一种光电耦合传感智能支护锚杆系统技术方案

本发明专利技术属于锚固测量技术领域，提供一种光电耦合传感智能支护锚杆系统。所述支护锚杆系统从上至下依次包括上托板、弹性元件和下托板，所述弹性元件的两端分别与上托板和下托板固定连接；还包括若干压柱对，若干所述压柱对分别设置于上托板和下托板的对应位置；所述压柱对之间还设置有光电耦合传感器，所述光电耦合传感器上还连接有警示装置。本发明专利技术的光电耦合传感器将力转化为光信号和电信号并传输至警示装置，实现支护锚杆应力预警；本发明专利技术系统实现了光电耦合同时输出监控，可多模块同时嵌入，实现了地层内部不同应力的实时监控和多信号输出，安全可靠，成本低廉，可实现锚杆支护、预警和内应力监控一体化作业。

A Photoelectric Coupled Sensing Intelligent Support Bolt System

The invention belongs to the technical field of anchorage measurement, and provides an optoelectronic coupling sensing intelligent support bolt system. The supporting bolt system comprises upper bracket, elastic element and lower bracket in turn from top to bottom, and the two ends of the elastic element are fixed with upper bracket and lower bracket respectively; a number of pressure column pairs are also arranged at corresponding positions of upper bracket and lower bracket respectively; and a photoelectric coupling sensor is also arranged between the pressure column pairs, and the photoelectric coupling sensor is arranged on the photoelectric coupling sensor. A warning device is also connected. The photoelectric coupling sensor of the invention converts force into optical signal and electric signal and transmits it to warning device to realize stress early warning of supporting bolt; the system realizes photoelectric coupling output monitoring at the same time, can be embedded in multiple modules at the same time, realizes real-time monitoring and multi-signal output of different stresses in stratum, is safe, reliable, low-cost, and can realize bolt support, early warning and internal warning. Stress monitoring integrated operation.

【技术实现步骤摘要】
一种光电耦合传感智能支护锚杆系统
本专利技术属于锚固测量
，更具体地，涉及一种光电耦合传感智能支护锚杆系统。
技术介绍
锚杆是一种抗拉强度强于岩土层的杆体，它一端与岩土层内部相互粘接形成摩擦阻力，另一端裸露在外通过安装垫圈、托盘与螺母对杆体施加拉力并将锚杆头处的拉力传至锚固体的区域，其功能是对锚杆施加预应力。锚杆作为加固巷道围岩的重要用具，其受力状态对于衡量其工作稳定状况具有重要的意义，因此众多锚杆应力计被研发出来。现有技术中应用较为普遍的锚杆应力计由手压泵、千斤顶、传感器及数显仪表共同组成，该方法虽然可以准确的测量锚杆所受拉力，但是其有三个明显不足：一是其安装工序复杂，该锚杆应力计的安装需要有专人负责并按照严格的程序进行操作，耗费较多人力与时间；二是其不作为锚杆支护本身零件的一部分对锚杆支护产生一定的影响，尤其是限制了锚杆的纵向变形进而限制围岩产生适量变形，由于围岩不能产生适当变形而不可能有效的释放一定的应力，这种围岩应力持续增高对围岩稳定性构成严重威胁；第三造价昂贵，每一个锚杆应力计是一根普通锚杆的十倍左右，而配套的安装仪器更是锚杆的数十倍，如此高昂的价格决定其工程应用中不可能全部锚杆都配套安装。这就限制了对工程应用中所有锚杆的有效监测进而限制区域性围岩应力变化的有效监测。力致发光是指材料在摩擦、挤压、拉伸、碰撞等机械刺激下所表现出的一种发光现象。相比传统的光致发光或电致发光材料，力致发光材料可以利用日常生活中无处不在的机械能作为激发源，从而避免了人工产生光/电激发源的需求，有望作为新一代节能、环保和可持续的发光材料在照明、显示、成像和智能传感等领域实现应用。目前，尚未见将力致发光材料应用于支护锚杆应力计领域的相关报道。
技术实现思路
针对现有技术中支护锚杆应力计的不足，本专利技术的目的在于提供一种新型光电耦合传感智能支护锚杆系统，所述支护锚杆系统实现了光电耦合同时输出监控，可多模块同时嵌入，实现了地层内部不同应力的实时监控和多信号输出，而且结构简单、成本低廉。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种光电耦合传感智能支护锚杆系统，从上至下依次包括上托板、弹性元件和下托板，所述弹性元件的两端分别与上托板和下托板固定连接；所述上托板和下托板的对应位置均设置有轴向管体，当上托板和下托板安装时，上下托板的轴向管体形成支护锚杆通道；还包括若干压柱对，若干所述压柱对分别设置于上托板和下托板的对应位置，每个所述压柱对之间存在不同大小的配合间隙；所述压柱对之间还设置有光电耦合传感器，用于将力转化为光信号和电信号，所述光电耦合传感器上还连接有警示装置，在支护锚杆受力情况不同时发出不同颜色的光，起到警示作用。本专利技术的光电耦合传感智能支护锚杆系统受到压力后，上下托板之间的弹性元件产生相应的弹性形变，直到设置于压柱对之间的光电耦合传感器受力，本专利技术的光电耦合传感器能将力同时转化为光信号和电信号，并将光信号和电信号传输至警示装置，实现支护锚杆应力预警的目的；本专利技术的系统实现了光电耦合同时输出监控，可多模块同时嵌入，安全可靠、成本低廉，实现锚杆支护、预警和内应力监控一体化作业。本专利技术通过压柱对不同大小的配合间隙，以及与之连接的不同颜色指示灯，使得光电耦合传感智能支护锚杆系统在受到不同压力时发出不同颜色的光，有利于得到稳定的支护锚杆锚固力。进一步地，所述光电耦合传感器由力致发光材料和导电膜组成，所述导电膜固定设置于力致发光材料的上下表面，用于传输力致发光材料产生的电流信号。更进一步地，所述力致发光材料为稀土元素掺杂的钛酸铅、水晶、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铌酸锂、钽酸锂中任意一种。更进一步地，所述稀土元素为镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、钇中至少一种。进一步优选地，所述力致发光材料为掺镨铌酸锂晶体。进一步优选地，所述导电膜为铜膜、铝膜、金膜、银膜或石墨烯涂层中任意一种。所述力致发光材料采用本领域现有可实现的技术手段制备得到。更进一步地，本专利技术同时提供所述的优选制备方法如下：在纯度为99.99％的Li2CO3和Nb2O5中加入1mol的Pr2O3，Li2CO3和Nb2O5的加入量摩尔比为1:1，在150～200℃下烘干；然后充分研磨混合均匀，将混匀后的原料压实后，在800～900℃下保温2小时，最后在1000～1100℃下煅烧2～10小时，得到掺镨铌酸锂多晶粉体；将掺镨铌酸锂多晶粉体缓慢加热升温至粉体开始熔化，再继续升温20～40℃后，保温一段时间直至粉体全部变为透明熔体为止；将上述透明熔体依次经过引颈、放肩、等径、提拉工序，得到掺镨铌酸锂晶体，其中，在提拉过程中，拉速为1～3mm/h、转速为8～11转/min。进一步地，所述警示装置包括第一警示装置和第二警示装置。更进一步地，所述第一警示装置为多个指示灯，多个所述指示灯产生不同颜色的光，所述指示灯两端通过导线分别与所述光电耦合传感器进行电连接。更进一步地，所述第二警示装置包括光纤，所述光纤一端还设置有探头，所述光纤的另一端还连接有接收装置，用于接收光纤传导的光信号；所述探头置于光电耦合传感器中，用于将受压产生的光信号传输至接收装置；所述接收装置包括依次电连接的光敏二极管、固态继电器、报警LED灯和开关自锁电路。本专利技术的光电耦合传感器属于力致发光材料，一方面，当支护锚杆受到压力时，弹性元件压缩变形，从而使得设置于每个压柱对之间的力致发光材料受到压力作用，力致发光材料受压后在其上下表面产生电压差，从而产生电流，上述电流通过设置于上下表面的导电膜及导线传输至第一警示装置，通过发出不同颜色的光起到警示作用；另一方面，力致发光材料受力后会在材料内部产生电场，从而激发掺杂的稀土元素发光，产生的光信号通过光纤传输至与其连接的外接电路上，进而起到报警的作用。进一步地，所述压柱对包括第一压柱对和第二压柱对。更进一步地，所述第一压柱对和第二压柱对分别设置于轴向管体两侧，所述第一压柱对之间的间隙比第二压柱对之间的间隙小。为了有效节约空间，进一步地，所述弹性元件为若干C型弹簧。本专利技术可以通过阵列增加C型弹簧的数量，从而增加该光电耦合传感智能支护锚杆系统的变形刚度，扩大测力量程。优选地，所述C型弹簧为两个，两个所述C型弹簧分别设置于轴向管体的两侧。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的光电耦合传感智能支护锚杆系统受到压力后，上下托板之间的弹性元件产生相应的弹性形变，直到设置于压柱对之间的光电耦合传感器受力，本专利技术的光电耦合传感器能将力同时转化为光信号和电信号，并将光信号和电信号传输至警示装置，实现支护锚杆应力预警的目的；本专利技术的系统实现了光电耦合同时输出监控，可多模块同时嵌入，安全可靠、成本低廉，实现锚杆支护、预警和内应力监控一体化作业。本专利技术填补力致发光材料在支护锚杆应力计上的技术空白，采用力致发光材料作为光电耦合传感器，一方面，力致发光材料受压后在其上下表面产生电压差，从而产生电流，通过导电膜及导线传输至第一警示装置，通过发出不同颜色的光起到警示作用；另一方面，力致发光材料受力后本身会发光，产生的光信号通过光纤传输至与其连接的外接电路上，进而起到报警的作用；实现了与地层内部不同应力的实时监控和多信号输出，起到双重预警作用，安全可靠。本专利技术在光电耦合传感智能支护锚杆系统上设置警示装置，并设置不同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光电耦合传感智能支护锚杆系统，其特征在于，从上至下依次包括上托板、弹性元件和下托板，所述弹性元件的两端分别与上托板和下托板固定连接；所述上托板和下托板的对应位置均设置有轴向管体，当上托板和下托板安装时，上下托板的轴向管体形成支护锚杆通道；还包括若干压柱对，若干所述压柱对分别设置于上托板和下托板的对应位置，每个所述压柱对之间存在不同大小的配合间隙；所述压柱对之间还设置有光电耦合传感器，用于将力转化为光信号和电信号，所述光电耦合传感器上还连接有警示装置，在支护锚杆受力情况不同时发出不同颜色的光，起到警示作用。

【技术特征摘要】
1.一种光电耦合传感智能支护锚杆系统，其特征在于，从上至下依次包括上托板、弹性元件和下托板，所述弹性元件的两端分别与上托板和下托板固定连接；所述上托板和下托板的对应位置均设置有轴向管体，当上托板和下托板安装时，上下托板的轴向管体形成支护锚杆通道；还包括若干压柱对，若干所述压柱对分别设置于上托板和下托板的对应位置，每个所述压柱对之间存在不同大小的配合间隙；所述压柱对之间还设置有光电耦合传感器，用于将力转化为光信号和电信号，所述光电耦合传感器上还连接有警示装置，在支护锚杆受力情况不同时发出不同颜色的光，起到警示作用。2.根据权利要求1所述光电耦合传感智能支护锚杆系统，其特征在于，所述光电耦合传感器由力致发光材料和导电膜组成，所述导电膜固定设置于力致发光材料的上下表面，用于传输力致发光材料产生的电流信号。3.根据权利要求2所述光电耦合传感智能支护锚杆系统，其特征在于，所述力致发光材料为稀土元素掺杂的钛酸铅、水晶、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛、铌酸锂、钽酸锂中任意一种；优选地，所述力致发光材料为稀土元素掺杂的铌酸锂。4.根据权利要求3所述光电耦合传感智能支护锚杆系统，其特征在于，所述稀土元素为镧、铈、镨...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹雪，狄杰建，焦志伟，赵全亮，孙世国，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11