出。图7所示，光纤光栅锚杆测力计内部两个测点随外加载荷变化曲线图。由图可知，FBGl的波长变化量大于FBG2，在轴向12次加载过程中，两只光纤光栅的最大波长漂移量分别为1.09nm和0.915nm。相邻两次加载的平均波长漂移量FBGl为0. 091nm、FBG2为0. 076nm，第二次加载后两条曲线斜率变小，FBGl的波长漂移量为
0.058nm, FBG2的波长漂移量为0. 05nm。图8所示，光纤光栅锚杆杆体上三个测点随外载荷变化曲线图，反应出不同的载荷下锚杆杆体FBG1、FBG2、FBG3的应变变化量得发展趋势。图9所示，考虑温度影响后光纤光栅锚杆测力计所测量的锚杆轴力的数据变化 图。由图可知，进行温度补偿后的光纤光纤光栅锚杆测力计的轴力数据更加接近于实际载荷值。其中第一次加载6. 53kN测点一温度补偿前锚杆测力计轴力为6.36kN，进行温度补偿后锚杆轴力为6. 51kN。可见对采用光纤光栅的方法对锚杆轴力进行精确测量，对光纤光栅进行温度补偿是必要的。
权利要求
1.一种检测锚杆锚固力的光纤光栅检测系统装置，该系统装置包括螺母、锚杆测力计、光纤光栅锚杆测力计、承压板、第一光纤光栅传感器、筒体、第二光纤光栅传感器、锚杆、第三光纤光栅传感器、电阻应变仪、机算机、光纤光栅解调仪、弹性体、光纤引出线、第一光纤光栅、第二光纤光栅，其特征在于所述锚杆(8)—端依次分别连接一个螺母(I)、一个锚杆拉力机(2)、一个光纤光栅锚杆测力计(3)，所述光纤光栅锚杆测力计(3)与承压板(4)连接，所述锚杆(8)另一端穿过承压板(4)与筒体(5)连接，所述筒体(5)内腔依次分别与第一光纤光栅传感器(6)、第二光纤光栅传感器(7),第三光纤光栅传感器(9),连接,所述光纤光栅锚杆测力计(3)、光纤光栅传感器一端通过光纤引出线(14)与光纤光栅解调仪(12)连接，所述光纤光栅解调仪(12)与机算机(11)连接，所述光纤光栅传感器一端面上连接有弹性体(13)和光纤引出线(14)，光纤光栅传感器内腔设有第一光纤光栅(15)和第二光纤光栅(16)。
2.根据权利要求I所述的一种检测锚杆锚固力的光纤光栅检测系统装置，其特征在于所述筒体(5)内腔间隔置有至少3个光纤光栅传感器。
3.根据权利要求I所述的一种检测锚杆锚固力的光纤光栅检测系统装置，其特征在于所述光纤光传感器为光纤光栅传感器依次串联连接构成I根线性阵列，其每根线性阵列并联连接后至少构成三个阵列。
4.一种如权利要求I所述的检测系统装置的检测方法，按下述步骤进行 (1)、光纤光栅解调仪(12)内置的宽带光源通过光缆(14)施加光源给第三光纤光栅传感器(9)和光纤光栅锚杆测力计(3),第三光纤光栅传感器(9)和光纤光栅锚杆测力计(3)返回的光信号由光纤光栅解调仪(12)装换成传感器的波长值输入给计算机(11)，通过计算波长漂移量，将波长值转换成锚杆端部的应力值； (2)、准分布的第一光纤光栅传感器(6)、第二光纤光栅传感器(7)、第三光纤光栅传感器(9)通过不同光纤光栅的反射光波长m与锚索、锚杆沿各测量点相对应，分别感受锚索、锚杆沿线各分布测点的应力，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出，由光纤光栅解调仪探测其波长的大小，通过计算波长漂移量，将波长值转换成锚杆杆身的各个测点的应变大小及锚索、锚杆的应力分布状态； (3)、光纤光栅是一种对温度和应变同时敏感的光学器件，且温度的灵敏度是应变灵敏度的10倍左右，在使用光纤光栅传感系统进行检测时，充分考虑了光纤光栅的温度交叉敏感，即对光纤光栅传感系统进行了温度补偿，消除温度对应变影响，提高测量的精度，采用不受力的温度补偿方法对光纤光栅实验系统进行温度补偿，温度补偿是将一根光纤光栅布设于锚杆测力计上，另一根布设于锚杆测力及不受力的构件上，仅感受温度的变化；以不受力的光纤光栅传感器为参考，得到了锚杆的真实应变值。
全文摘要
本发明公开了检测锚杆锚固力的光纤光栅检测系统装置及检测方法。该装置由光纤光栅传感器阵列、光纤光栅锚杆测力计、光纤光栅解调仪、光缆和计算机组成。光纤光栅锚杆测力计主要由在环形弹性体壁上均匀布置多个光纤光栅组成。光纤光栅锚杆测力计安装在锚杆锚固端端部，同时在锚杆杆身布设光纤光栅传感器阵列，光纤光栅传感器阵列、光纤光栅锚杆测力计分别通过光缆与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与计算机连接。通过该装置可以对锚杆受力进行实时检测，并能够实现分布式测量。结构简单、安装方便、检测速度快，远距离监控，重复使用、易于保护和维护，广泛用于煤矿、冶金矿山、水利、铁路、公路、国防开挖的隧道及边坡。
文档编号G01L1/24GK102798492SQ20121031451
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月30日 优先权日2012年8月30日
发明者柴敬, 李毅, 王道成, 张桂花 申请人:西安科技大学