基于光纖光柵技術測力錨桿及保護結構的研究

楊霖堃，寧掌玄，李 波，高占彬

(山西大同大學煤炭工程學院采礦工程系，山西大同037003)

1 引言

錨桿支護在其服務巷道的時間內，適時精準的對錨桿的質量進行有效監測，對保持圍巖穩定性以及煤礦安全高效生產有著重要的含義。但是傳統傳感器仍然存在很多問題，并且無法實現分布式測量，不能滿足一些工程的需求。而且監測周期較長、設備調試安裝復雜，不能進行長時間而又有效的監測。

最近幾年以來，光纖光柵技術等新型技術開始逐步在監測錨桿質量方面被廣泛應用。因此，改變傳統的監測手段，研制新型的錨桿受力檢測裝置迫在眉睫，同時也是礦井安全生產的重要保障。

2 光纖錨桿監測技術的研究成果

2.1 金屬錨桿監測

柴敬[1]等人將3個光纖布拉格光柵連接成陣列式結構貼在錨桿桿體表面，隨后在錨桿受力的檢測并且做了相關對比試驗。試驗結果證明，光纖布拉格光柵傳感器有更高的測量精度。

馮仁俊[2]等人借鑒光纖光柵分布測量的原理對全長錨固的錨桿進行拉拔實驗。后期通過對比實驗數據，光纖光柵貼在錨桿桿體表面對錨桿受力監測的結果與理論計算結果基本相同。

柴青平[3]等人利用貼在錨桿桿體上的光柵波長的變化測量得到錨桿在拉拔試驗中每個部分的受力情況，進而得到錨桿的受力規律。

2.2 光纖錨桿監測技術在礦井中的應用

在錨桿受力并發生形變，結合應變片的數值，考慮錨桿的力學參數，通過算法計算后，再利用手持式電阻壓力儀讀取出錨桿每一部分所受到的剪切力、拉拔力以及軸應力。錨桿在受力發生變形后會引起光柵波長的改變，利用專用解調終端來測量多個波長變化，并計算出這些波長變化的平均值，將其得到的數值換算成應變，與錨桿測力計所測量出的數值進行對比。通過實驗室標定證明，光纖光柵測出的應變值同錨桿測力計測出的數值擬合程度較高。

3 光纖光柵傳感特性分析

3.1 光纖布拉格柵傳感原理

光纖布拉格光柵主要是通過駐波法或相位掩模法進入光纖的內部，其最主要的作用就是相當于在芯內安裝一個反射鏡或濾波器，進而以此來改變光纖的折射率。簡單來說，在光束通過光纖光柵時，使得其折射率發生變化，當滿足光纖布拉格光柵條件的波長將會形成反射，則剩余的波長將會通過光纖光柵透射出去[4]。

圖1 光纖光柵結構示意圖

光纖布拉格光柵傳感器結構示意圖如上圖1所示。如果光柵周圍被檢測的物理量發生變化，那么光柵的周期或有效折射率一定發生變化，因此發生光纖布拉格光柵中心的波長發生變化，進而檢測波長所發生的變化，便可得到被檢測物理量的相應變化[5]。

通過麥克斯韋經典方程及光波導和耦合理論，在光纖光柵處在諧振的情況下，光纖布拉格光柵的波長為：

其中：∧—光柵周期；

neff—有效折射率。

而光纖光柵傳感裝置是通過各類的膠水與被測物體相粘貼，以此來達到目的，這樣一來可以使得被測物體的測點上的應變或溫度發生相應的變化進而反應到光纖光柵上，從而使得光纖布拉格光柵的中心波長發生改變。

3.2 在軸向力作用下的光纖光柵傳感特性

對公式（1）兩邊微分可得：

將式（3.2）兩端分別除以式（3.1）得：

線彈性范圍內，有：

ε—光纖的軸向應變。

假設光纖只發生軸向變形時，則折射率變化為：

式中p11，p12—彈光常數，即縱向應變分別導致的縱向和橫向折射率變化；

v—泊松比。

由上式可知光纖光柵傳感器有良好的傳輸特性。

4 錨桿受力監測傳感裝置

本文在直接將應變片貼在錨桿桿體的方法的基礎上，將傳感器粘貼在保護套筒內部，這樣避免在桿體開槽，從而不改變錨桿的整體受力結構。其次保護套筒在一定程度上可以起到分壓的作用，增加了錨桿的壽命。

圖2 傳感器粘貼位置

對于圖2中的傳感器，是在保護套筒中對稱位置貼4條測量應變的光纖光柵，主要目的是防止錨桿受各個部分受力不勻影響測量結果。

5 光纖光柵傳感器保護結構

光纖光柵傳感器比較容易被破壞，因此設計此保護結構對光纖光柵傳感器進行有效的保護。

此結構為保護套筒與錨桿托盤分體式的新結構，為了便于安裝、使用在不破壞原有托盤的受力結構情況下，將保護套筒與托盤通過螺旋方式相連接，托盤上覆蓋面為拱形成讓壓的作用，更符合井下工況。

光纖光柵傳感裝置表貼在保護圓筒內壁，當錨桿受力發生形變時，光纖光柵應變傳感器隨著錨桿的變形而同步變形，通過光柵的光波長變化量記為△λ，通過光纖光柵波長的變化便可得到錨桿相應位置的應變ε，利用應力σ與應變ε之間的關系便可計算出錨桿所受的軸向力，記作P:

式中S——錨桿橫截面積；

E——錨桿材料彈性模量；

α——光柵應變敏感性系數。

保護套筒與托盤分體式3D結構見圖3。

圖3 保護結構3D示意圖

6 結論

本文通過理論分析的方法對基于光纖光柵技術的測力錨桿進行了研究得出以下結論：

（1）研發一種光纖光柵錨桿受力監測裝置，該裝置中的傳感器可以對錨桿受力進行監測，并且能實現分布式測量，從而為錨桿受力情況檢測提供一種新的方法、思路。

（2）在保持老式托盤承載力不變的情況下設計了新式托盤的結構，并設計了保護應變片的保護套筒，避免在錨桿桿體開槽，保證了錨桿原有的強度。

（3）根據上述理論分析，該測力錨桿及其保護結構在井巷支護方面擁有廣闊的應用前景。