[发明专利]一种FBG测力锚杆的测力方法

说明书

一种FBG测力锚杆的测力方法，属于锚杆监测技术领域，可解决现有锚杆监测装置存在的监测准确度不稳定，安装复杂的问题，该测力锚杆由锚杆、锚杆锚固剂、FBG光栅、光纤连接线、垫板、锚杆锁紧装置组成。锚杆表面沿轴向截面互成120°方向打磨有三条凹槽，在凹槽中布置有光纤光栅串，且沿锚杆长度方向等距布置有五个FBG传感器。FBG全称为Fiber Bragg Grating，即为光纤布拉格光栅。该测力锚杆采用FBG作为智能传感元件，不仅可以检测锚杆所受轴向载荷的情况，同时也可检测锚杆所受径向载荷的情况。本发明装置结构简单、安装方便、准确度高、稳定性好。

技术领域

本发明属于锚杆监测技术领域，具体涉及一种FBG测力锚杆的测力方法。

背景技术

锚杆支护应用于煤矿以来，经过大量的实践应用表明，该方法是最经济有效的。然而因为锚杆支护是隐蔽性工程，地下岩体的应力分布很难预先得知，影响到岩体稳定性的因素也很复杂。由于锚杆的支护期较长，随着时间的推移在上述相关因素的共同影响下导致围岩中锚杆的应力发生剧烈或缓慢的变化。若锚杆所承受的应力超过了锚杆本身所能承受的极限，则会导致锚杆的失效甚至断裂，进一步有可能导致巷道塌方，造成严重的安全事故。为了切实有效的避免安全事故，提高锚固工程的稳定和巷道安全，对锚杆所受应力状况的监测十分必要。

现阶段对于锚杆的监测装置主要有电阻应变片锚杆装置、钢弦式测力锚杆、活塞式锚杆轴力监测装置、液压枕式锚杆轴力监测装置。其中电阻应变片锚杆装置是通过锚杆受力与输出的电压信号应变关系曲线来获知锚杆在支护工作中受力的大小，这种利用电阻应变片来监测锚杆受力的监测方法，容易由于应变片的电阻值过低产生的电流热效应致使环氧树脂胶在粘贴时凝固不均导致应变的测量误差，以及锚杆支护巷道的潮湿环境等相关因素电阻应变片的阻值很难保持稳定等相关问题，都会影响监测的准确性；钢弦式测力锚杆是通过转换应力计对应的钢弦频率变化来获得锚杆杆体各段轴力大小，这种测力锚杆的成本过高且其需要大规模线路安装，难以做到防水防爆；活塞式锚杆轴力监测装置是通过观察压敏显色剂受到压力后显色范围的改变来判断锚杆所受轴力的大小，这种装置的结构复杂加工要求高，且通过肉眼观察可能会导致测量结果的不准确；液压枕式锚杆轴力监测装置是通过观测钢弦式压力-频率转换器在经过液压枕受力后转换出的频率信号来获得对应的锚杆轴力，这种装置结构复杂不易操作，且无法实现对锚杆质量的大规模有效检测。

发明内容

本发明针对现有锚杆监测装置存在的监测准确度不稳定，安装复杂的问题，提供一种FBG测力锚杆的测力方法。

本发明采用如下技术方案：

一种FBG测力锚杆的测力方法，包括如下步骤：

第一步，制作测力锚杆，在锚杆的表面沿轴向设置三个凹槽，凹槽深度为1.5mm，宽度为2mm，三个凹槽沿轴向截面互成120°夹角，距离锚杆的两端20cm处分别设置标记Ⅰ，两个标记Ⅰ之前等间距设置三个标记Ⅱ，标记Ⅰ和标记Ⅱ处分别设置FBG传感器，凹槽内分别设置FBG光栅，FBG光栅上分别等间距设置5个FBG传感器，凹槽的空隙设置填充层，静置12h以上备用；

第二步，锚杆上的FBG光栅通过光纤连接线与解调仪的输入端连接，解调仪的输出端通过光纤连接线与电脑的输入端连接；

第三步，测定锚杆的轴向载荷：分别将每个FBG光栅所获得的应变取均值，得锚杆上一点的应变ε，根据锚杆应变与所受轴力的线性关系得的锚杆所受轴向载荷，计算公式如下：F=SEε，其中，S为锚杆的截面面积，E为锚杆材料的弹性模量；

第四步，测定锚杆的侧向载荷：