專利名稱：光纖光柵錨桿應力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖壓力傳感器，尤其涉及一種利用光纖布拉格光柵檢測 拉一壓應力變化的光纖光柵錨桿應力傳感器。
背景技術：
礦井頂板壓力是礦山的特大自然災害之一，近年來由于掘進面的不段延伸 和開采范圍的擴大，礦井冒頂事故不斷發(fā)生，已嚴重威脅著礦山的生產安全， 發(fā)生時會造成巨大的經濟損失和人員傷亡。作為礦井安全生產重要保障手段之 一的頂板壓力檢測越來越受到高度重視，對頂板壓力檢測的準確性可靠性及在 線實時監(jiān)測能力要求也越來越高，從而對壓力傳感器提出了更高的要求。
傳統的錨桿壓力傳感器多采用液壓加機械壓力表的形式。這種傳感器的傳
感原理為:外界壓力通過錨桿將壓力傳遞給液體，通過機械壓力表對液體壓力 的變化進行人為觀察。不能進行在線監(jiān)測。
現有的光纖光柵錨桿壓力傳感器(專利號ZL2000720020684.7)，結構如 圖6所示包括外套17和內套16，外套17設在內套16外，外套17—端開 口、另一端開有園孔；內套兩端分別設有凸沿22， 一端凸沿直徑大于外套的 外徑，另一端凸沿直徑稍小于外套的內徑，外套17上設有光纖引出通道20， 內套16圓柱面垂直方向上粘貼測量應力應變的光纖光柵21，其尾部光纖19 從光纖引出通道20的內孔引出到光信號解調裝置上。由于這種傳感器是直接 將光纖光柵21貼在內套16的筒壁上，這樣如果在軸向受力情況下因為加工誤 差的影響不能確定那點的變形是有規(guī)律的。傳感器的檢測系數不可調。而且光 柵的粘貼要進行很大的幅度的預拉伸，因此不易控制，并且傳感器的軸向高度 也太大不利使用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是為了礦井下的頂板在線監(jiān)測提供一種實用頂板動態(tài)的 災害預測光纖壓力傳感器，并可適用于所有錨桿，錨索所受拉--壓應力的在線 檢測。
本方案是通過如下技術措施來實現的它包括測力底座以及設置于測力底 座上的第一布拉格光纖光柵，所述第一布拉格光纖光柵通過光纖與光波長解調 儀連接，其特征是所述測力底座為中空結構且包括頭部、頸部和肩部，所述測 力底座內置傳力螺母，所述傳力螺母上部和下部均為圓柱體，中部為圓臺，所 述傳力螺母與測力底座內腔相適配，傳力螺母上的圓臺外緣的傳力斜面與測力
底座內壁的承力斜面是接觸面；在所述測力底座的外壁對應內壁上的承力斜面
位置設置有固定支架和可調支架，可調支架上設置有相對于固定支架調整位置 的調節(jié)板，第一布拉格光纖光柵兩端分別固定在調節(jié)板和固定支架上面，第一 布拉格光纖光柵位于調節(jié)板和固定支架之間的部分懸空。
本方案的具體特點還有，所述第一布拉格光纖光柵靠近固定支架的一端熔接有第二布拉格光纖光柵，第二布拉格光纖光柵直接粘在測力底座肩部臺面 上，來檢測傳感器的溫度變化，當周圍環(huán)境的溫度變化較大時會影響第一布拉 格光纖光柵的實際變化值，這時通過第二布拉格光纖光柵檢測的實際溫度來對 第一布拉格光纖光柵的變化值進行修正。
固定支架和可調支架與測力底座外壁的連接點連線與垂直于軸線的截面 圓共面且經過截面圓圓心。此處位置是測力底座的細端變形最大回復最穩(wěn)定并 且是受力最小的位置。
傳力螺母為中空結構。當傳力螺母穿入測力底座的內腔后可從傳力螺母的 內孔穿過錨桿。
在測力底座頸部設置變形調節(jié)槽，用來調節(jié)測力底座外徑的變形程度，通 過調節(jié)變形調節(jié)槽的深淺以適應不同量程的要求，這樣可以使兩個以上傳感 器的測量系數相同，從而便于波長的解調。
可調支架和固定支架通過激光焊接在測力底座頭部外緣，通過調節(jié)調節(jié)板 來調整第一布拉格光纖光柵的初始狀態(tài)，并用固定螺母固定調節(jié)板。
在所述測力底座肩部的外緣上設置有下護蓋，下護蓋通過螺紋與上護蓋連 接在一起、測力底座的頭部穿入上護蓋頂部中孔內，所述上護蓋頂部中孔包括 直徑不同的兩部分，大孔徑部分與測力底座頭部外緣相適配，小孔徑部分與傳 力螺母的旋入部分相適配，在護蓋頂部中孔內壁上設置有與傳力底座相配合的
密封圈槽，在所述密封圈槽中嵌入o型密封圈。在測力底座的外側、下護蓋、
上護蓋之間行成一個封閉的空間防止了水的進入。
在所述下護蓋上設置有光纜接頭安裝孔?？烧{支架端連接有光纖，光纖的 另一端從專用的光纜接頭的內孔穿過，并且連接到光波長解調儀來檢測波長的 變化。傳力螺母下部的底端設置有與測力底座上的內螺紋配合的外螺紋，所述 傳力螺母外表面上與所述外螺紋相鄰設置有讓位槽，所述讓位槽可使傳力螺母 穿入測力底座的內孔后在讓位槽的范圍內軸向移動。
本方案的有益效果可根據對上述方案的敘述得知測力底座的內腔有一個 承力斜面，用來承接傳力螺母從錨桿上傳來的壓力，并且在測力底座肩部的內 腔有一個限位內螺紋(如圖1、 3、 4)。在傳力螺母(如圖1和圖3)的外緣上 相應的也有一個相同角度的傳力斜面Al (如圖3)，傳力斜面Al用來改變錨桿 上傳來的壓力的方向通過傳力螺母上的傳力斜面Al和測力底座上的承力斜面 A2的共同作用將通過錨桿傳導來的軸向壓力變成徑向力，使測力底座發(fā)生徑 向形變。通過傳力螺母與測力底座的斜面的共同作用改變拉力的傳導方向，使 檢測精度提高，光纖光柵錨桿應力傳感器的尺寸大大縮小。受外界不必要的影 響更小。使光纖光柵錨桿應力傳感器可以實際在礦山上大規(guī)模的使用。
光纖光柵錨桿應力傳感器主要通過對光纖光柵的特殊封裝，使其對待測參 量敏感，并且通過光纖光柵波長的變化來測量頂板錨桿壓力的，并可實現多點 實時檢測。相對于以前的錨桿壓力傳感器，本發(fā)明具有分辨率高、重復性好、 響應時間短、測量范圍大、檢測系數可調，可進行實時在線等特點；且對現有 光纖光柵錨桿測力傳感器在防水、光纖保護、結構簡單、易于安裝等方面都有改進，因此本發(fā)明與現有技術相比，實現了技術目的。


圖1、光纖光柵錨桿應力傳感器總裝示意圖2、卸去傳力螺母1，上護蓋3的光纖光柵錨桿應力傳感器俯視示意圖; 圖3、光纖光柵錨桿應力傳感器零配件組成立體示意圖； 圖4、讓位槽B,外螺紋C1和內螺紋C2接合關系局部示意圖； 圖5、光纖光柵錨桿應力傳感器現場安裝示意圖； 圖6、現有技術ZL2000720020684. 7中的傳感器結構示意圖； 圖7、光纖光柵錨桿應力傳感器的壓力與波長的關系示意圖； ' 圖中1、傳力螺母；2、密封圈；3、上護蓋；4、下護蓋；5、光纜接頭; 6、光纖；7、測力底座；8、固定支架；9、第一布拉格光纖光柵；10、可調支 架；11、調節(jié)板；12、固定螺母；13、裝成的光纖光柵錨桿壓力傳感器；14、 礦用錨桿；15、第二布拉格光纖光柵；Al、傳力斜面；B、讓位槽；Cl、外螺 紋；A2、承力斜面；C2、內螺紋；D、變形調節(jié)槽；S、密封圈槽；T、肩部； 16、內套；17、外套；18、固定螺母；19、光纖；20、光纖接頭安裝孔；21、
光柵；22、內套凸沿；23、礦用鎖緊螺母。
具體實施例方式
如圖1-2所示，它包括測力底座7以及設置于測力底座7上的第一布拉格 光纖光柵9，所述第一布拉格光纖光柵9通過光纖6與光波長解調儀連接，所 述測力底座7為中空結構且包括頭部、頸部和肩部T，所述測力底座7內置傳 力螺母l，所述傳力螺母l上部和下部均為圓柱體，中部為圓臺，所述傳力螺 母1與測力底座7內腔相適配，傳力螺母1上的圓臺外緣的傳力斜面Al與測 力底座7內壁的承力斜面A2是接觸面；在所述測力底座7的外壁對應內壁上 的承力斜面A2位置設置有固定支架8和可調支架10，可調支架10上設置有 相對于固定支架8調整位置的調節(jié)板11，第一布拉格光纖光柵9兩端分別固 定在調節(jié)板11和固定支架8上面，第一布拉格光纖光柵9位于調節(jié)板11和固 定支架8之間的部分懸空。
本方案的具體特點還有，所述第一布拉格光纖光柵9靠近固定支架8的一 端熔接有第二布拉格光纖光柵15，第二布拉格光纖光柵15直接粘在測力底座 7肩部T臺面上，來檢測傳感器的溫度變化，當周圍環(huán)境的溫度變化較大時會 影響第一布拉格光纖光柵的實際變化值，這時通過第二布拉格光纖光柵15檢 測的實際溫度來對第一布拉格光纖光柵9的變化值進行修正。
固定支架8和可調支架10與測力底座7外壁的連接點連線與垂直乎軸線 的截面圓共面且經過截面圓圓心。此處位置是測力底座7的頭部變形最大回復 最穩(wěn)定并且是受力最小的位置。傳力螺母1為中空結構。當傳力螺母1穿入測 力底座的內腔后可從傳力螺母的內孔穿過錨桿。
在測力底座7頸部設置變形調節(jié)槽D，用來調節(jié)測力底座7外徑的變形程 度，通過調節(jié)變形調節(jié)槽D的深淺以適應不同量程的要求，這樣可以使兩個以 上光纖光柵錨桿應力傳感器的測量系數相同，從而便于波長的解調?？烧{支架10和固定支架8通過激光焊接在測力底座7頭部外緣，通過調 節(jié)調節(jié)板11來調整第一布拉格光纖光柵9的初始狀態(tài)，并用固定螺母固定調 節(jié)板11。在所述測力底座7肩部T的外緣上設置有下護蓋4，下護蓋4通過螺 紋與上護蓋3連接在一起、測力底座7的頭部穿入上護蓋3頂部中孔內，所述 上護蓋3頂部中孔包括直徑不同的兩部分，大孔徑部分與測力底座7頭部外緣 相適配，小孔徑部分與傳力螺母1的旋入部分相適配，在上護蓋3頂部中孔內 壁上設置有與測力底座7相配合的密封圈槽S，在所述密封圈槽S中嵌入O型 密封圈。在測力底座7的外側、下護蓋4、上護蓋3之間行成一個封閉的空間 防止了水的進入。
在所述下護蓋4上設置有光纜接頭安裝孔20。可調支架10端連接有光纖 6，光纖6的另一端從專用的光纜接頭的內孔穿過，并且連接到光波長解調儀來 檢測波長的變化。傳力螺母1下部的底端設置有與測力底座7上的內螺紋C2 配合的外螺紋Cl，所述傳力螺母1外表面上與所述外螺紋Cl相鄰設置有讓位 槽B，所述讓位槽B可使傳力螺母1穿入測力底座7的內孔后在讓位槽B的范 圍內軸向移動。
如圖5在監(jiān)測點巖體上打 L，將錨桿置入洞中，用錨固劑將錨桿固定在巖 體上。將傳感器的測力底座7和傳力螺母1的內孔穿過錨桿，并以礦用鎖緊螺 母23固定，并預先施加一定的壓力，在檢測的同時可以對頂板和圍巖進行錨 固。當傳力螺母1受到錨桿傳來的軸向壓力時，壓力通過傳力螺母1的傳力斜 面Al和測力底座7上的承力斜面A2互相作用后方向改變并引起測力底座7 頭部的外徑的形變，從而帶動固定支架8 、可調支架10產生位移拉動第一布 拉格光纖光柵9，這樣就將頂板壓力有效的轉化為光纖光柵的縱向應變，，使得 第一布拉格光纖光柵9的對單色光的反射波長變化，通過檢測波長變化便可以 知道所受到的壓力狀況，從而達到測量目的。
傳感器的壓力需要認真的標定其壓力與波長的關系如圖8的示例，并計
算出系數。其壓力與波長的計算公式如下
P=AAKi
其中P是壓力值；/U是第一布拉格光纖光柵9波長受到壓力影響的變化 值；1d是第一布拉格光纖光柵9在實際標定時得出的壓力變化系數
AA i是第一布拉格光纖光柵9總的波長變化值。T是傳感器的實際溫度。 Kt是第一布拉格光纖光柵9受溫度影響的變化系數在實際當中標定得'到。
T=AA2K2
/U2是第二布拉格光纖光柵15的波長變化值。K2是第二布拉格光纖光柵15 受溫度影響的變化系數，預先標定好的。
權利要求
1、一種光纖光柵錨桿應力傳感器，它包括測力底座以及設置于測力底座上的第一布拉格光纖光柵，所述第一布拉格光纖光柵通過光纖與光波長解調儀連接，其特征是所述測力底座為中空結構且包括頭部、頸部和肩部，所述測力底座內置傳力螺母，所述傳力螺母上部和下部均為圓柱體，中部為圓臺，所述傳力螺母與測力底座內腔相適配，傳力螺母上的圓臺外緣的傳力斜面與測力底座內壁的承力斜面是接觸面；在所述測力底座的外壁對應內壁上的承力斜面位置設置有固定支架和可調支架，可調支架上設置有相對于固定支架調整位置的調節(jié)板，第一布拉格光纖光柵兩端分別固定在調節(jié)板和固定支架上面，第一布拉格光纖光柵位于調節(jié)板和固定支架之間的部分懸空。
2、 根據權利要求1所述的光纖光柵錨桿應力傳感器，其特征是所述第一布 拉格光纖光柵靠近固定支架的一端熔接有第二布拉格光纖光柵，第二布拉格光 纖光柵直接粘在測力底座肩部臺面上。
3、 根據權利要求1所述的光纖光柵錨桿應力傳感器，其特征是固定支架和 可調支架與測力底座外壁的連接點連線與垂直于軸線的截面圓共面且經過截面 圓圓心。 -
4、 根據權利要求3所述的光纖光柵錨桿應力傳感器，其特征是可調支架和 固定支架通過激光焊接在測力底座頭部外緣。
5、 根據權利要求1所述的光纖光柵錨桿應力傳感器，其特征是在測力底座 頸部設置變形調節(jié)槽。
6、 根據權利要求1所述的光纖光柵錨桿應力傳感器，其特征是傳力螺母為 中空結構。
7、 根據權利要求1所述的光纖光柵錨桿應力傳感器，其特征是在所述測力 底座肩部的外緣上設置有下護蓋，下護蓋通過螺紋與上護蓋連接在一起、測力 底座的頭部穿入上護蓋頂部中孔內，所述上護蓋頂部中孔包括直徑不同的兩部 分，大孔徑部分與測力底座頭部外緣相適配，小孔徑部分與傳力螺母的旋入部 分相適配，在護蓋頂部中孔內壁上設置有與傳力底座相配合的密封圈槽，在所 述密封圈槽中嵌入0型密封圈。
8、 根據權利要求7所述的光纖光柵錨桿應力傳感器，其特征是在所述下護 蓋上設置有光纜接頭安裝孔。
9、 根據權利要求7所述的光纖光柵錨桿應力傳感器，其特征是傳力螺母下 部的底端設置有與測力底座上的內螺紋配合的外螺紋，所述傳力螺母外表面上 與所述外螺紋相鄰設置有讓位槽，所述讓位槽可使傳力螺母穿入測力底座的內 孔后在讓位槽的范圍內軸向移動。
全文摘要
一種光纖光柵錨桿應力傳感器，它包括測力底座以及設置于測力底座上的第一布拉格光纖光柵，第一布拉格光纖光柵通過光纖與光波長解調儀連接，測力底座為中空結構且包括頭部、頸部和肩部，測力底座內置傳力螺母，傳力螺母上部和下部均為圓柱體，中部為圓臺，傳力螺母與測力底座內腔相適配，傳力螺母上的圓臺外緣的傳力斜面與測力底座內壁的承力斜面是接觸面；在測力底座的外壁對應內壁上的承力斜面位置設置有固定支架和可調支架，可調支架上設置有相對于固定支架調整位置的調節(jié)板，第一布拉格光纖光柵兩端分別固定在調節(jié)板和固定支架上面，第一布拉格光纖光柵位于調節(jié)板和固定支架之間的部分懸空。本發(fā)明用于所有錨桿錨索所受拉壓應力的在線檢測。
文檔編號G01L1/24GK101576422SQ20091001636
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權日2009年6月18日
發(fā)明者劉統玉, 忠 周, 李淑娟, 昌 王 申請人:山東省科學院激光研究所