一种用于锚杆锚固质量检测的双光纤光栅传感器

摘要

本发明公开了一种用于锚杆锚固质量检测的双光纤光栅传感器，包括一个夹住锚杆端头的圆环形外壳的夹子，夹子内壁上沿锚杆轴向方向一端设有一块弹性块I，另一端设有弹性块II，在所述的弹性块I内放置一个传感光栅，在所述的弹性块II内放置一个处于自由状态的匹配光栅，且传感光栅、匹配光栅的布拉格光栅参数相同；两个光栅位于同一根光纤上且相隔设定的距离，所述的光纤穿出夹子，与数据处理装置相连；在锚杆端头激发弹性波后，沿锚杆体内传播的弹性波或经过反射的弹性波作用在传感光栅上时，会引起传感光栅反射光谱中心波长的偏移，经过与匹配光栅反射谱的交叠区域的光强度的解调以及数据的处理，得到弹性波信号的时域或频域特性。

说明书

技术领域

本发明公开了一种用于锚杆锚固质量检测的双光纤光栅传感器。

背景技术

锚杆在公路、铁路、矿山、土木建筑等工程中大量使用，主要用于边坡加固和地下支护。在锚杆锚固技术中，锚杆嵌入岩石中的长度及锚杆与岩石间的砂浆饱和度是评价锚杆能否发挥其最大效用的关键，因此对这两项技术指标进行评价是锚杆锚固质量检测的主要任务。传统的锚杆锚固质量检测方法是拉拔试验法和取芯法，这种方法虽然直观，但此方法是一种破坏性检测，存在很大的局限性。随后发展起来的有电阻应变计式、差动电阻应变计式、钢弦式和液压枕式等几类传感器，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、抗干扰性能差等问题，不能很好满足工程的实时检测需要。光纤布拉格(Bragg)光栅传感器具有抗电磁干扰、尺寸小和重量轻等优点，本质上是利用应变变化来引起反射光波长变化，外界环境对波长的影响很小，故光纤光栅传感器成为近几年业界研究的热点。针对光纤光栅器件制作的传感器有一些研究报道，如武汉理工大学姜德生、南秋明等使用粘贴式光纤光栅传感器对预应力锚杆应力进行分布和长期检测；西安科技大学柴敬、李毅等人研制了带有温度补偿的光纤光栅锚杆测力计；这些传感器都是通过对锚杆施加预应力然后利用光栅进行应力检测，属于静态力的测量，测量精度高，线性度较好，但结构相对复杂而且具有一定的破坏性。

发明内容

针对上述不足，本发明公开了一种结构简单，安装方便，破坏性小，获得信号丰富，温度自补偿、灵敏度高、可实现动态测量的锚杆锚固质量检测的双光纤光栅传感器。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于锚杆锚固质量检测的双光纤光栅传感器，包括一个夹住锚杆端头的圆环形外壳的夹子，夹子内壁上沿锚杆轴向方向一端设有一块弹性块I，另一端设有中空弹性块II，在所述的弹性块I内的凹槽里放置一个传感光栅，在所述的弹性块II中空处放置一个处于自由状态的匹配光栅，且传感光栅、匹配光栅的光纤布拉格光栅参数相同；两个光栅位于同一根光纤上且相隔设定的距离，所述的光纤一端穿出夹子，与解调光路及显示装置相连；在锚杆端头激发弹性波后，沿锚杆体内传播的弹性波或经过反射的弹性波作用在传感光栅上时，会引起传感光栅反射光谱中心波长的偏移，经过与匹配光栅反射谱的交叠区域的光强度的解调以及数据的处理，得到弹性波信号的时域或频域特性。

所述的解调光路及显示装置包括光源、耦合器、光电转换器和示波器，所述的光纤的引出端连接耦合器的一个输出端，耦合器的一个输入端连接光源，另一个反射输入端连接光电转换器，所述的光电转换器与示波器相连。

所述的传感光栅黏贴于弹性块I内部的凹槽内。

所述的弹性块I、弹性块II均牢固粘贴于夹子内壁上。

所述的匹配光栅在中空弹性块II的保护下自由放置，不受压力。

所述的弹性块I用于感知锚杆的弹性波，且将弹性波间接作用于传感光栅上。

所述两个光栅为同样参数，在一根光纤上加工刻制而成，空间保留距离，用来保证两个光纤布拉格光栅放置在两块弹性体中。

为了更灵敏的检测到信号，两个光栅的栅长要小于施加的激振信号在锚杆中传播波长的一半；

所述匹配光栅对传感光栅具有温度、扰动补偿作用。

所述的同一根光纤上两个光栅为强度解调原理，当传感光栅的中心波长发生偏移时，传感光栅的反射谱与匹配光栅的反射谱重叠部分的面积发生改变，即光强度发生改变，最终转换成电信号就发生变化，以在示波器上进行显示。

本发明采用上述结构，在锚杆端头激发弹性波后，沿锚杆体内传播的弹性波或经过反射的弹性波作用在传感光栅上时，会引起传感光栅反射光谱中心波长的偏移，经过与匹配光栅反射谱的交叠区域的光强度的解调，以及后期数据的显示和处理，得到弹性波信号的时域或频域特性，为锚杆锚固质量的分析提供有力依据。

本发明的有益效果如下：

本发明虽然也采用光纤光栅器件，但是通过感受激振引起的应力反射波的方法而不是直接施加在锚杆上的力，而且采用前后一样参数的两个FBG器件来实现，利用两个FBG反射谱重叠区域的能量来间接测量锚杆锚固质量，属于强度解调。在测量结构上采用FBG最容易敏感的轴向方向，保证引起弹性结构体的受力变形，以及引起FBG反射谱波形漂移的变化之间成本质线性关系。而且采用两个参数相同的光栅，可以消除温度影响和外部干扰。

附图说明

图1本发明在实施状态的结构图；

图2本发明传感器部分结构图；

图中:1岩石，2夹子，3锚杆，4，光纤引线，5弹性块I，6传感光栅，7弹性块II，8匹配光栅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明:

用于锚杆锚固质量检测的双光纤光栅传感器，包括一个可以夹住设于岩石1中的锚杆3端头的圆环形外壳的夹子2，夹子2内壁上沿锚杆轴向一侧粘贴一块弹性块I5，另一侧粘贴一块与弹性块I5尺寸相当的中空的弹性块II7，传感光栅6放置于弹性块I5的凹槽里，匹配光栅8放置于弹性块II7中空部分处于自由状态，两个光纤布拉格光栅参数相同，是在一根光纤上相距一段距离通过紫外线刻制加工的，该根光纤通过光纤引线4引出夹子后，连接解调光路及显示装置；该装置包括光源、耦合器、光电转换器和示波器，光纤的引出端连接耦合器的输出端，耦合器的一个输入端连接光源，另一个反射输入端连接光电转换器，所述的光电转换器与示波器相连。

传感器接收用激振小锤施加于锚杆端头的激振信号，敷设在弹性块I5凹槽里的传感光栅用胶密封，弹性块I5感知弹性波然后作用于传感光栅上。匹配光栅在弹性块II7的保护下自由放置，免受压力。两块弹性块均牢固粘贴于夹子2内壁上。

两个光纤布拉格光栅为同样参数，在一根光纤上加工刻制而成，空间保留一定距离，用来保证两个光纤布拉格光栅放置在弹性块I5、弹性块II7中。

为了更灵敏的检测到信号，两个光栅的栅长要小于施加的激振信号在锚杆中传播波长的一半；

匹配光栅8还具有一定的温度、扰动等补偿作用。

同一根光纤上两个光栅为强度解调。

本发明采用上述结构，在锚杆3端头激发弹性波后，沿锚杆3体内传播的弹性波或经过反射的弹性波作用在传感光栅6上时，会引起传感光栅6反射光谱中心波长的偏移，经过与匹配光栅8反射谱的交叠区域的光强度的解调，以及后期数据的处理，得到弹性波信号的时域或频域特性，为锚杆锚固质量的分析提供有力依据。