（采矿工程专业论文）基于光纤光栅测试的全长锚固锚杆实验研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 基于光纤光栅测试的全长锚固锚杆实验研究 采矿工程 冯仁俊 柴敬 摘要 1 ( 签名) 遥 三丝 ( 签名) 如 锚杆支护是目前井巷工程中应用最为广泛的一种支护方式。但是由于锚杆受力状态 的复杂性，使得锚杆在支护过程中的应力应变测试很困难。本论文以锚杆受力分析和光 纤光栅特性分析为理论基础，研究了光纤光栅传感技术对锚杆应力应变的测试应用，为 锚杆支护提供一种新的监测方法。 在借鉴前人的成果上，首先从理论上分析了张拉载荷下全长锚固锚杆杆体形变过 程，分析出轴力与锚固深度成指数函数递减的关系；剪应力的分布范围因介质弹性模量 的增大而减小等。为实验分析提出了理论依据。 光纤光栅传感器是近年来新兴起来的一种传感器。在光纤光栅传输理论的基础上， 分析了光纤光栅轴向应变与轴向力传感特性。并提出了光纤光栅锚杆监测系统，分析了 系统原理。 在理论分析的基础上，本论文针对封装有光纤光栅的全长锚固金属锚杆做了对比拉 拔实验，测试杆体在不同介质拉拔中的形变过程。并利用数值分析的方法对实验结果进 行了分析，实验可信度比较高，但也存在一定误差。实验表明：将光纤光栅粘贴在金属 锚杆表面对锚杆进行受力监测是可行的，实验结果与理论分析十分吻合。 关键词：金属锚杆；光纤光栅；传感器；应力应变；实验；传递系数 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：t h ee x p e r i m e n ts t u d yo ff u l lg r o u t i n gb o l tb yo p t i c a lf i b e r g r a t i n gs e n s i n g s p e c i a l t y ：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：f e n gr e n j u n i n s t r u c t o r ：c h a ij i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) 掣垮 t h er o c kb o l t i n gi st h em o s tw i d e l ys u p p o r t i n gm e t h o di nt h eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g b u tt h et e s to ft h es t r e s sa n dt h es t r a i ni sv e r yd i f f i c u l tb e c a u s eo ft h ec o m p l i c a t i o no ft h e a n c h o r ss t r e s ss t a t e t h ep a p e rs t u d i e dt h ea p p l i c a t i o no ft h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r sf o r t h er o c kb o l t i n gs u p p o r tb a s e do nt h es t r e s ss t a t ea n a l y s e so ft h ea n c h o ra n dt h et r a n s m i s s i o n p e c u l i a r i t yo f t h ef b g t h ep a p e r ss u c c e s sw i l lo f f e ran e w t e s tw a y f i r s t ，b a s e do nt h eo u t c o m eo fo t h e rs a v a n t s ，i ta n a l y z e dt h ed e f o r m a t i o no ft h ef u l l g r o u t i n gb o l tu n d e rt e n s i l el o a d i n g ，a c q u i r e dt h a tt h ea x i a lt e n s i o nd i m i n i s h e dw i t ht h e e x p o n e n te q u a t i o ni nt h ea n c h o r a g ed e p t h ，a n dt h ed i s t r i b u t i o ne x t e n to ft h es h e a rs t r e s sw i l l d i m i n i s hw i t ht h ep a r a m e t e r s i n c r e a s eo ft h ec o h e r i n gm e d i u m e t c i tp r e p a r e df o rt h eb a s i c t h e o r yo f t h ee x p e r i m e n t t h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o ri so n eo ft h es e n s o rt h a td e v e l o p e dm p i d l yr e c e n t l yy e a r s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fl i g h tt r a v e li nf b gt h ed e f o r m a t i o nw i t l lt h es t r e s so f a x i sp r o p e r t i e s h a v eb e e na n a l y z e d ，t h e nt h er o c ko b s e r v a t i o ns y s t e mo ff i b e rb r a g gg r a t i n gs c n s o r sh a v e b e e ng i v e n ，a n da n a l y z e dt h et h e o r e mo ft h es y s t e m i tp o i n t e do u tt h a tt h es y s t e mi sf i tf o r n o to n l yt h eu n i t ya n c h o rb u ta l s ot h ea n c h o rg r o u p b a s eo nt h et h e o r ya n a l y s e s ；t h ep a p e rt e s t e dt h ed e f o r m a t i o nc o u r s ei nt h e p u l l e x p e r i m e n to ft h ef u l lg r o u t i n gb o l tw i mf i v ef b gt h e n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sh a v eb e e n a n a l y z e db yn u m e r i c a la n a l y s e s ；i ti s s h o w e dt h a tt h ec r e d i b i l i t yi sw e l lt ot h ew h o l e e x p e r i m e n t sf o ra l lt h a tt h e r ei ss o m ed e f l e c t i o n t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a ti t i s w o r k a b l eu s et h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rt e s tt h ed e f o r m a t i o no ft h ea n c h o r ，t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h a tf r o mt h e o r e t i c a la n a l y s e sc o h e r i n gm e d i u m k e yw o r d s ：r o c kb o l to p t i c a lf i b e rg r a t i n g s e n s o r s s t r e s sa n ds t r a i n e x p e r i m e n t t r a n s f e rc o e f f i c i e n t t h e s i s ：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h 西要拜技太攀 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：商仁缓日期：。瑚形， 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：为彳二饭指导教师签名：! 协 斩年，月 日 l 绪论 1 1 问题的提出 1 绪论 我国的煤炭资源丰富，煤炭产量世界首位，而且煤炭在我国一次能源生产和消费中 占7 5 。由于我国煤炭赋存条件复杂，绝大多数矿井采用井工开采。巷道作为煤矿井下 生产的脉络，每年巷道掘进和维护达千万米，保持起畅通和完好状态对改善井下的劳动 条件和作业环境以及防止巷道顶板事故，保证矿井正常生产和安全生产具有重要的意 义。锚杆支护是现在煤矿行业中维护巷道稳定中最常用的一种支护方式。它是一种主动 支护方式，对巷道围岩强度具有强化作用，可以显著提高围岩的稳定性，加之具有支护 成本低、成巷速度快、经济效益好等优点，因此代表了将来煤矿巷道支护技术的主要发 展方向。随着支护理论的逐渐发展，锚杆支护方式越来越多的运用在各个领域，例如 隧道、公路、边坡以及其他行业，给社会带来了很大的经济效益。 锚杆工作后的力学状态，对锚杆加固机理的了解、加固作用的可靠性评价、锚杆设 计参数的合理选择，均具有十分重要的工作意义1 2 j 。同时，锚杆支护现代理念的动态信 息法，也要求能够迅速地将锚杆支护后的信息反馈给工作人员，以便工作人员可以及时 的做出调整，指导往后的支护。然而到目前为止，锚杆杆体受力的测试目前仍然是一件 比较困难的事情。加上锚杆支护的隐蔽性和锚杆支护材料本身存在的问题，使得锚杆支 护也并非万能的支护方式。近几年来，因为锚杆支护失效而带来的安全问题也时有发生。 给安全生产和社会效益带来了一定的负面影响。 传统的测试手段比较的多，也具有本身的优点，但是都难以有效地对支护中的锚杆 杆体的受力状态、整个受力变化过程做出准确的测试；加之具有整个监测过程周期较长、 设备安装极其繁琐，无法对这个过程进行长期有效的监测。这些缺点都无法满足锚杆现 代动态设计法的要求。 光纤传感技术的存在，可以为在这方面的监测提供更好的监测方法。光纤具有损耗 低、频带宽、信息量大、无感应、对小变形敏感等特点。目前已在通讯、计算机、自动 控制、生物医学、计量测试、交通运输、国防军工以及家用电器等许多领域获得了广泛 的应用。而将光纤光栅传感技术用于力学测试还是近年发展起来的一门新技术。虽然如 此，但由于光纤传感器有其独特的优点，使其发展很快，特别是在土木工程中的应用。 如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海洋采油平台以及输油、供 水、供气等体积大、跨度长、分布面积大的大型系统。利用光纤传感器可以测试这些系 统的内部破坏情况。 鉴于光纤传感器的这些独特的优点，本课题主要研究b r a g g 光纤光栅在全长锚固锚 西安科技大学硕士学位论文 杆监测系统中的运用。 1 2 锚杆支护与研究现状 1 2 1 锚杆的种类及其支护的优越性 根据锚固长度可以划分为集中锚固类型和全长锚固类锚杆。集中锚固类锚杆指的是 锚杆装置和杆体只有一部分和锚杆孔壁接触的锚杆，如端头锚固、点锚固的锚杆。全长 锚固类锚杆指的是锚固装置或锚杆杆体在全长范围内全部和锚杆孔壁接触的锚杆，如各 种摩擦式锚杆、全长沙浆锚杆、树腊姻4 t - 杆等。具体分类如图1 1 所示。 锚杆按锚固方式可以分为机械锚固型和黏结锚固型：根据材质不同可以分为钢丝 绳、钢筋、螺纹钢、木、竹锚杆等。 各种锚杆优缺点如表1 1 所示。 表1 1 各种类型锚杆的主要优缺点 由于锚杆支护显著的技术经济优越性，现在己发展成为世界各国矿业巷道以及其他 一些地下工程支护的一种主要形式。早在2 0 世纪4 0 年代，美国，前苏联就已经在井下 巷道使用锚杆支护，以后便在各个行业中得到了迅速的发展。 我国从1 9 5 6 年开始在煤矿岩巷中使用锚杆支护技术，至今有近5 0 年的历史。经过 这些年的努力发展，锚杆支护技术取得了很大的成绩。锚杆支护的优越性主要有钛f 几 点： ( 1 ) 改善围岩受力状态 巷道开挖后，围岩的受力状态发生改变。不同部位的岩体，由于受力状态不同，表 现的强度特性也不同。当打入锚杆后，由于锚杆与围岩的相互作用，使得巷道围岩受力 状态也发生改变。表现在【3 4 】：锚杆与岩体黏结在一起，提高了岩体刚度，增强了岩 体的并行能力，加强了岩体的整体性。由于锚杆的抗拉作用，当锚杆穿越破碎岩层深 2 l 绪论 入稳定岩层时，对不稳定岩层起着悬吊作用。对于层状岩层，由于锚杆的作用，对岩 层离层的产生有着一定的阻碍作用，并增大了岩层间的摩擦力，与锚杆本身的抗剪作用 阻止岩层间产生相对滑动，从而将各个岩层夹紧形成组合梁，提高岩层的承载能力。 图1 1 锚杆类型分类 ( 2 ) 变“被动”支护为“主动”支护 一般的棚式支护基本不具有初阻力，不可能紧贴围岩或不能全部紧贴围岩，往往形 成点状受力。只有当围岩破碎、离层后，随着围岩变形的增加，支架支护阻力才随着增 西安科技大学硕士学位论文 加，才能发挥棚子的支撑作用，属于“被动”支护。锚杆支护是完全不同的一种崭新 支护方式。它利用锚固剂、锚杆、拖板及各个构件或喷层，给围岩一定的支护强度，且 随围岩变形支护阻力不断增加，与围岩共同组成支护体系，承受各种围岩应力达到支护 目的，通常使用的锚杆支护属于“主动”支护。 ( 3 ) 减少巷道维修量 锚杆支护能及时加固围岩，从而减少围岩变形，防止项板早期离层和片帮，更有利于改 善巷道维护状况。 ( 4 ) 降低支护成本 采用锚杆支护可以大幅度节约大量的刚才，木材等支护材料，降低支护成本，有利 于节约自然资源，改善生态环境。 除此之外，锚杆支护还有简化工作面超前支护、提高掘进速度、消除安全隐患、减小工 人劳动强度、减小运输量、有利于生产组织等优点。 1 2 2 锚杆支护监测的必要性 虽然我国锚杆技术有了很大的进步，但是由于煤层巷道围岩受采动影响后，围岩变 相量很大，对支护要求很高。加之锚杆支护理论、设计方法、锚杆材质、实施工具、监 测手段等还不完善，因而发展十分的缓慢。同时，随着锚杆使用范围的广大，也出现了 很多的安全问题。近年来，因为锚杆支护失效而发生的安全性事故有所增加。给安全生 产和社会效益带来了很大的负面影响。因此，对锚杆支护的工程质量监测就成为日常工 作中重要的组成部分p 8 1 。 ( 1 ) 锚杆支护是一项隐蔽性工程 之所以说锚杆支护是一项隐蔽性工程，是因为锚杆往往是埋设在土体或岩体里， 当锚杆失效时人们不容易察觉。所以一旦发生围岩失稳，没有什么先兆，事件突发性很 强。 ( 2 ) 锚杆支护不是万能的 在一些情况下，单纯的采用锚杆支护是不安全的，从近几年各个矿发生的掘进工作 面或后路顶板冒落事故案例中可以发现，锚杆支护能保证锚杆长度范围以内顶板离层变 形后产生的很大的支护抗力，但因上覆顶板离层，这种抗力已无助于恢复或提高顶板总 体抗剪强度。由此可见，即使使用尽量多的锚杆，行间距和排间距都很密集，把锚杆长 度范围内的顶板“钢”性化，也避免不了在锚杆长度以外的顶扳发生离层而导致冒落事 故。经过现场调查和分析，认为现行使用的锚杆支护手段在理论及实践上都不能保证对 顶板的百分百的控制。 ( 3 ) 锚杆支护材料本身存在的缺陷 通过现场发现的材料和配件达不到技术要求和加工精度的情况来看，一些人仍然把 4 绪论 锚杆材料视作一种简单的支护材料，与规范条例所要求的锚杆加工系列化、规范化、标 准化、科学化相差甚远，这对在各种复杂条件下的锚杆支护应用是一个很大的障碍。 f 是由于锚杆支护存在很多的局限性，导致了很多安全性的问题。这就把日常监测 提到程序上来。同时，对监测手段和仪器的要求也越来越高。 1 2 3 锚杆监测系统及其缺点 由于锚杆支护的隐蔽性，仅从表面很难准确的判断，况且一旦围岩破坏失稳，一般 没有什么明显的预兆，不易被人们发现，具有突发性。因此，应用科学可靠的仪器进行 锚杆支护监测工作，以便井下现场人员可以随时观测巷道围岩情况。发现异常，及时采 取措施，保证安全生产。通过监测获得围岩稳定情况的信息，进行科学分析后，还可以 根据结果来修改、完善设计。 长期以来，我国煤巷锚杆支护由于监测手段虽然很多，也有不同的优点。但也存在 着某些缺点，使得监测不够完善，不能很好地预测锚杆支护巷道顶板事故。 对于锚杆支护监测仪器，国内外有关科研、院校、厂矿等单位对锚杆监测进行了大 量的研究，得出了许多监测方法和监测仪器仪表，如测力锚杆、多点位移计、离层指示 仪、锚杆拉拔计、锚杆拉力计、锚杆测力计等。 ( 1 ) 测力锚杆 测力锚杆是测量锚杆全长锚固工作状态下受力的大小及分布状况的专用锚杆，在煤 巷中安装测力锚杆，其目的有三点： 分析锚杆和围岩的相互作用关系，研究全长锚固机理。 实测锚杆受力，确定支护强度，分析围岩的强化程度，为锚杆支护设计提供依。 根据锚杆受力变化，判断锚杆是否屈服，对顶板稳定做出预测，当锚杆受力突然 增大或大范围屈服时，提示人们及时采取措施，避免顶板冒落事故发生。 锚杆受力监测是锚杆支护技术的重要组成部分，美国、澳大利亚等国都十分重视测 力锚杆的研究、开发。我国也开展了测力锚杆的研制。各种测力锚杆的原理基本相同， 下面以中国矿业大学研制了k d l 一1 型测力锚杆为例简要介绍。 a ) 测力描杆的结构 中国矿业大学研制的k d l l 型测力锚杆已在邢台、新汉、丰城、晋城、克州等 矿务局应用，主要由杆体、保护接头、静态电阻应变仪、多通道转换开关、安装接头、 联接导线等几部分组成。 b ) 测力描杆的原理 锚杆作为一种构件，首先通过对其中某些点的应变进行测量，再经过数据处理和解析运 算，最后确定出被测部位的应力。利用电阻应变片及电阻应变仪，即可测试锚杆在受力 过程中的应变值变化。 西安科技大学硕士学位论叉 根据上述原理，电阻应变仪将被测物体的应变量转换成电压信号并放大输出。测得 锚杆在受力后的应变值，并根据所测得的应变及出实验室标定得到的锚杆所受拉力一应 变曲线，即可计算得到锚杆在使用过程中的受力值。 ( 2 ) 多点位移计 多点位移计是监测巷道在掘进和受采动影响的整个服务期间内深部围岩变形随时 间变化情况的一种仪器。安设多点位移计的目的是：了解巷道围岩各部分不同深度的 位移，岩层弱化和破坏的范围( 离层情况、塑性区、破碎区的分布等) ；判断锚杆与围 岩之间是否发生脱离，锚杆应变是否超过极限应变量；为修改锚杆支护设计提供依据。 国内外围岩深部多点位移计的种类很多，尽管它们具有不同的结构参数、组成和适 用条件，但其目的都一样，如中国矿业大学研制的k d w l 型机械式多点位移汁，煤炭 科学研究总院北京建井所研制的d w 机械式多点位移计，澳大利亚研制的声波多点位移 计等。 ( 3 ) 顶板离层指示仪 顶板离层指示仪是监测顶板锚固范阁内及锚固范围外离层值变化大小的一种监测 装置。 ( 4 ) 锚杆拉力计、液压枕 检测锚杆锚固力是了解锚杆实际受力状况和锚固质量，是否达到了设计锚固力，以 及是否出现了预应力松弛的量测工作。检测锚杆锚固力通常使用锚杆拉力计进行，必要 时进行锚杆拉拨试验，确定锚杆的最大锚固力；了解端锚锚杆的真实受力状态通常采用 锚杆测力计。 预应力锚索在施加预应力后，由于各种自然因素、人为因素和杆体材料的蠕变、锚 具的效率损失等影响，在相当长的一段时间内，其锁定预应力必然会发生变化，变化严 重时甚至会导致整个工程结构的失败。因此，各国标准都规定，必须对预应力进行长期 监测。我国现有锚索测力传感器主要有电阻应变计式、差动电阻应变计式和钢弦式等几 种类型1 9 i 。但这些预应力传感器主要有以下方面不足： 长期稳定性差。 由于锚索、锚杆埋在岩土体中，工作条件十分恶劣。而现有传感器防潮、防水、防 雷电、抗干扰性能差，不能完全适应地质灾害野外长期工作的恶劣环境，大多数传感器 在装上2 3 年内就失效了，没有达到长期监测的目的。 不能实现分布测量。 与锚索锚杆直接联系的对象是复杂多变的岩土体，锚索、锚杆的破坏机制复杂，目 前还没有一种锚索监测仪器能全面地反映出这种破坏机制，而且多是一些点式测量。 信号不能远距离传输。 电阻应变式和差动电阻式传感器的电信号一般都在微伏级至毫伏级之间，随着传输 6 1 绪论 距离的增加，噪声与干扰增大，灵敏度显著降低，一般使用距离在几米至十几米之间。 钢弦式传感器为交流频率信号，输出电压波形幅值有失真或衰减，对测量结果影响较小， 因此传输距离可远些，但也只能达到3 0 0 m 。地质灾害边坡监测一般都要求在远离危险 区以外进行，因此，要求预应力锚索传感器传输距离要尽量远一些。由于x 4 - ：；，索锚杆应 力分布及其长期工作状态缺乏有效的长期实时监测手段，不能及时准确地为锚索锚杆的 补张拉提供有效依据更无法及时发现锚索和工程结构的老化和损伤所引起的工程灾 害。 监测结果由于客观原因( 如人为影响) 带来的误差较大，且受到生产的影响。要 求一定数量的监测人员配置，且不能进行全自动信息化处理。同时，现行方法无法对监 测进行远程监控，像电测法类的监测由于远程监测损耗太大而无法进行，其它仪器监测 则必须在现场进行观测。 因此，目前工程应用中主要通过增加钢绞线直径和锚索总数，并采用定期更换的方 法来增大保险系数。这不仅造成巨大的浪费，而且也无法确保工程的安全。以上分析不 难看出，无论是从经济效益还是安全角度出发，研制和开发一些新的锚杆锚索监测系统 是十分必要的。而光纤光栅技术的存在极其自身的特点，为研究这样传感器提供了新的 途径。 1 3 光纤光栅传感技术的发展 1 3 1 光纤及光纤传感器的发展 光纤是7 0 年代为光通信而发展的一种新型材料，外直径1 0 0 1 5 01 tm ，柔软，易 弯曲。而光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来 的。它以光波为媒体，感知和传输外界被测量信号。光纤无需任何中间级就能把待测的 量与光纤内的导光联系起来，即它本身就是一个敏感元件。 1 9 7 9 年美国国家航空航天局( n a s a ) 首次把光纤埋入聚合物基复合材料内，此项 研究引起了世界上发达国家的关注【1 0 1 。1 9 8 2 年英国政府以贸易工业部( d t i ) 为首成 立了英国光纤传感器合作协会( o s c a ) ；1 9 8 3 年英国在曼彻斯特举行的欧洲传感器展 览会上展出了用于压力、温度、速度测量的全光纤干涉仪；德国西门子公司早在1 9 8 0 年 就制成了高压光纤电流互感器的实验样机：1 9 8 8 年美国弗吉尼亚州立大学和工学院召 开第一次关于“机敏材料与结构”方面的研讨会；1 9 9 0 年美国创刊发行了第一本发展 智能材料与结构技术的专业性期刊( j i n t e l l ，m a t rs y s & s t r u c ) ，到目前，涉及该领域 的学术期刊至少有5 种。 光纤具有损耗低、频带宽、信息量大、线径小、无感应、对小变形敏感等特点。目 前己在通讯、计算机、自动控制、生物医学、计量测试、交通运输、国防军工以及家用 西安科技大学硕士学位论叉 电器等许多领域获得了广泛的应用。当然将光纤传感技术用于力学测试还是近年发展起 来的- - f q 新技术。虽然如此，但由于光纤传感器有其独特的优点，使其发展很快，特别 是在土木工程中的应用。如桥梁、超高层建筑、大跨空间结构、大型水坝、核电站、海 洋采油平台以及输油、供水、供气等体积大、跨度长、分布面积大的大型系统。利用光 纤传感器可以测试这些系统的内部破坏情况。 用光纤制成的传感器与传统的传感器相比有许多优点： ( 1 ) 灵敏度高； ( 2 ) 无源器件，对被测对象不产生影响； ( 3 ) 光纤是电介质，耐高温，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠： ( 4 ) 可以与光纤遥测技术相配合，实现远距离测量和控制； ( 5 ) 在共同的技术基础上可以制成传感物理量不同的传感器： ( 6 ) 传感器体积小，重量轻； ( 7 ) 可以与计算机连接，实现多功能、智能化的要求； ( 8 ) 频带宽，动态范围大； ( 9 ) 几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的传感器和传感器阵列。 正是由于光纤传感器有如此多的优点，所以运用十分的广泛。在光纤传感器所应用 的领域中，所测试的材料均为高强度的材料，而且光纤可以埋入其中。应用比较广泛的 是混泥土结构。当混泥土结构因为受力或者温度改变而产生变形或微裂的时，就会引起 埋入其中的光栅产生变形，从而导致通过光栅内的光在光强、相位、波长方面发生变化。 1 9 8 9 年美国布朗大学( b r o w nu n i v e r s i t y ) 的门德斯( m e n d e z ) 等人首先提出了光纤 传感器用于钢筋混凝土结构的检测【1 1 ”】，并给出部分实验结果。从此以后，美国、加拿 大、英国、德国、日本的大学、研究机构等投入了大量力量研究埋入式光纤传感器在机 敏土建结构中的应用，其中尤阻美国的韦尔蒙特大学( v e r m o n tu n i v e r s i t y ) 的研究成 果最为突出”3 ，”】。他们将各种光纤传感器分别埋入到民用建筑、高层建筑、人行天桥、 洲际公路桥、铁路桥及水电大坝中，以检测结构或建筑物内部的应力、应变、结构振动， 结构损伤程度，裂缝的发生与发展等内部状态，并取得较好的测试结果。 把光纤传感系统埋入混凝土结构时，也就形成了智能建筑材料。具体应用时，在材 料与结构的关键部位埋入光纤传感或阵列，探测其在使用、运行过程中内部应力、应变 变化，并对由于外部荷载、材料疲劳产生的变形、裂纹、层解等损伤进行实时监测，当 结构因受力和温度变化产生变形或裂缝时，就会引起埋置其中的光纤产生变形，从而导 致通过光纤内的光在光强、相位、波长或偏振方面发生变化。由于光纤传感器就制作在 光纤上，因此通过它就可获取光变化的信息，从而确定结构的应力、变形或裂缝，实现 结构应力、变形和裂缝的自监测和自诊断。考虑到光纤传感可实现分布式监测，即在混 凝土结构中布设光纤网络，这样不管结构何处的应力、变形和裂缝，都可以被监测到。 1 绪论 1 3 2 光纤光栅技术的发展 光纤光栅技术也是近几年发展起来的一门新技术。由于它独特的优点，在光纤通讯 和光纤传感等领域具有广阔的应用前景。随着光纤光栅制造技术的不断完善，使光纤光 栅成为目前最具有挑战性和最有发展前途的光纤无源器件之一，它的出现将极大地促进 全球光纤通讯和光纤传感技术的发展。 所谓光纤光栅是指光纤纤芯中周期性的折射率变化所形成的光栅效应。光纤光栅是 基于光纤的光敏特性制成的，是利用石英光纤折紫外光敏特性将光波导结构直接做在光 纤上形成的光纤波导器件。其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。 光纤光栅的类型很多，用途很广其分类也五花八门。光纤光栅从结构上可分周期 性结构和非周期性结构两类：光纤光栅从功能上可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅两 类，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅：根据结构的对称性可分为对称光 栅和倾斜光栅；根据传输模式耦合方式可分为导模之间的耦合光栅、导模与包层模间的 耦合光栅、包模与辐射模间的耦合光栅：根据光栅周期的长短可分为长周期光栅和短周 期光栅。但就目前研究应用的最多以及从其应用特点来看，光纤光栅可分为两大类：一 类是光纤布拉格光栅，也称为反射光栅，属于短周期光栅，周期为几百纳米的数量级， 对于1 5 5 0 n m 的光通信窗口而言，约为5 5 0 n m 。反射光栅的作用，相当于一种波长可以 选择( 通过控制光栅折射率变化周期) 和带宽可以调节( 控制折射率变化周期及幅度) 窄带反射元件。另一类为光纤传输光栅，也称为光纤长周期光栅，光纤传输光栅的周期 约为几百微米，其主要作用相当于一个传输特性( 透射率、带宽、形状) 可以调节的滤 波元件。光纤布拉格( b r a g g ) 光栅和光纤传输( t r a s m i s s i o n ) 光栅在光纤通信和光纤 传感技术中有着广泛的应用，布拉格光栅和传输光栅的周期相差几个数量级它们相应的 光学特性有着不同的特点，通过选择合适的光栅参数和组合形式使它们在光纤技术中得 到应用。 1 9 7 8 年k e n h i l l0 5 1 及其他科研人员首次发现掺锗石英光纤紫外光敏特性光 诱导产生b r a g g 光栅效应。1 9 8 9 年g e r y m e l t z i ”1 又发展了紫外光侧面写入光敏光栅技 术。后来，光纤传感器一问世便受到极大地重视，几乎在各个领域都得到研究和应用， 成为现代传感器的先导。光纤光栅传感器是利用b r a g g 光纤光栅( b o f g ：b r a g go p t i c a l f i b e rg r a t i n g ) 的波长对温度、应力参量的敏感特性而制成的一种新型光纤传感器。与传 统的光纤传感器相比，b o f g 将被测信息转化为共振波长的移动，即采用波长调制方 式，同时还可方便地将多只光栅复用，这是其它传感器件无法比拟的。光纤光栅传感器 的出现给光纤传感领域带来了新的生机，这种传感器适用于特殊结构的传感网络，如： 水坝寿命监测、桥梁缺陷检测、大型运输载体的复合材料等等。现在，用于信息摄取的 光纤光栅传感器及光纤光栅传感网络已成为研究热点。 西安科技大学硕士学位论文 随着光栅刻写技术的提高和布拉格光栅传感器的传感机理研究已经逐步成熟，布拉 格光栅传感器已经从目前的研究走向实际工程中的应用。通过大量的文献可以看出：布 拉格光栅传感器在很多领域得到了广泛的应用，如航空航天、民用土木工程、船舶工程、 电力工业、核工业、医学等。下面仅从与本论文研究相近的土木工程中的应用作介绍。 民用工程是光纤光栅传感器应用最活跃的领域，主要集中在桥梁、大坝、隧道等重 要结构的健康监测。加拿大卡尔加里附近的b e d d i n g t o nt r a i l 大桥是最早使用光纤光栅 传感器进行测量的桥梁之- ( 1 9 9 3 年) ”，1 6 个光纤光栅传感器贴在预应力混凝土支撑 的钢增强杆和碳纤维复合筋上，对光纤光栅的工程应用进行了有益的探索。1 9 9 7 年，德 国的m e i s s n e r 等人将布拉格光栅埋入德累斯顿附近a 4 高速公路上一座跨度7 2 米的预 应力混凝土桥上，测量荷载下的线性响应，并且与常规的仪器测试结果作了对比试验， 证实了光纤光栅传感器的应用可行性1 1 8 。n e l l e n t ”j ( 1 9 9 7 ) 等人在瑞典w i n t e r h u rs t o r c k 桥的两根碳纤维索上布置了布拉格光栅和标准电阻应变计，实测数据表明两者吻合很 好。他们还在瑞士a l p s 的l u z z o n e 水电站大体积混凝土坝中埋布拉格光栅传感器，用 来监测混凝土的温度与应变变化。n e l l e n t 20 ( 1 9 9 9 ) 等人分别在瑞典s a r g a n 附近的隧道 岩栓和用于l u c e r n e 桥预应力索上布置了光纤布拉格光栅传感器。隧道岩栓是用玻璃纤 维聚合物制成的，布置布拉格光栅的目的是监测隧道建造与运行状态下砾石的活动状 况。后者是用碳纤维聚合物制成的，在制造过程中就埋入了布拉格光栅传感器，用来探 测索的应力松弛情况，结果表明布拉格光栅可以监测碳纤维高达8 0 0 0 朋的应变值。 f u h r t 2 1 1 ( 1 9 9 7 ) 在美国w i n o o s k i 河上的w a t e r b u r y 大桥的面板上埋入了8 个布拉格光栅 传感器。其中三个直接粘贴到桥面板的钢筋上，两个预先在实验室粘贴到一根钢筋上， 然后到现场固定到面板钢筋上，另外三个预先用分层的聚合物材料封装好，再放到钢筋 之间。他们对埋入的工艺进行了探讨，认为这些方法是可行的，认为只要光栅能够在埋 入过程成活，就能实现预定的目的。他们还探测到了5 0 胭的应变值。s e i m 、u d d 【2 2 1 ( 1 9 9 9 ) 等人为了确证纤维增强材料能否真正适于结构加固与探究复合材料的长期服役状况，他 们在美国c o l u m b i a 河峡里的具有历史意义的h o r s e t a i l f a l l s 桥上复合材料加固过程中布 设了2 8 个布拉格传感器，以备长达两年的健康监测。 比利时根特的环城运河上建了一座1 4 7 m 长的预应力混凝土桥梁，桥的预应力梁在 浇筑时埋进了1 8 个光纤光栅传感器，利用光纤光栅传感器对桥梁的建设过程进行了监 视，并将长期监测桥梁的结构情况。 在欧洲的s t a b l l o s 计划中，一种基于宽带掺铒光纤光源和可调法一泊滤波器的光 纤光栅传感系统设计用于矿井主梁的长期静态位移测量；另一个用滚动干涉滤波器进行 解调的光纤光栅传感网络用来监视瑞士的m o n t t e r r i 隧道。还有一个欧洲的c o s m u s 计划，于1 9 9 6 年开始，旨在改善民用工程建设的安全，具体目标为：在建造地下运输系 统时，监控l r n m 以内的地下运动，光纤光栅被用来制作带温度补偿的静态分布式应变 l 绪论 传感器。瑞士联邦材料测试和研究实验室将光纤光栅传感器安装在l u z z o n e 大坝中，对 大坝进行安全监测。 目前用于民用工程结构监测的光纤光栅传感器已经开始商品化，例如，美国的b l u e r o a dr e s e a r c h 在美国海军研究实验室的资助下开发的多轴光纤光栅传感器、横向光纤光 栅传感器、灵巧垫圈埋有光纤光栅传感器等，并得到成功的应用。 1 3 _ 3 光纤光栅在国内的应用情况 8 0 年代初期，我国丌始了光纤传感器技术的研究工作。从1 9 8 3 年6 月第一次全 国光纤传感器方案论证会以来，我国光纤传感器技术得到了迅速发展，“七五”规划中 提出了1 5 项光纤传感器项目。有些单位己做了一些基础工作，如重庆大学、武汉工业 大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学和长江科学院安全监测研究所等。 刘浩吾、扬朝晖1 ( 1 9 9 6 ) 用f - p 光纤传感器对混凝土的应变测量进行了实验研究。 杨建良【2 4 】( 1 9 9 7 ) 等人探讨了基于强度增敏的光纤传感阵列。 赵延超 2 5 1 ( 1 9 9 7 ) 等人发展了一种新颖的光纤模域振动传感器，并构建了一种机 敏桥面镐装结构，将其成功地用于虎门大桥桥面铺装结构模型实验中。 张博明【2 6 】( 1 9 9 8 ) 等人分别采用光纤微弯传感器和模斑谱传感器对复合材料的固 化过程进行了监测。 蔡德所t 2 7 1 ( 1 9 9 8 ) 等人基于o t d r 原理，用斜交分布式光纤传感技术对三峡古洞口 面板堆石坝工程进行了现场实验，对其裂缝进行了检测。 欧进萍和周智1 2 8 1 等人2 0 0 1 年在黑龙江呼兰河预应力箱形梁大桥上成功布设了1 2 个光纤光栅应变传感器和3 个温度传感器，并进行了施工与运营监测。 西安科技大学的柴敬1 2 9 , 3 0 1 教授也是从事这方面研究的。在相似模拟实验中，要准确 的测试出相似材料在开挖过程中内部的变形，是一件很困难的事情。于是，柴敬教授就 将光纤光栅用于相似模拟实验中来测试岩层的变形情况。在相似模拟实验中，根据实验 要求将布拉格光纤光栅安装在实验材料中，然后对煤层进行开采。随着煤层的开采，上 覆岩层开始下层，光栅在外力的作用下中心波长开始改变。于是，可以得出在相似模拟 实验中不同位置中在开采过程中的中心波长的变化情况。通过实验得出了：在开挖过程 中，下沉量大的地方其光纤光栅中心波长变化量越大，证实了光纤光栅用于测试相似模 拟实验中岩层变形的可行性：同时在离开挖点越近的地方，中心波长改变量越大，离开 挖点越远的地方，变形量越小，这些与理论分析是十分吻合的。这些实验的成功也是光 纤光栅用于这方面研究的首要尝试的初步成功。 但是，由于整个过程还处于尝试阶段，存在着很多的问题。例如，如何将光纤光栅 更好的封装在相似材料中，在实验中光纤光栅不会和材料发生脱落而不能真实反映相似 材料的应变；同时，当岩土在外力作用下发生变形时，光纤光栅很可能切入岩土土体内， 西安科技大学硕士学位论文 因此光栅中心波长的改变量，不能真正的反映岩土工程的变形。如何在光纤光栅外封装 一层介质既能保护光栅的机械破坏，又能反映岩层的变形量又是一大难题等等。 总之，国内的光纤光栅发展虽然有了很大的成就。但是与国外相比还是有着一定的 差距。 1 3 4 光纤光栅技术在锚索锚杆检测中的应用 将光栅传感技术用于锚杆监测中，国内外仅仅处于初期研究阶段，而且很多东西只 是在实验室中来完成，并没有走向现场。与应变片测力锚杆相比，光纤光栅在锚杆检测 中的应用还存在以下的不足：虽然精度较高、安装方便，但没有形成成套的理论系统。 光纤光栅监测系统价格比较昂贵，经济效益上不划算。而很多单位把传感器的性价作 为购置检测系统的前提，这也是光栅锚杆监测系统发展受到阻碍的又一个原因。 锚杆监测中的光纤光栅传感技术原理其实很简单，就是通过改交外界的应力来实现 光纤光栅中心波长的漂移。利用网络分析仪来接收和分析反射光。首先将光栅粘贴在锚 杆上，当锚杆受到外界的压力、拉力、或剪切力的时候，附着在锚杆上的光栅同样受到 这些力的影响，中心波长得到改变。于是可以通过中心波长的改变来分析锚杆受力情况 和支护效果。 在国外，有些工作者做了一些研究。瑞士的“材料测试和研究实验委员会”的p h i l i p p m n e l l e n 、a n d r e a s f r a n k 口”等人在“布拉格光栅传感器在巷道监测中的运用”( o p t i e a l f i b e rb r a g gg r a t i n g sf o rt u n n e ls u r v e i l l a n c e ) 一文报道了在实验室做的一些初探。首先 做了一些特制的锚杆，锚杆的轴是空的，直径比光纤光栅的直径略大一些，然后将光栅 通过特殊的方法将光纤光栅封装在锚杆的内孔壁上，并在光栅对应位置的锚杆表面粘贴 上应变片。封转完毕，将锚杆放在实验室的拉伸机上进行加载。加载的方式有拉伸，压 缩以及弹性范围内反复加载。实验结果证明了波长的改变量随着载荷的增加成线性关 系。而在反复载荷作用的实验结果曲线中，当载荷恢复到初始值的时候，中心波长改变 量因为受到温度的影响却不能为零。因此，怎样分离由于温度和应变引起的波长改变量 是光栅传感器作为一种应力传感器最重要的环节之一，也是一个等待解决的难题。 德国的m a r t i ns c h r o e c k 、w o l f g a n ge e k e 、a n d r e ag r a u p n e t t “1 等人在论文“f b g 传 感器在岩石锚杆中的应变测试”中也作了大量的研究，实验方法和上面的方法大同小异， 所不同的是实验过程是在现场进行了测试。他们是将光纤光栅利用一种氧化胶粘贴在锚 杆表面，然后将锚杆在煤矿中某一工作面进行现场支护，并对锚杆的支护性能进行现场 的测试。通过现场测试可以知道，当对锚杆施加完预应力后，随着掘进工作面的前移， 顶板开始下沉，锚杆受力增大。光纤光栅中心波长的变化量也随着锚杆的变形而增大。 而且通过实验图表还可以知道，中心波长的漂移量a 和锚杆的应变s 基本上成线性关 系变化的。 1 2 1 绪论 目前，我国对光纤光栅传感在锚杆监测中的运用也是处于研究开发阶段。国家对这 方面的发展也非常的关注，科学基金和其他基金项目给予一定力度的支持。如武汉大学 在武汉“国际会展中心”深基坑支护工程中采用光纤传感技术对预应力锚杆受力状态进 行了现场测试，并对实测资料进行了分析【3 ”。分析资料说明各锚杆均存在有拉应力、零 应力和压应力区，具有较大的安全系数。根据实测资料减少了原设计的锚杆数量，从而 节约了投资。这也是光纤传感技术用于建筑工程中的首要尝试。 武汉姜德生教授1 3 4 1 将光纤光栅传感器用于武汉某大桥锚索应力的测试。研制的新 型光纤b r a g g 光栅锚索预应力监测系统，初步实现了对锚索的预应力检测。实验表明光 纤光栅传感技术是一种先进的检测技术，不受恶劣环境的干扰和影响，具有精度高、长 期稳定性好、操作简便迅速的优点，实现了在线监测。开发出预应力结构整体状态的长 期监测系统，具有重大的社会效益和经济效益。 西安科技大学的柴敬p 5 1 教授，除了将布拉格光纤光栅传感技术用于相似模型实验 中以外，也对光栅传感在锚杆中的应用做了初步性的研究。通过对封装有光纤光栅和应 变片的锚杆做拉伸实验，证明了光栅传感器在锚杆支护系统应用的可行性。对光栅传感 技术在锚杆支护系统中的应用又迈进了一步。 虽然国内外对光纤光栅传感技术在锚杆支护系统中的应用做出了不少的研究。但还 是应该清楚的看到：到目前为止，还没有形成系统应用技术，整套技术也不成熟。要形 成单一