基于光纤光栅技术测力锚杆及保护结构的研究

杨霖堃，宁掌玄，李 波，高占彬

(山西大同大学煤炭工程学院采矿工程系，山西大同037003)

1 引言

锚杆支护在其服务巷道的时间内，适时精准的对锚杆的质量进行有效监测，对保持围岩稳定性以及煤矿安全高效生产有着重要的含义。但是传统传感器仍然存在很多问题，并且无法实现分布式测量，不能满足一些工程的需求。而且监测周期较长、设备调试安装复杂，不能进行长时间而又有效的监测。

最近几年以来，光纤光栅技术等新型技术开始逐步在监测锚杆质量方面被广泛应用。因此，改变传统的监测手段，研制新型的锚杆受力检测装置迫在眉睫，同时也是矿井安全生产的重要保障。

2 光纤锚杆监测技术的研究成果

2.1 金属锚杆监测

柴敬[1]等人将3个光纤布拉格光栅连接成阵列式结构贴在锚杆杆体表面，随后在锚杆受力的检测并且做了相关对比试验。试验结果证明，光纤布拉格光栅传感器有更高的测量精度。

冯仁俊[2]等人借鉴光纤光栅分布测量的原理对全长锚固的锚杆进行拉拔实验。后期通过对比实验数据，光纤光栅贴在锚杆杆体表面对锚杆受力监测的结果与理论计算结果基本相同。

柴青平[3]等人利用贴在锚杆杆体上的光栅波长的变化测量得到锚杆在拉拔试验中每个部分的受力情况，进而得到锚杆的受力规律。

2.2 光纤锚杆监测技术在矿井中的应用

在锚杆受力并发生形变，结合应变片的数值，考虑锚杆的力学参数，通过算法计算后，再利用手持式电阻压力仪读取出锚杆每一部分所受到的剪切力、拉拔力以及轴应力。锚杆在受力发生变形后会引起光栅波长的改变，利用专用解调终端来测量多个波长变化，并计算出这些波长变化的平均值，将其得到的数值换算成应变，与锚杆测力计所测量出的数值进行对比。通过实验室标定证明，光纤光栅测出的应变值同锚杆测力计测出的数值拟合程度较高。

3 光纤光栅传感特性分析

3.1 光纤布拉格栅传感原理

光纤布拉格光栅主要是通过驻波法或相位掩模法进入光纤的内部，其最主要的作用就是相当于在芯内安装一个反射镜或滤波器，进而以此来改变光纤的折射率。简单来说，在光束通过光纤光栅时，使得其折射率发生变化，当满足光纤布拉格光栅条件的波长将会形成反射，则剩余的波长将会通过光纤光栅透射出去[4]。

图1 光纤光栅结构示意图

光纤布拉格光栅传感器结构示意图如上图1所示。如果光栅周围被检测的物理量发生变化，那么光栅的周期或有效折射率一定发生变化，因此发生光纤布拉格光栅中心的波长发生变化，进而检测波长所发生的变化，便可得到被检测物理量的相应变化[5]。

通过麦克斯韦经典方程及光波导和耦合理论，在光纤光栅处在谐振的情况下，光纤布拉格光栅的波长为：

其中：∧—光栅周期；

neff—有效折射率。

而光纤光栅传感装置是通过各类的胶水与被测物体相粘贴，以此来达到目的，这样一来可以使得被测物体的测点上的应变或温度发生相应的变化进而反应到光纤光栅上，从而使得光纤布拉格光栅的中心波长发生改变。

3.2 在轴向力作用下的光纤光栅传感特性

对公式（1）两边微分可得：

将式（3.2）两端分别除以式（3.1）得：

线弹性范围内，有：

ε—光纤的轴向应变。

假设光纤只发生轴向变形时，则折射率变化为：

式中p11，p12—弹光常数，即纵向应变分别导致的纵向和横向折射率变化；

v—泊松比。

由上式可知光纤光栅传感器有良好的传输特性。

4 锚杆受力监测传感装置

本文在直接将应变片贴在锚杆杆体的方法的基础上，将传感器粘贴在保护套筒内部，这样避免在杆体开槽，从而不改变锚杆的整体受力结构。其次保护套筒在一定程度上可以起到分压的作用，增加了锚杆的寿命。

图2 传感器粘贴位置

对于图2中的传感器，是在保护套筒中对称位置贴4条测量应变的光纤光栅，主要目的是防止锚杆受各个部分受力不匀影响测量结果。

5 光纤光栅传感器保护结构

光纤光栅传感器比较容易被破坏，因此设计此保护结构对光纤光栅传感器进行有效的保护。

此结构为保护套筒与锚杆托盘分体式的新结构，为了便于安装、使用在不破坏原有托盘的受力结构情况下，将保护套筒与托盘通过螺旋方式相连接，托盘上覆盖面为拱形成让压的作用，更符合井下工况。

光纤光栅传感装置表贴在保护圆筒内壁，当锚杆受力发生形变时，光纤光栅应变传感器随着锚杆的变形而同步变形，通过光栅的光波长变化量记为△λ，通过光纤光栅波长的变化便可得到锚杆相应位置的应变ε，利用应力σ与应变ε之间的关系便可计算出锚杆所受的轴向力，记作P:

式中S——锚杆横截面积；

E——锚杆材料弹性模量；

α——光栅应变敏感性系数。

保护套筒与托盘分体式3D结构见图3。

图3 保护结构3D示意图

6 结论

本文通过理论分析的方法对基于光纤光栅技术的测力锚杆进行了研究得出以下结论：

（1）研发一种光纤光栅锚杆受力监测装置，该装置中的传感器可以对锚杆受力进行监测，并且能实现分布式测量，从而为锚杆受力情况检测提供一种新的方法、思路。

（2）在保持老式托盘承载力不变的情况下设计了新式托盘的结构，并设计了保护应变片的保护套筒，避免在锚杆杆体开槽，保证了锚杆原有的强度。

（3）根据上述理论分析，该测力锚杆及其保护结构在井巷支护方面拥有广阔的应用前景。