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专利名称：一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202210359794.5

专利申请（专利权）人：上饶风茂工业电气中心(个人独资)
权利人地址：江西省上饶市经济技术开发区凤凰西大道303号1-2

专利发明（设计）人：曹桂忠,赵新焕

专利摘要：本发明属于检测设备技术领域，具体的说是一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，包括信息处理中心、通讯光纤，其特征在于：还包括，传导单元，所述传导单元设于墙体内，用于不间断实时传导应力；检测单元，所述检测单元设于传导单元，用于不间断实时检测煤矿巷道内的应力，通过设置传导单元与检测单元，对煤矿巷道墙体内的应力进行无损检测，提高了煤矿巷道顶板应力检测仪的工作连续性，减少危险窗口的产生，进而提高了工作人员的安全性。

主权利要求：
1.一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，包括信息处理中心(1)、通讯光纤(2)，其特征在于：还包括:传导单元(3)，所述传导单元(3)设于墙体(4)内，用于传导应力；检测单元(5)，所述检测单元(5)设于传导单元(3)，用于检测煤矿巷道内的应力；
传导单元(3)包括:锚杆(31)，所述锚杆(31)设于墙体(4)内，且为两端封闭的中空结构；充气阀(311)，所述充气阀(311)与锚杆(31)靠近墙体(4)一端固接；泄气阀(312)，所述泄气阀(312)与锚杆(31)靠近墙体(4)一端固接；一号空心管(32)，所述一号空心管(32)固接于锚杆(31)，且与锚杆(31)内部相连通；一号通孔(33)，所述一号通孔(33)设于锚杆(31)内；一号滑块(34)，所述一号滑块(34)与一号空心管(32)滑动密封连接；弧形板(35)，所述弧形板(35)与一号滑块(34)铰接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，其特征在于：检测单元(5)包括:二号空心管(51)，所述二号空心管(51)固接于锚杆(31)，且与一号通孔(33)相连通；二号滑套(52)，所述二号滑套(52)与二号空心管(51)密封滑动连接；固定板(53)，所述固定板(53)与二号滑套(52)铰接，且另一端与弧形板(35)直接接触；一号光纤光栅传感器(54)，所述一号光纤光栅传感器(54)一端与固定板(53)固接，另一端与锚杆(31)固接；一号弹簧(55)，所述一号弹簧(55)一端与二号滑套(52)固接，另一端与二号空心管(51)固接。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，其特征在于：传导单元(3)还包括:二号光纤光栅传感器(36)，所述二号光纤光栅传感器(36)一端与弧形板(35)固接，另一端与一号滑块(34)固接。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，其特征在于：还包括:防尘板(6)，所述防尘板(6)与锚杆(31)靠近墙体(4)一侧固接；弹性气囊(61)，所述弹性气囊(61)与防尘板(6)靠近墙体(4)一侧固接。
5.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，其特征在于：所述固定板(53)与一号光纤光栅传感器(54)的数目为二，且对称设置在二号空心管(51)两侧。
6.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，其特征在于：所述检测单元(5)位于两个所述弧形板(35)之间。
7.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，其特征在于：所述传导单元(3)与检测单元(5)的数目为四，且呈对称分布在锚杆(31)四周。
8.根据权利要求7所述的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，其特征在于：所述传导单元(3)与检测单元(5)沿锚杆(31)轴向设置两组。
9.根据权利要求4所述的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，其特征在于：所述防尘板(6)位于一号通孔(33)处设有防尘盖板(62)。 说明书 : 一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪技术领域[0001] 本发明属于检测设备技术领域，具体的说是一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪。背景技术[0002] 实时监测煤矿巷道顶板应力变化,判断顶板的稳定性,及时采取有效的防护措施,对预防频发的顶板事故具有重大的现实意义。[0003] 现有技术中，通过测力锚杆受力拉伸变形使光纤光栅传感器的拉伸变形，在拉伸变形过程中，由于光纤光栅传感器因最大延伸率小于测力锚杆的实际延伸率，进而导致光纤光栅传感器在拉伸过程中损坏，进而无法继续检测应力，产生危险窗口，从而降低了煤矿巷道顶板应力检测仪的检测效率，对工作人员产生生命威胁。[0004] 鉴于此，为了克服上述技术问题，本发明设计了一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，解决了上述技术问题。发明内容[0005] 本发明所要解决的技术问题是：现有技术中，通过测力锚杆受力拉伸变形使光纤光栅传感器的拉伸变形，在拉伸变形过程中，由于光纤光栅传感器因最大延伸率小于测力锚杆的实际延伸率，进而导致光纤光栅传感器在拉伸过程中损坏，进而无法继续检测应力，产生危险窗口，从而降低了煤矿巷道顶板应力检测仪的检测效率，对工作人员产生生命威胁。[0006] 本发明提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，包括信息处理中心、通讯光纤，还包括:[0007] 传导单元，所述传导单元设于墙体内，用于传导应力；[0008] 检测单元，所述检测单元设于传导单元，用于检测煤矿巷道内的应力。[0009] 优选的，传导单元包括:[0010] 锚杆，所述锚杆设于墙体内，且为两端封闭的中空结构；[0011] 充气阀，所述充气阀与锚杆靠近墙体一端固接；[0012] 泄气阀，所述泄气阀与锚杆靠近墙体一端固接；[0013] 一号空心管，所述一号空心管固接于锚杆，且与锚杆内部相连通；[0014] 一号通孔，所述一号通孔设于锚杆内；[0015] 一号滑块，所述一号滑块与一号空心管滑动密封连接；[0016] 弧形板，所述弧形板与滑块铰接。[0017] 优选的，检测单元包括:[0018] 二号空心管，所述二号空心管固接于锚杆，且与一号通孔相连通；[0019] 二号滑套，所述二号滑套与二号空心管密封滑动连接；[0020] 固定板，所述固定板与二号滑套铰接，且另一端与弧形板直接接触；[0021] 一号光纤光栅传感器，所述一号光纤光栅传感器一端与固定板固接，另一端与锚杆固接；[0022] 一号弹簧，所述一号弹簧一端与二号滑套固接，另一端与二号空心管固接。[0023] 优选的，传导单元还包括:[0024] 二号光纤光栅传感器，所述二号光纤光栅传感器一端与弧形板固接，另一端与一号滑块固接。[0025] 优选的，还包括:[0026] 防尘板，所述防尘板与锚杆靠近墙体一侧固接；[0027] 弹性气囊，所述弹性气囊与防尘板靠近弧形板一侧固接。[0028] 优选的，所述固定板与一号光纤光栅传感器的数目为二，且对称设置在二号空心管两侧。[0029] 优选的，所述检测单元位于两个所述弧形板之间。[0030] 优选的，所述传导单元与检测单元的数目为四，且呈对称分布在锚杆四周。[0031] 优选的，所述传导单元与检测单元沿锚杆轴向设置两组。[0032] 优选的，所述防尘板位于一号通孔处设有防尘盖板。[0033] 本发明的有益效果如下：[0034] 1.本发明提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，通过设置传导单元与检测单元，对煤矿巷道墙体内的应力进行检测，与现有技术中在检测应力后测力锚杆变形而不能继续检测应力相比，提高了煤矿巷道顶板应力检测仪的工作连续性，减少危险窗口的产生，进而提高了工作人员的安全性。[0035] 2.本发明提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，通过设置二号空心管、二号滑套与固定板，使需要检测的应力传递至固定板上，与现有技术中的拉伸式应力检测装置相比，避免了一号光纤光栅传感器最大延伸率小于测力锚杆的实际延伸率导致应力检测装置内传感器拉断，减少了煤矿巷道顶板应力检测仪损坏的现象，提高了煤矿巷道顶板应力检测仪的实际使用寿命。附图说明[0036] 下面结合附图对本发明作进一步说明。[0037] 图1是本发明的主体图；[0038] 图2是本发明的剖视图；[0039] 图3是图2中A处的放大图；[0040] 图4是图2中B处的放大图；[0041] 图中：信息处理中心1、通讯光纤2、传导单元3、锚杆31、充气阀311、泄气阀312、一号空心管32、一号通孔33、一号滑块34、弧形板35、二号光纤光栅传感器36、墙体4、检测单元5、二号空心管51、二号滑套52、固定板53、一号光纤光栅传感器54、一号弹簧55、防尘板6、弹性气囊61、防尘盖板62。具体实施方式[0042] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0043] 现有技术中基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪存在的缺陷是：现有技术中，通过测力锚杆受力拉伸变形使光纤光栅传感器的拉伸变形，在拉伸变形过程中，由于光纤光栅传感器因最大延伸率小于测力锚杆的实际延伸率，进而导致光纤光栅传感器在拉伸过程中损坏，进而无法继续检测应力，产生危险窗口，从而降低了煤矿巷道顶板应力检测仪的检测效率，对工作人员产生生命威胁。[0044] 为了解决上述问题，本实施例采用的主要构思是：本发明通过传导单元3与检测单元5对墙体4内的应力进行检测，同时减少煤矿巷道顶板应力检测仪中传感器损坏的现象，然后将检测数据通过通讯光纤2传递至信息处理中心1进行处理与分析。[0045] 因此为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体实施方式对上述技术方案进行详细的说明：[0046] 本发明提供的一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道顶板应力检测仪，包括信息处理中心1、通讯光纤2，还包括:[0047] 传导单元3，所述传导单元3设于墙体4内，用于不间断实时传导应力；[0048] 检测单元5，所述就检测单元5设于传导单元3，用于不间断实时检测煤矿巷道内的应力；[0049] 当需要对煤矿巷道里工作正常开展时的应力进行实时监测时，需要在煤矿巷道的墙体4上使用打孔机打孔，随后将传导单元3装入孔洞内，传导单元3上的检测单元5将传导单元3传递至检测单元5的煤矿巷道墙体4内的应力进行实时监测；[0050] 现有技术将光纤光栅传感器的拉伸变形转化为压缩变形，避免了光纤光栅传感器因超过最大延伸率而损坏无法正常工作，但在使用后有时需要对钢丝绳或者整个应力检测装置进行更换，与现有技术相比，本发明通过设置传导单元3与检测单元5，对煤矿巷道墙体4内的应力进行不间断实时检测，提高了煤矿巷道顶板应力检测仪的工作连续性，减少危险窗口的产生，进而提高了工作人员的安全性。[0051] 作为本发明的一种具体实施方式，传导单元3包括:[0052] 锚杆31，所述锚杆31设于墙体4内，且为两端封闭的中空结构；[0053] 充气阀311，所述充气阀311与锚杆31靠近墙体4一端固接；[0054] 泄气阀312，所述泄气阀312与锚杆31靠近墙体4一端固接；[0055] 一号空心管32，所述一号空心管32固接于锚杆31，且与锚杆31内部相连通；[0056] 一号通孔33，所述一号通孔33设于锚杆31内；[0057] 一号滑块34，所述一号滑块34与一号空心管32滑动密封连接；[0058] 弧形板35，所述弧形板35与滑块34铰接；[0059] 在装入墙体4过程中，向传导单元3中锚杆31内通入高压气体，在通入高压气体过程中，高压气体从充气阀311进入锚杆31，并沿一号空心管32流动，推动处于收缩状态的一号滑块34与弧形板35沿径向向外延伸，当弧形板35与墙体4孔洞内壁接触后，继续向锚杆31内的空气加压，直至弧形板35与墙体4孔洞内壁压力达到应力检测的检测值时，停止加压，随后沿一号通孔33设置的检测单元5开始工作，当应力超过检测值时，弧形板35在应力与锚杆31内设定的气体压力相互作用后挤压一号滑块34沿一号空心管32轴向滑动时，传递至检测单元5进行检测，并通过通讯光纤2传递至信息处理中心1进行分析与施行对应措施，在检测应力过程中，通过控制器控制泄气阀312将锚杆31内多余气体释放，使锚杆31内保持与应力检测值相符的压力，进而实现持续对墙体4的应力进行传导，并由检测单元5检测；[0060] 将应力传导至检测单元5过程中，本发明通过在一号滑块34、弧形板35与一号空心管32相配合将应力传导至检测单元5，与现有技术中的测力锚杆相比，在测定应力后煤矿巷道顶板应力检测仪可继续对墙体4的应力进行传导并由检测单元5进行检测，减小了因更换检测装置而导致危险窗口出现的现象，进而提高了工作人员的安全系数，提高了煤矿巷道顶板应力检测仪的实际使用效果。[0061] 作为本发明的一种具体实施方式，检测单元5包括:[0062] 二号空心管51，所述二号空心管51固接于锚杆31，且与一号通孔33相连通；[0063] 二号滑套52，所述二号滑套52与二号空心管51密封滑动连接；[0064] 固定板53，所述固定板53与二号滑套52铰接，且另一端与弧形板35直接接触；[0065] 一号光纤光栅传感器54，所述一号光纤光栅传感器54一端与固定板53固接，另一端与锚杆31固接；[0066] 一号弹簧55，所述一号弹簧55一端与二号滑套52固接，另一端与二号空心管51固接；[0067] 在将传导单元3与检测单元5安装到墙体4内的过程中，一号弹簧55恢复原状将固定板53与一号光纤光栅传感器54拉升至正常状态；[0068] 在安装检测单元5时，一号弹簧55将二号滑套52顶起，使固定板53以及一号光纤光栅传感器54恢复至工作状态；[0069] 在检测过程中，弧形板35带动一号滑块34沿一号空心管32滑动，弧形板35在滑动过程中按压二号滑套52上的固定板53，使二号滑套52沿二号空心管51滑动，同时一号光纤光栅传感器54随固定板53向下移动，一号光纤光栅传感器54在移动过程中被压缩，产生收缩变形的光波信号，生成的光波信号通过通讯光纤2传递至信息处理中心1进行处理与分析；[0070] 通过设置二号空心管51、二号滑套52与固定板53，使需要检测的应力传递至固定板53上，将传感器的拉伸变形转化为压缩变形，与现有技术中的拉伸式应力检测装置相比，避免了一号光纤光栅传感器54最大延伸率小于测力锚杆的实际延伸率导致应力检测装置受损，减少了煤矿巷道顶板应力检测仪损坏的现象，提高了煤矿巷道顶板应力检测仪的实际使用寿命。[0071] 作为本发明的一种具体实施方式，传导单元3还包括:[0072] 二号光纤光栅传感器36，所述二号光纤光栅传感器36一端与弧形板35固接，另一端与一号滑块34固接；[0073] 当一号滑块34带动弧形板35沿一号空心管32滑动至与墙体4内壁贴合后，一号滑块34与弧形板35两侧的二号光纤光栅传感器36开始工作，对墙体4内的应力进行检测，在弧形板35受到应力挤压时将收集到的检测信息通过通讯光纤2传输至信息处理中心1；[0074] 通过设置二号光纤光栅传感器36，与一号光纤光栅传感器54相配合对信息进行对比分析，用于进一步确定应力来源的方向，进而提出针对性的解决方案，提高了煤矿巷道顶板应力检测仪检测精度，进而进一步提高了工作人员工作时的安全性。[0075] 作为本发明的一种具体实施方式，还包括:[0076] 防尘板6，所述防尘板6与锚杆31靠近墙体4一侧固接；[0077] 弹性气囊61，所述弹性气囊61与防尘板6靠近弧形板35一侧固接；[0078] 当弧形板35随一号滑块34向远离锚杆31的方向滑动并将锚杆31支撑过程中，弧形板35在滑动过程中将弹性气囊61挤压，使弹性气囊61膨胀，有利于减少防尘板6与弧形板35之间的空隙，降低煤矿灰尘进入传导单元3与检测单元5的概率，进而减少对检测结果的影响，从而提高煤矿巷道顶板应力检测仪的检测质量。[0079] 作为本发明的一种具体实施方式，所述固定板53与一号光纤光栅传感器54的数目为二，且对称设置在二号空心管51两侧；[0080] 在检测应力过程中，对称设置在二号空心管51两侧的固定板53与一号光纤光栅传感器54在检测应力过程中分别与对应的弧形板35接触，当应力作用于一侧的固定板53与一号光纤光栅传感器54时，另一侧的固定板53与一号光纤光栅传感器54则不会随之产生同样的信号，与二号光纤光栅传感器36相配合有利于更进一步确定应力的大小与方向，进一步提高了煤矿巷道顶板应力检测仪的检测质量。[0081] 作为本发明的一种具体实施方式，所述检测单元5位于两个所述弧形板35之间；[0082] 将检测单元5置于两个弧形板35之间，使检测单元5能够检测来自两个以上方向的应力，与现有技术中更换空心锚杆处的钢丝绳或者更换检测装置相比，有利于减少煤矿巷道顶板应力检测仪制造成本，进而降低煤矿巷道顶板应力检测仪的使用成本。[0083] 作为本发明的一种具体实施方式，所述传导单元3与检测单元5的数目为四，且呈对称分布在锚杆31四周；[0084] 分布在锚杆31四周的传导单元3与检测单元5对墙体4周围的检测应力过程中，有利于增大煤矿巷道顶板应力检测仪的检测范围，提高煤矿巷道顶板应力检测仪的检测质量。[0085] 作为本发明的一种具体实施方式，所述传导单元3与检测单元5沿锚杆31轴向设置两组；[0086] 通过将传导单元3与检测单元5沿锚杆31轴向设置两组，有利于在墙体4纵深提高煤矿巷道顶板应力检测仪的检测范围，进而进一步提高煤矿巷道顶板应力检测仪实际使用效果。[0087] 作为本发明的一种具体实施方式，所述防尘板6位于一号通孔33处设有防尘盖板62；[0088] 通过在防尘板6一号通孔33处设置的防尘盖板62，使煤矿巷道顶板应力检测仪在使用过程中减少灰尘从一号通孔33进入传导单元3与检测单元5内，进一步降低煤矿灰尘进入传导单元3与检测单元5的概率，从而进一步提高煤矿巷道顶板应力检测仪的检测质量。[0089] 具体工作流程如下：[0090] 当需要对煤矿巷道里工作正常开展时的应力进行实时监测时，需要在煤矿巷道的墙体4上使用打孔机打孔，随后将传导单元3装入孔洞内，在装入墙体4过程中，向传导单元3中锚杆31内通入高压气体，在通入高压气体过程中，高压气体从充气阀311进入锚杆31，并沿一号空心管32流动，推动处于收缩状态的一号滑块34与弧形板35沿径向向外延伸，在弧形板35随一号滑块34向远离锚杆31的方向滑动展开并将锚杆31支撑过程中，弧形板35向远离圆心的方向滑动的同时将与防尘板6靠近弧形板35一侧固接的弹性气囊61进行挤压，使弹性气囊61变形膨胀，将弧形板35与防尘板6之间的空隙进行遮挡，当弧形板35与墙体4孔洞内壁接触后，继续向锚杆31内的空气加压，直至弧形板35与墙体4孔洞内壁压力达到应力检测的检测值时，停止加压，同时一号弹簧55将二号滑套52顶起，使固定板53以及一号光纤光栅传感器54恢复至工作状态；[0091] 接着沿一号通孔33设置的检测单元5开始工作，当应力超过检测值时，弧形板35在应力与锚杆31内设定的气体压力相互作用后挤压一号滑块34沿一号空心管32轴向滑动，同时在检测应力过程中，通过控制器控制泄气阀312将锚杆31内多余气体释放，使锚杆31内保持与检测值相符的压力，进而实现持续对墙体4的应力进行传导，并由检测单元5检测；[0092] 随后弧形板35在滑动过程中按压二号滑套52上的固定板53，使二号滑套52沿二号空心管51滑动，同时一号光纤光栅传感器54随固定板53向下移动，一号光纤光栅传感器54在移动过程中被压缩，同时一号滑块34与弧形板35两侧的二号光纤光栅传感器36开始工作，对墙体4内其他方向的应力进行检测，被压缩的一号光纤光栅传感器54与二号光纤光栅传感器36在压缩过程中生成光波信号通过通讯光纤2传递至信息处理中心1进行处理与分析；[0093] 在应力检测完成后，通过控制器控制泄气阀312将锚杆31内多余气体释放，使锚杆31内保持与应力检测值相符的压力，进而实现持续对墙体4的应力进行传导，并由检测单元5检测。[0094] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

专利地区：江西

专利申请日期：2022-04-06

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN114754911B