基于光纖光柵技術(shù)測力錨桿及保護(hù)結(jié)構(gòu)的研究

楊霖堃，寧掌玄，李 波，高占彬

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院采礦工程系，山西大同037003)

1 引言

錨桿支護(hù)在其服務(wù)巷道的時間內(nèi)，適時精準(zhǔn)的對錨桿的質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)測，對保持圍巖穩(wěn)定性以及煤礦安全高效生產(chǎn)有著重要的含義。但是傳統(tǒng)傳感器仍然存在很多問題，并且無法實現(xiàn)分布式測量，不能滿足一些工程的需求。而且監(jiān)測周期較長、設(shè)備調(diào)試安裝復(fù)雜，不能進(jìn)行長時間而又有效的監(jiān)測。

最近幾年以來，光纖光柵技術(shù)等新型技術(shù)開始逐步在監(jiān)測錨桿質(zhì)量方面被廣泛應(yīng)用。因此，改變傳統(tǒng)的監(jiān)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(chǎn)的重要保障。

2 光纖錨桿監(jiān)測技術(shù)的研究成果

2.1 金屬錨桿監(jiān)測

柴敬[1]等人將3個光纖布拉格光柵連接成陣列式結(jié)構(gòu)貼在錨桿桿體表面，隨后在錨桿受力的檢測并且做了相關(guān)對比試驗。試驗結(jié)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(jìn)行拉拔實驗。后期通過對比實驗數(shù)據(jù)，光纖光柵貼在錨桿桿體表面對錨桿受力監(jiān)測的結(jié)果與理論計算結(jié)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(jìn)而得到錨桿的受力規(guī)律。

2.2 光纖錨桿監(jiān)測技術(shù)在礦井中的應(yīng)用

在錨桿受力并發(fā)生形變，結(jié)合應(yīng)變片的數(shù)值，考慮錨桿的力學(xué)參數(shù)，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(yīng)力。錨桿在受力發(fā)生變形后會引起光柵波長的改變，利用專用解調(diào)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(shù)值換算成應(yīng)變，與錨桿測力計所測量出的數(shù)值進(jìn)行對比。通過實驗室標(biāo)定證明，光纖光柵測出的應(yīng)變值同錨桿測力計測出的數(shù)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(jìn)入光纖的內(nèi)部，其最主要的作用就是相當(dāng)于在芯內(nèi)安裝一個反射鏡或濾波器，進(jìn)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(fā)生變化，當(dāng)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(jié)構(gòu)示意圖

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

通過麥克斯韋經(jīng)典方程及光波導(dǎo)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(dá)到目的，這樣一來可以使得被測物體的測點上的應(yīng)變或溫度發(fā)生相應(yīng)的變化進(jìn)而反應(yīng)到光纖光柵上，從而使得光纖布拉格光柵的中心波長發(fā)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(nèi)，有：

ε—光纖的軸向應(yīng)變。

假設(shè)光纖只發(fā)生軸向變形時，則折射率變化為：

式中p11，p12—彈光常數(shù)，即縱向應(yīng)變分別導(dǎo)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(jiān)測傳感裝置

本文在直接將應(yīng)變片貼在錨桿桿體的方法的基礎(chǔ)上，將傳感器粘貼在保護(hù)套筒內(nèi)部，這樣避免在桿體開槽，從而不改變錨桿的整體受力結(jié)構(gòu)。其次保護(hù)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(hù)套筒中對稱位置貼4條測量應(yīng)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(jié)果。

5 光纖光柵傳感器保護(hù)結(jié)構(gòu)

光纖光柵傳感器比較容易被破壞，因此設(shè)計此保護(hù)結(jié)構(gòu)對光纖光柵傳感器進(jìn)行有效的保護(hù)。

此結(jié)構(gòu)為保護(hù)套筒與錨桿托盤分體式的新結(jié)構(gòu)，為了便于安裝、使用在不破壞原有托盤的受力結(jié)構(gòu)情況下，將保護(hù)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(hù)圓筒內(nèi)壁，當(dāng)錨桿受力發(fā)生形變時，光纖光柵應(yīng)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(yīng)位置的應(yīng)變ε，利用應(yīng)力σ與應(yīng)變ε之間的關(guān)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(yīng)變敏感性系數(shù)。

保護(hù)套筒與托盤分體式3D結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 保護(hù)結(jié)構(gòu)3D示意圖

6 結(jié)論

本文通過理論分析的方法對基于光纖光柵技術(shù)的測力錨桿進(jìn)行了研究得出以下結(jié)論：

（1）研發(fā)一種光纖光柵錨桿受力監(jiān)測裝置，該裝置中的傳感器可以對錨桿受力進(jìn)行監(jiān)測，并且能實現(xiàn)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(shè)計了新式托盤的結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了保護(hù)應(yīng)變片的保護(hù)套筒，避免在錨桿桿體開槽，保證了錨桿原有的強度。

（3）根據(jù)上述理論分析，該測力錨桿及其保護(hù)結(jié)構(gòu)在井巷支護(hù)方面擁有廣闊的應(yīng)用前景。