充液式无源变色锚杆轴力监测传感器_翟文明.pdf

第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 充液式无源变色锚杆轴力监测传感器 翟文明， 梁义维 （太原理工大学 机械与运载工程学院， 山西 太原 030024） 摘要 设计了一种锚杆轴向力充液式无源变色传感器。利用敏感材料在不同形变下传感器显 示不同颜色的特点来检测锚杆轴力情况。通过 ANSYS 对整体可行性进行流固耦合力学仿真并 统计敏感材料截面多节点应力来分析颜色均匀特性； 对传感器进行压力-颜色关系试验， 并分析 温差和偏载的影响程度。结果表明 该传感器在不同压力下显示不同颜色， 且颜色均匀， 易于观 测； 偏载距离在 5 mm 内与温差在 020 ℃时， 对传感器颜色均匀性和灵敏度无影响。 关键词 锚杆轴向力监测； 锚杆轴向力传感器； 无源变色； 敏感材料； 流固耦合 中图分类号 TD353.6文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 10-0264-04 Liquid-filled Passive Color Changeable Sensor for Monitoring Axial Force of Rock Bolt ZHAI Wenming, LIANG Yiwei （College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China） Abstract A liquid-filled passive color changeable sensor for bolt axial force is designed. In order to detect the axial force of the bolt, the characteristics of different colors of the sensor under different deation of the sensitive material is used. ANSYS is used to carry out the fluid-solid coupling mechanical simulation of the whole feasibility and calculate the multi-node stress of the sensitive material section to analyze the color uniity; the relationship tests of pressure and color are conducted for the sensor, and the influence degree of temperature difference and partial load is analyzed. The results show that the sensor can display different colors under different pressures, and the color is uni, which is easy to observe; when the partial load distance is within 5 mm and the temperature difference is 0 to 20 ℃, the temperature difference and partial load have no effect on the color uniity and the sensitivity of the sensor. Key words bolt axial force monitoring; bolt axial force sensor; color changeable passive; sensitive material; fluid-solid coupling 锚杆支护作为煤巷掘进常见的支护手段，可显 著提升围岩的完整性和稳定性。在长期支护过程 中，深部围岩与破碎围岩应力发生变化，使锚杆受 载状态无法准确测定，因此对锚杆支护质量进行实 时、 准确监测是减少顶板坍塌事故的重要手段[1-2]。 目前对锚杆支护质量检测方法有液压法[3]， 通过观 察压力表监测锚杆支护，但无法远距离监测；另有 应变片法[4]、 应力波法[5]、 和光纤光栅法[6]判断锚杆轴 力情况，但都需特定信号传输和数据收集，易受干 扰且需电源供电， 存在一定安全隐患。此外蒋雪洋[7] 利用多种色剂变化对锚杆轴力进行监测，但易受温 度影响； 朱纬亚[8]提出了利用条纹法监测锚杆轴力， 但颜色不均，条纹不易分辨。因此提出了一种可远 距离监测、不受环境影响、易于分辨的无源式锚杆 轴力传感器。 1理论分析及结构原理 1.1理论分析 锚杆轴向力充液式无源变色传感器是通过颜色 变化监测锚杆轴力变化，必须保证显色光路的搭 建。当自然光 （矿灯） 垂直入射到偏振片形成平面偏 振光，当偏振光入射到敏感材料产生双折射光效应 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.10.044 翟文明， 梁义维.充液式无源变色锚杆轴力监测传感器 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （10 ） 264-267. ZHAI Wenming, LIANG Yiwei. Liquid-filled Passive Color Changeable Sensor for Monitoring Axial Force of Rock Bolt ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （10） 264-267. 移动扫码阅读 基金项目 山西省重点研发计划资助项目 （201603D121003） 264 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 表 1ANSYS 模型对应材料及参数 Table 1Materials and parameters of ANSYS model 弹性模量 MPa 泊松比 密度 / （kg m-3） 2.1105 3 000 3 000 2.0105 2 800 1 600 0.3 0.37 0.37 0.3 0.4 7 850 1 950 1 950 7 930 1 280 860 模型材料 壳体30CrMnsiA 显色环618 环氧树脂 承载体618 环氧树脂 弹性件304 不锈钢 x-11 胶粘剂环氧树脂 液压油LAN-32 图 1传感器结构模型图 Fig.1Model diagram of sensor structure 时，沿入射点主应力的 x 和 y 方向分解为 2 束平面 偏振光 E1和 E2，由于在敏感材料内的传播速率不 同， 通过后成为 E′1和 E′2， 产生相应的相位差 α， 这 2 束平面偏振光经反光材料逆反射作用后原路返 回， 到达人眼[9]。由于光矢量由同一光源产生， 从而 暂时产生干涉效应，当敏感材料受力后，相位差 α 随主应力发生变化， 其颜色随之变化。 第一主应力 σ1、第二主应力 σ2与相位差 α 的 关系可根据光弹性原理推导得出 α 2π λ R 2π λ cd （σ1-σ2）（1） 式中 λ、 R、 c、 d 分别为光的波长、 光程差、 敏感 材料常数和厚度。 当敏感材料只承受压力时， 忽略 σ2， 因此 α 2πcd λ σ1（2） 由于 σ1与锚杆轴力 F 成线性相关,则 σ1kF（3） 式中 F 为锚杆轴向力； k 为比例系数。 由式 （2） 、 式 （3 ） 联立可得 α 2πkcdF λ （4） 可知相位差 α 与锚杆轴力呈线性关系， 在白色 光源下， 可根据颜色变化确定锚杆受力详细状况。 1.2传感器的结构及原理 锚杆种类繁多， 以樟村煤矿 准202200/335 型螺 纹钢锚杆为例， 其最大破断为 200 kN， 初锚力为 60 kN， 取破断力的 80作为警醒状态， 破断力的 110 作为传感器强度极限。 其对应的传感器结构如图 1。 传感器整体由均载机构、 支撑机构、 和显色机构 3 部分构成。 均载机构由壳体和弹性过渡件组成， 其 间留有液体腔，有纠正误差和消除显色机构受力不 均的作用， 壳体与过渡件之间通过环氧胶胶结， 壳体 外缘处设有注液孔， 内有密封件密封液体； 支撑机构 处于上下壳体之间保持稳定, 通过标定好的支撑机 构与显色机构线性压力分配关系，二者共同承担锚 杆轴力； 显色机构的光路搭建由反光材料、 显色材料 （显色环） 和偏振片组成。当锚杆轴力发生变化时， 显色机构所受压力也随之变化，通过均载机构将力 均匀传递到显色环上，通过传感器呈现的不同颜色 图谱判断锚杆轴力。 2传感器整体仿真分析 在保证传感器强度特性前提下，通过应变片试 验标定颜色-显色环应力关系，根据受载情况进行 流固耦合力学仿真[10]， 考虑中高压状态下流体近似 不可压缩， ANSYS 模型对应材料及参数见表 1。 2.1传感器可行性分析 由于结构为环状且上下对称，对传感器进行 1/ 2 的三维模型建立， 为减少计算时间， 忽略圆角与注 液孔。然后设置相应单元类型与材料参数，流体单 元选择 fluid80， 弹性件单元选择壳单元 shell181， 节 点相互耦合， 承载体、 显色环、 壳体通过 Glue 粘接。 在壳体上端施加警醒力即 160 kN， 下端施加对 称约束，传感器整体轴向应力云图如图 2，显色环 位移云图如图 3。 由图 2、 图 3 可知显色环轴向应力为 14.3 MPa； 位移为 0.094 mm， 相应不同轴力下显色环应力与位 移见表 2。由表 2 可知， 随着压力增大， 显色环轴向 应力不断增加， 呈线性关系， 该传感器设计可行。 2.2显色环多节点空间颜色均匀性分析 显色均匀度作为该类传感器研究的重难点， 可 265 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.10 Oct. 2020 图 4不同轴力下多节点内部 σ1-σ2应力关系 Fig.4σ1-σ2stress in each joint under different axial forces 图 5不同轴力下多节点内部 σ2-σ3应力关系 Fig.5σ2-σ3stress in each joint under different axial forces 表 2不同轴力下显色环应力及位移变化 Table 2Stress and displacement change of color ring under different axial forces 压力/kN轴向应力/MPa位移/mm颜色 60 80 110 130 160 5.35 7.14 9.81 11.6 14.3 0.035 4 0.047 2 0.066 7 0.078 1 0.094 9 黄 紫 天蓝 蓝白 金黄 图 3显色环位移云图 Fig.3Displacement nephogram of color ring 图 2传感器整体轴向应力云图 Fig.2Overall axial stress nephogram of sensor 分为轴向与周向显色均匀。轴向显色均匀要求在轴 向高度颜色均匀； 周向显色均匀要求在环形 360颜 色均匀， 轴向显色均匀可根据第一主应力 σ1与第二 主应力 σ2差值变化大小判断； 周向显色均匀可根据 第二主应力 σ2与第三主应力 σ3差值变化大小判 断， 根据对显色环加压试验可知， 在低于 2 MPa 时 可满足显色均匀要求。因此需着重分析显色环单元 多节点受力状态，以保证传感器轴向与周向显色均 匀， 不同轴力下多节点内部 σ1-σ2应力关系如图 4， 不同轴力下多节点内部 σ2-σ3应力关系如图 5。 由图 4、图 5 知显色环在轴力为 160 kN 时， 差 值节点达到最大， 轴向为 1.069 MPa， 周向为 0.421 MPa， 满足试验要求， 该传感器颜色均匀。 3试验测试 3.1轴向力-颜色试验 通过液压式手动压力机对传感器进行压力-颜 色试验， 流程为 将传感器置于压力机中心位置处， 通过液压泵手动持续加压，在维持压力表压力恒定 后， 观察压力值与颜色关系， 利用数显千分尺得出显 色环位移变化， 传感器压力-颜色试验结果见表 3。 表 3传感器压力-颜色试验结果 Table 3Test results of sensor pressure-color 轴向力/kN颜色均匀性位移/mm 0无色均匀0 60黄色均匀0.034 80紫红色均匀0.045 110蓝色均匀0.065 130蓝白色均匀0.074 160金黄色均匀0.098 266 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 10 期 2020 年 10 月 Vol.51No.10 Oct. 2020 表 4不同温度下压力-颜色 Table 4Pressure-color relationship at different temperatures 颜色 压力/kN 30 ℃50 ℃ 黄6056 紫红8075 蓝110105 蓝白130124 金黄160150 由表 3 及颜色显色图谱 （图略） 可知传感器在锚 杆破断前 0160 kN 范围内有 6 种不同的图谱产生， 层次明显， 颜色均匀。加载至 60 kN 时， 颜色变为紫 红色， 预紧完成； 紫红， 蓝， 蓝白感知锚杆的不同轴 力， 表明支护正常； 当达到 160 kN 时， 颜色变成金黄 色， 即为预警信息， 支护进入危险期， 需要补强。 3.2监测传感器影响因素 1） 温差对灵敏度影响。由于材料属性与液体热 膨胀系数不同，使得传感器的灵敏度受温差影响较 大。温差对传感器灵敏度的影响试验具体为将传 感器分别加热到 30 ℃和 50 ℃， 并持续 1 h， 以保证 完全受热，然后立即对传感器进行加压试验，观察 压力值与颜色关系，不同温度下压力-颜色见表 4。 表 4 试验结果表明 在温差为 20 ℃的情况下， 灵敏 度变化不明显， 误差范围处于 010 kN 之内， 可靠 性高。 2） 偏载对传感器均匀性影响。传感器颜色是监 测锚杆支护的重要手段，其颜色单一性至关重要。 由于井下锚杆受力复杂，传感器受载无法达到预期 理想状态，因此对传感器进行偏载实验尤为关键， 根据传感器结构设计，可控制锚杆偏载距离为 5 mm。为得到具体均匀性状态， 将传感器分别置于偏 离压力机中心位置 1 、 3 、 5 mm 处进行加压试验， 在 压力表压力稳定后观察传感器显色状态，偏载情况 下颜色变化情况见表 5。 由表 5 可知， 偏载距离为 5 mm 以内时颜色单一性未发生变化，对传感器均匀 性无影响。 4结语 针对锚杆轴力的实时监测，设计了一种基于双 折射原理无源变色的监测传感器，对传感器进行了 仿真分析与试验。结果表明 传感器设计可行， 颜色 均匀，可对锚杆轴力进行监测; 传感器颜色过渡明 显， 可先后产生 6 种不同颜色， 明显且易于观察;温 差为 20 ℃时， 该传感器在不同压力下显色灵敏度无 明显变化， 误差在 010 kN 之间， 可靠性高;在液体 弹性垫均载下， 传感器颜色均匀性好， 偏载对传感器 的均匀性不产生影响。 参考文献 ［1］ 孟海东， 崔小晋， 刘占宁.不同煤层倾角锚杆支护围岩 位移变化规律研究 ［J］ .中国煤炭， 2018， 44 （2） 64. ［2］ 江厦， 贺雪， 李超， 等.围岩控制中高强高预应力锚杆 支护效果分析 ［J］ .煤炭技术， 2018， 37 （7） 79-81. ［3］ 童锡山， 赵振远， 神会存.锚杆测力计 CN94240039.9 ［P］ .1994-03-29. ［4］ 王海潮， 王国伟， 贾晓娣.一种新型矿用锚索 （杆） 静态 电阻应变仪的研究 ［J］ .传感器与微统， 2012， 31 （6） 32-34. ［5］ 黄克军， 武光辉， 吴学明， 等.基于应力波原理的巷道 锚固质量检测技术及应用 ［J］ .煤炭技术， 2017， 36 （4） 76-77. ［6］ 赵成均， 庄君刚， 徐树振， 等.基于光纤 Bragg 光栅应 变传感器的量测锚杆拉力研究 ［J］ .传感器与微系统， 2014， 33 （4） 37-40. ［7］ 蒋雪洋， 梁义维， 赵利平， 等.一种无源变色锚杆力传 感器 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （5） 131-134. ［8］ 朱纬亚， 赵利平， 梁义维.条纹法锚杆力监测传感器 ［J］ .煤矿安全， 2017， 48 （12） 123-126. ［9］ 武锦辉， 喻俊志， 刘汉琦， 等.基于正交调制的偏振光 谱成像系统研究 ［J］ .光谱学与光谱分析， 2018， 38 （7） 2315-2319. ［10］ 滕洪园， 董斌， 郭健， 等.双层板填充液体结构的抗压 性能研究 ［J］ .舰船科学技术， 2018， 40 （11） 39-43. 表 5偏载情况下颜色变化情况 Table 5Color change under unbalance load 压力/kN 颜色 偏载距 1 mm偏载距 3 mm偏载距 5 mm 60 80 110 130 160 黄色 （均匀 ） 紫红 （均匀 ） 蓝 （均匀 ） 蓝白 （均匀 ） 金黄 （均匀 ） 黄色 （均匀 ） 紫红 （均匀 ） 蓝 （均匀 ） 蓝白 （均匀 ） 金黄 （均匀 ） 黄色 （均匀 ） 紫红 （均匀 ） 蓝 （均匀 ） 蓝白 （均匀 ） 金黄 （均匀 ） 作者简介 翟文明 （1994） ， 河南商丘人， 太原理工大 学在读硕士研究生， 从事机械制造及自动化方面研究。 （收稿日期 2019-11-29； 责任编辑 李力欣） 267