压磁式锚杆轴力传感器的研究

罗 康，赵利平，梁义维，刘 鹏

(1.太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024；2.山西潞安矿业(集团)公司技术中心，山西长治 046204)

0 引言

锚杆支护作为矿井巷道的主要支护方式之一，锚杆会因为地下水的侵蚀、邻近巷道的扰动、掘进机的开采等因素而失效甚至断裂，从而发生冒顶事故，因此对锚杆力的准确及时的检测具有十分重要的意义[1]。现有的锚杆检测装置大致分为2类[2-3]：一类需安装在紧固螺母和球垫之间，增加了锚杆支护材料成本，同时减少了锚杆有效锚固长度；另一类将应变片或光纤安装在锚杆上，导致切槽或钻孔而削弱锚杆强度，同时需要大量安装增加了锚杆支护成本。

基于文献[4-5]，本文将非晶态合金薄带的压磁效应和电磁感应原理测应力应用于锚杆轴力检测上，设计了锚杆轴力传感器的结构，根据感应线圈输出电压的大小判断锚杆的受力状态。该装置结构简单，可以快速、准确、大面积检测锚杆轴力。

1 传感器结构及安装

如图1所示，传感器整体为正六棱柱，上下端盖、保护壳、紧固螺钉采用不导磁的304不锈钢，弹性片采用尼龙，励磁线圈和感应线圈采用铜漆包线，磁粉混合硅胶制成的硅胶套由环氧树脂胶粘贴于U型磁芯两磁极上，磁芯采用二磁极锰锌铁氧体并用环氧树脂胶粘贴在弹性片上，控制电路用环氧树脂胶固定在电路槽中，线路通过线路槽与励磁线圈和感应线圈相接，线路槽中涂上密封胶防止水、煤等进入电路槽中，上下盖板和弹性片用紧固螺钉固定在保护壳上，非晶态合金薄带通过502胶水粘贴于紧固螺母表面。传感器周向均匀分布3个二磁极U型磁芯，将感应线圈输出的电压取平均值，可以有效防止因偏载造成的测量误差。传感器的实物图如图2所示。

图1 传感器结构图

图2 传感器实物图

如图3所示，测量施工人员用支撑杆将传感器套在锚杆紧固螺母上，传感器由于定位台阶的定位作用，使周向均布分布的3个二磁极U型磁芯的2个磁极对准锚杆紧固螺母的贴有非晶态合金薄带的3个外表面，当励磁线圈通上一定频率交流电时，二磁极U型磁芯两磁极产生磁力吸附于锚杆紧固螺母的3个外表面上，硅胶套中混合的磁粉在通电条件下具有磁性，使得二磁极U型磁芯的两磁极与锚杆紧固螺母的气隙最小。将3个感应线圈感应电压取平均值为U2，可根据感应电压U2大小判断锚杆轴力大小。当励磁线圈断电时由于弹性片的弹力作用，使二磁极U型磁芯自动复位到原位，从而方便将传感器取下。

图3 传感器安装施工图

2 传感器的工作原理

文中的传感器应用非晶态合金薄带的压磁效应和电磁感应原理。压磁效应指当磁场中铁磁性材料受到机械拉(压)力的作用时，在它的内部会产生应力和应变，导致其磁特性(如磁导率)发生变化的现象[6]。当锚杆紧固螺母受到锚杆轴力作用时，由于压磁效应，贴附在螺母表面的非晶态合金薄带的磁导率就会发生变化从而导致其磁阻发生变化，进而引起磁通量发生变化，最终导致传感器感应线圈中输出电压发生变化，通过测量输出电压的大小实现对锚杆轴力检测。

3 传感器的静态特性试验

3.1 传感器检测系统的搭建

如图4所示，传感器检测系统主要由下面3个主要部分组成：被测试部分，压磁式锚杆力传感器部分，信号采集部分。

图4 传感器的检测系统整体框图

该传感器的整个测试过程在潞安检测中心完成，其中锚杆力加载系统采用的是WAW-600KN万能试验机，以漳村煤矿MSGLW-500/22 2400型树脂锚杆配套的锚杆紧固螺母，传感器的探头采用的是二磁极UU16型锰锌铁氧体磁芯，励磁系统采用的是MFG-8216A函数信号发生器，励磁线圈和感应线圈采用0.25 mm 的铜漆包线，经过试验最终确定其匝数比为1∶2 ，其中励磁线圈的匝数为20匝，数据采集部分采用的是UTD2025CL示波器。非晶态合金薄带采用的是RAO101MG-25剪切带材，其带材宽度为20 mm，带材厚度为(30±5) μm，本文裁剪的非晶态合金薄带的大小为20 mm×20 mm×0.03 mm。传感器检测系统实物图如图5所示。

图5 传感器检测系统实物图

3.2 传感器的输出性能分析

3.2.1 气隙大小对传感器输出特性的影响

由于矿井下恶劣的工作环境，锚杆紧固螺母表面会粘有一定厚度的煤面，故有必要分析气隙对传感器输出特性的影响。试验在励磁电压幅值和频率不变的情况下，气隙分别在0、0.15、0.3、0.6、1.2 mm，在试验过程中用不同数量厚度为0.15 mm的铝片粘贴于压磁式锚杆力传感器磁芯和非晶态合金薄带之间来控制气隙大小。由于气隙大于0.3 mm以后，感应线圈的输出电压的变化量已经不明显，所以本文只分析前3次试验的试验结果。锚杆轴力从0到300 kN缓慢加载，每50 kN记录1次感应线圈的输出电压值大小，得到不同气隙大小下的感应线圈电压输出值与锚杆轴力的关系曲线如图6所示。

图6 不同气隙下感应线圈输出值与锚杆轴力大小关系

由图6可知，随着气隙的增大，感应线圈的输出值减小，由线性拟合可得：不同气隙大小下加载时传感器灵敏度如表1所示，当气隙为0.3 mm时传感器的灵敏度最小，且感应线圈电压输出值变化很小，故该传感器的气隙大小应该控制在0.15 mm以下。

表1 不同气隙大小下传感器灵敏度

3.2.2 励磁电压幅值对传感器输出特性的影响

试验在气隙大小和励磁频率不变情况下，励磁电压幅值分别为100、200、300、400 mV时，得到不同电压幅值下感应线圈电压输出值与锚杆轴力的关系曲线如图7所示。

图7 不同电压幅值感应线圈输出值与锚杆轴力大小关系

由图7可知随着励磁电压幅值的增大，感应线圈的输出值增大，由线性拟合可得：不同励磁电压幅值下传感器的灵敏度如表2所示，可以得出在励磁幅值为300 mV时，传感器的灵敏度最大，但综合传感器的线性度，最终确定励磁电压幅值为400 mV。

表2 不同励磁电压幅值下传感器灵敏度

3.2.3 励磁频率对传感器输出特性的影响

试验在气隙大小和励磁电压幅值不变情况下，励磁电压频率分别为10、20、30 kHz时，得到不同励磁频率下感应线圈电压输出值与锚杆轴力的关系曲线如图8所示。

图8 不同励磁频率感应线圈输出值与锚杆轴力大小关系

由图8可知，随着励磁频率的增大，感应线圈输出值增大，由线性拟合可得不同励磁频率下传感器的灵敏度如表3所示。

表3 不同励磁频率下传感器的灵敏度

3.3 传感器的静态标定

在上述讨论基础上，在气隙大小为0 mm，励磁电压幅值为400 mV，励磁频率为10 kHz情况下对传感器进行静态标定试验。锚杆轴力从0到300 kN缓慢加载，每50 kN记录1次感应线圈的输出电压值大小，然后缓慢卸载，记录每卸载50 kN时感应线圈的输出电压值大小。为了实验数据的可靠性，本组试验重复做3次，取3次试验的平均值。用0 kN的感应线圈的输出值与对应锚杆轴力的感应线圈的输出值作差值，作出感应线圈输出差值与锚杆轴力大小的关系曲线如图9所示。

图9 感应线圈输出差值与锚杆轴力大小关系

由图9曲线线性拟合可得，加载时感应线圈输出差值与锚杆轴力的关系为y=0.2151x-0.3143，加载时灵敏度为-0.215 1 mV/kN，卸载时感应线圈输出差值与锚杆轴力大小关系y=0.218 9x-0.639 3，卸载时灵敏度为-0.218 9 mV/kN，传感器的线性度为8.826%，迟滞误差为1.67%。

4 结论

(1)本文设计了一种锚杆轴力传感器的结构，该结构简单，可以快速、准确、大面积检测锚杆轴力，周向均分布3个二磁极U型磁芯，可防止偏载，降低了锚杆支护成本，有良好的应用前景。

(2)搭建了传感器检测系统，运用控制变量法，分别分析了气隙大小，励磁电压幅值，励磁频率对传感器输出特性的影响，最终确定了在气隙大小小于0.15 mm，励磁电压幅值为400 mV，励磁频率为10 kHz时传感器输出特性较好。

(3)对传感器进行了静态标定，加载时的灵敏度-0.215 1 mV/kN，卸载时灵敏度-0.218 9 mV/kN，线性度为8.826%，迟滞误差为1.67%。

(4)该传感器还需井下进行现场模拟试验。