一种锚杆垫板受力测量装置技术领域
本发明涉及锚固技术领域，具体而言，涉及一种锚杆垫板受力测量装置。
背景技术
锚固技术作为一种优越的岩土体加固技术方法，其是通过深部围岩的承载能力和
锚杆的预应力对围岩施加压应力，将一些分散的岩块联系在一起，有效改善岩固区围岩力
学参数，提高围岩抗拉和耐剪强度。锚固技术越来越广泛的应用于各种工程领域，锚杆在地
下工程支护领域获得了广泛的应用，对于降低支护成本和减少事故发挥了重要作用。
发明人研究发现，锚杆垫板作为锚杆体系中重要的组成部分，其受力状态能直观
反映锚杆的轴力大小，直接关系到锚杆的支护性能，因此，为准确把握锚杆轴力特征，如何
精确测量垫板的受力与松紧特征变化情况就显得尤为重要。现有技术中对地下工程中锚固
结构受力的监测通常将锚杆轴力作为重要的评价指标。为了评估锚杆的支护作用和力学状
态，通常采用电阻应变式、振弦式及光纤光栅式等测量方法，直接对锚杆的杆体进行轴力的
测量。这些测量方法存在操作复杂、测量结果不准确等缺点。且由于锚固结构的受力情况复
杂，上述受力测试的方法不能快速反映锚固结构受力状况。目前并没有通过对锚杆垫板的
监控来分析锚杆受力的研究的相关报道。
发明内容
本发明提供了一种锚杆垫板受力测量装置，旨在改善锚杆垫板受力测量复杂问
题，能够测定锚杆垫板的受力情况，操作简便，测量精度高。
本发明是这样实现的：
一种锚杆垫板受力测量装置，包括垫板、光纤光栅传感器、光纤和测试接口。垫板
开设有用于连接锚杆杆体的预留孔，垫板具有相对的第一面和第二面，第二面开设有凹槽，
凹槽延伸至垫板的一侧边缘。光纤光栅传感器安装于凹槽中，光纤光栅传感器通过光纤与
测试接口连接。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，凹槽至少为两个，两个凹槽分别设置在预留
孔的相对两侧。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，垫板具有碗形凸起部。碗形凸起部由垫板的
第二面向垫板的第一面的方向凸出，预留孔开设于碗形凸起部。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，凹槽设于碗形凸起部且延伸至垫板的一侧
边缘，光纤光栅传感器安装在凹槽且位于碗形凸起部。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，垫板在第二面上的投影大致为长方形，凹槽
沿垫板的宽度方向开设，且延伸至垫板宽度方向的两个边缘。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，光纤光栅传感器通过粘接剂粘接于凹槽中。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，粘接剂为树脂类粘接剂。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，光纤铺设于凹槽中。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，锚杆垫板受力测量装置还包括杆体和连接
件，杆体的紧固端穿过预留孔，且与垫板通过连接件固定。
进一步地，在本发明较佳的实施例中，锚杆垫板受力测量装置还包括数据采集系
统，测试接口和数据采集系统连接。
本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的锚杆垫板受力测量装置，在垫
板的一面开设有凹槽，将光纤光栅传感器设置在凹槽中。通过光纤将光纤光栅传感器和测
试接口相连。在锚杆垫板受到应力时，根据光纤光栅传感器因此产生的应变变化值，测量得
到锚杆垫板的受力情况。光纤光栅传感器具有成本低、测量精度高、重复性好、响应时间短、
测量范围大等特点，结构简单、易于安装，可以实现锚杆垫板受力情况的在线监测。通过光
纤光栅传感器测量垫板的应力变化，从而保证锚杆体系的支护性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用
的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作
是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根
据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明实施例提供的锚杆垫板受力测量装置的剖视图；
图2是图1中的垫板的剖视图；
图3是图1中锚杆垫板受力测量装置第一视角下的结构示意图；
图4是图2所示的垫板在未加工碗形凸起部前的示意图。
图标：100-锚杆垫板受力测量装置；110-杆体；120-连接件；121-螺母；310-垫板；
310a-基板；311-第一面；312-第二面；313-凹槽；314-碗形凸起部；320-光纤光栅传感器；
330-光纤；340-测试接口；350-预留孔；410-数据采集系统。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施
方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实
施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明
保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要
求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，
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方式，都属于本
发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“宽度”、“内”等指示的方位或位
置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是
指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能
理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，
除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等
术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连
接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情
况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
参照图1至图3所示，本发明提供一种锚杆垫板受力测量装置100，包括杆体110、连
接件120、垫板310、光纤光栅传感器320、光纤330和测试接口340。
参照图2和图3所示，垫板310开设有用于连接杆体110的预留孔350，预留孔350为
通孔。垫板310具有相对的第一面311和第二面312，第二面312开设有凹槽313，凹槽313延伸
至垫板310的一侧边缘。光纤光栅传感器320安装于凹槽313中，光纤光栅传感器320通过光
纤330与测试接口340连接。
当光纤光栅传感器320周围的应变、应力或其它待测物理量发生变化时，光纤光栅
传感器320产生光纤信号的波长位移，通过检测波长位移的情况，即可获得待测物理量的变
化情况。
光纤光栅传感器320具有小巧、柔软、抗干扰能力强、集传感与传输于一体、易于制
作和埋入等优点，还具有波长分离能力强、对环境干扰不敏感、传感精度和灵敏度极高、能
绝对数字测量、防潮、耐腐蚀、寿命长、多个传感器之间可船接复用等优势，可以满足支护结
构检测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，具有其他类型传感器不可替代的作
用。
垫板310的第二面312抵接于锚固表面，在垫板310第二面312开设有两个凹槽313，
两个凹槽313分别设置在预留孔350的相对两侧。进一步优选地，两个凹槽313沿预留孔350
的轴线对称分布，两个凹槽313中均安装有光纤光栅传感器320。在本实施例中，两个凹槽
313在垂直于预留孔350轴线的平面上互相平行，在两个凹槽313相对称的位置上装设两个
光纤光栅传感器320，方便进行数据的测量和校准，使得测得的垫板310的受力情况更为精
准。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，凹槽313可以只开设一个，只需要满足
可以装设光纤光栅传感器320的要求即可。也可以是，在垫板310上设置多个凹槽313和多个
光纤光栅传感器320，例如3个、4个、5个等。优选地，凹槽313的数量为偶数个，且偶数个凹槽
313沿预留孔350的轴线对称设置。相对应地，装设有与凹槽313个数相对应的偶数个光纤光
栅传感器320，且偶数个光纤光栅传感器320的安装位置沿预留孔350的轴线对称。
垫板310具有碗形凸起部314，碗形凸起部314由垫板310的第二面312向垫板310的
第一面311的方向凸出，预留孔350开设于碗形凸起部314。垫板310主要用于改善锚杆体系
的锚固性能，用于改变杆体110的端部受力情况，增强加固效果，在使用时方便施加预应力。
异形的垫板310可以减少受力不均匀和应力集中现象，保证杆体110中心受力。同时设置碗
形凸起部314可以使垫板310适应形变，随着周边围岩应力不断释放，围岩发生形变，杆体
110所受应力逐渐增大，使得垫板310发生形变，通过垫板310形变的方式实现让压。
碗形凸起部314的横截面为半球状，碗形凸起部314位于垫板310的中心位置，预留
孔350开设于碗形凸起部314的正中位置，使得杆体110 施加于垫板310上的外力平衡，保证
最佳的让压效果，延长垫板310的使用寿命。可以理解的是，在本发明的其他实施例中，碗形
凸起部314和预留孔350的位置不做具体的限定。
凹槽313的设于碗形凸起部314，且延伸至垫板310的一侧边缘。光纤光栅传感器
320安装在凹槽313内且位于碗形凸起部314。当垫板310抵接于锚固表面时，碗形凸起部314
与锚固表面不直接接触，保护安装于其上的光纤光栅传感器320不会应围岩应力受到挤压，
延长光纤光栅传感器320的使用寿命。同时保证碗形凸起部314不受锚固表面热胀冷缩的影
响，使测得的数据能够真实反映垫板310受到的压力。
光纤330用于实现光纤光栅传感器320和测试接口340的连接，保证测试数据的输
出。在本实施例中，光纤330铺设于凹槽313，从垫板310的一侧边缘伸出。光纤330从凹槽313
中引出，方便安装，有利于保护光纤330，延长产品的使用寿命。
进一步优选地，垫板310在第二面312上的投影大致为长方形，凹槽313沿垫板310
的宽度方向开设，且延伸至垫板310宽度方向的两个边缘。凹槽313延伸至垫板310的两侧边
缘，方便加工。在实际使用过程中，装设完光纤光栅传感器320后，可以根据实际需求选择光
纤330从垫板310的哪一侧边缘伸出，满足使用需求，便捷高效。可以理解的是，本领域技术
人员可以根据实际情况设计凹槽313开设的位置和延伸的轨迹。
光纤光栅传感器320通过粘接剂粘接于凹槽313中，粘接剂用于固定和保护光纤光
栅传感器320，使光纤光栅传感器320牢固安装于垫板310中，提高其稳定性能及使用寿命。
可以理解的是，在本发明的其他实施例中，光纤光栅传感器320在凹槽313中的固定方式也
可以是粘接以外的其他形式，例如在光纤光栅传感器320上设置安装基座，安装基质卡接或
通过紧 固件安装于凹槽313中。
优选地，粘接剂选用树脂类粘接剂，例如环氧胶树脂粘接剂，但不局限于此。环氧
胶树脂的耐腐蚀性及介电性能好，能耐酸、碱、盐，其粘接性能和密封性能优良，绝缘性能
佳，可以适用锚杆垫板受力测量装置100工作的恶劣环境，延长光纤光栅传感器320及垫板
310的使用寿命。
凹槽313在垫板310的第一面311上的投影大致为矩形，开槽深度为1-3mm，优选为
2mm，便于凹槽313的加工和制作，以及便于装设光纤光栅传感器320和光纤330，但不局限于
此。本领域技术人员可以根据实际需求对凹槽313的形状和深度进行加工。
参阅图1所示，锚杆垫板受力测量装置100的杆体110的紧固端穿过预留孔350，且
与垫板310通过连接件120固定。连接件120优选为螺母121，螺母121与杆体110的紧固端相
匹配且螺母121固定在垫板310的第一面311。螺母121的内壁设置有内螺纹，与杆体110紧固
端设置的外螺纹相匹配，实现杆体110和垫板310的连接，制作简单，方便操作。为进一步减
少应力集中现象，可以在螺母121和垫板310间加设垫圈(图未示)，延长，锚杆垫板受力测量
装置100的使用寿命。需要说明的是，连接件120还可以是其他具有紧固作用的装置。
请参阅图3，本实施例提供的锚杆垫板受力测量装置100还包括数据采集系统410，
测试接口340和数据采集系统410连接。
本实施例还提供一种锚杆垫板受力测量装置100的加工方法，其包括以下步骤：
参阅图4所示，取一基板310a，基板310a大致为平板型，在平板型基板310a上开设
出预留孔350，在平板型基板310a开设出凹槽313，凹槽313 位于第二面312，且凹槽313延伸
至基板310a的一侧边缘；沿平板型基板310a第二面312向第一面311的方向在平板型基板
310a上冲出碗形凸起部314，保证凹槽313部分位于碗形凸起部314；将光纤光栅传感器320
和光纤330安装至凹槽313中，光纤330的一端连接光纤光栅传感器320且另一端连接测试接
口340，即得到本实施例提供的垫板310。先在基板310a上开设出凹槽313，再冲出碗形凸起
部314，将光纤光栅传感器320装设在凹槽313位于碗形凸起部314的位置，加工方法简单，生
产条件便于控制，适用于大批量生产制造。
需要说明的是，在本发明的其他实施例中，可以省略在基板310a冲出碗形凸起部
314这一步骤。
使用时，将垫板310和杆体110、连接件120组装起来就可以得到锚杆垫板受力测量
装置100。
锚杆垫板受力测量装置100的工作原理是：将杆体110插入垫板310的预留孔350
中，将螺母121套设于杆体110并抵接于垫板310的第一面311，凹槽313开设在垫板310的第
二面312。垫板310的第二面312向第一面311的方向凸出形成碗形凸起部314，光纤光栅传感
器320装设于凹槽313位于碗形凸起部314的部分。光纤330的一端连接光纤光栅传感器320，
另一端沿着凹槽313延伸出连接有测试接口340。测试接口340和数据采集系统410连接。垫
板310受力过程中，垫板310发生应变并作用于光纤光栅传感器320，光纤光栅传感器320受
到应变作用使其反射光波长发生变化，波长变化通过测试接口340传送到数据采集系统
410，进行信号数据处理和存储。通过数据采集系统410读取光纤光栅传感器320的波长的变
化，转化为垫板310的形变，进而测出垫板310所受力的大小。根据实际情况进行灾害预警或
及时对作用于垫板310的外力做相应的调整以提供抗力，及 时改变了岩体的受力状况，例
如增加围压，提高岩石的力学参数，改善岩体的力学性能，有效提高杆体110和垫板310的支
护性能。
综上，本发明的提供的锚杆垫板受力测量装置100，在垫板310的第二面312开设凹
槽313，安装光纤光栅传感器320，精准测量垫板310的受力情况。这种锚杆垫板受力测量装
置100结构简单、安装方便。垫板310受力情况监测受外界的干扰影响小，根据垫板310受力
情况可以反映围岩状态以及锚固体系的支护性能，通过简单的数据分析就可以得到精准可
靠的结果。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的
技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。