羅 康，趙利平，梁義維，劉 鵬

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024；2.山西潞安礦業(yè)(集團(tuán))公司技術(shù)中心，山西長治 046204)

0 引言

錨桿支護(hù)作為礦井巷道的主要支護(hù)方式之一，錨桿會因為地下水的侵蝕、鄰近巷道的擾動、掘進(jìn)機(jī)的開采等因素而失效甚至斷裂，從而發(fā)生冒頂事故，因此對錨桿力的準(zhǔn)確及時的檢測具有十分重要的意義[1]?，F(xiàn)有的錨桿檢測裝置大致分為2類[2-3]：一類需安裝在緊固螺母和球墊之間，增加了錨桿支護(hù)材料成本，同時減少了錨桿有效錨固長度；另一類將應(yīng)變片或光纖安裝在錨桿上，導(dǎo)致切槽或鉆孔而削弱錨桿強(qiáng)度，同時需要大量安裝增加了錨桿支護(hù)成本。

基于文獻(xiàn)[4-5]，本文將非晶態(tài)合金薄帶的壓磁效應(yīng)和電磁感應(yīng)原理測應(yīng)力應(yīng)用于錨桿軸力檢測上，設(shè)計了錨桿軸力傳感器的結(jié)構(gòu)，根據(jù)感應(yīng)線圈輸出電壓的大小判斷錨桿的受力狀態(tài)。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，可以快速、準(zhǔn)確、大面積檢測錨桿軸力。

1 傳感器結(jié)構(gòu)及安裝

如圖1所示，傳感器整體為正六棱柱，上下端蓋、保護(hù)殼、緊固螺釘采用不導(dǎo)磁的304不銹鋼，彈性片采用尼龍，勵磁線圈和感應(yīng)線圈采用銅漆包線，磁粉混合硅膠制成的硅膠套由環(huán)氧樹脂膠粘貼于U型磁芯兩磁極上，磁芯采用二磁極錳鋅鐵氧體并用環(huán)氧樹脂膠粘貼在彈性片上，控制電路用環(huán)氧樹脂膠固定在電路槽中，線路通過線路槽與勵磁線圈和感應(yīng)線圈相接，線路槽中涂上密封膠防止水、煤等進(jìn)入電路槽中，上下蓋板和彈性片用緊固螺釘固定在保護(hù)殼上，非晶態(tài)合金薄帶通過502膠水粘貼于緊固螺母表面。傳感器周向均勻分布3個二磁極U型磁芯，將感應(yīng)線圈輸出的電壓取平均值，可以有效防止因偏載造成的測量誤差。傳感器的實物圖如圖2所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳感器實物圖

如圖3所示，測量施工人員用支撐桿將傳感器套在錨桿緊固螺母上，傳感器由于定位臺階的定位作用，使周向均布分布的3個二磁極U型磁芯的2個磁極對準(zhǔn)錨桿緊固螺母的貼有非晶態(tài)合金薄帶的3個外表面，當(dāng)勵磁線圈通上一定頻率交流電時，二磁極U型磁芯兩磁極產(chǎn)生磁力吸附于錨桿緊固螺母的3個外表面上，硅膠套中混合的磁粉在通電條件下具有磁性，使得二磁極U型磁芯的兩磁極與錨桿緊固螺母的氣隙最小。將3個感應(yīng)線圈感應(yīng)電壓取平均值為U2，可根據(jù)感應(yīng)電壓U2大小判斷錨桿軸力大小。當(dāng)勵磁線圈斷電時由于彈性片的彈力作用，使二磁極U型磁芯自動復(fù)位到原位，從而方便將傳感器取下。

圖3 傳感器安裝施工圖

2 傳感器的工作原理

文中的傳感器應(yīng)用非晶態(tài)合金薄帶的壓磁效應(yīng)和電磁感應(yīng)原理。壓磁效應(yīng)指當(dāng)磁場中鐵磁性材料受到機(jī)械拉(壓)力的作用時，在它的內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，導(dǎo)致其磁特性(如磁導(dǎo)率)發(fā)生變化的現(xiàn)象[6]。當(dāng)錨桿緊固螺母受到錨桿軸力作用時，由于壓磁效應(yīng)，貼附在螺母表面的非晶態(tài)合金薄帶的磁導(dǎo)率就會發(fā)生變化從而導(dǎo)致其磁阻發(fā)生變化，進(jìn)而引起磁通量發(fā)生變化，最終導(dǎo)致傳感器感應(yīng)線圈中輸出電壓發(fā)生變化，通過測量輸出電壓的大小實現(xiàn)對錨桿軸力檢測。

3 傳感器的靜態(tài)特性試驗

3.1 傳感器檢測系統(tǒng)的搭建

如圖4所示，傳感器檢測系統(tǒng)主要由下面3個主要部分組成：被測試部分，壓磁式錨桿力傳感器部分，信號采集部分。

圖4 傳感器的檢測系統(tǒng)整體框圖

該傳感器的整個測試過程在潞安檢測中心完成，其中錨桿力加載系統(tǒng)采用的是WAW-600KN萬能試驗機(jī)，以漳村煤礦MSGLW-500/22 2400型樹脂錨桿配套的錨桿緊固螺母，傳感器的探頭采用的是二磁極UU16型錳鋅鐵氧體磁芯，勵磁系統(tǒng)采用的是MFG-8216A函數(shù)信號發(fā)生器，勵磁線圈和感應(yīng)線圈采用0.25 mm 的銅漆包線，經(jīng)過試驗最終確定其匝數(shù)比為1∶2 ，其中勵磁線圈的匝數(shù)為20匝，數(shù)據(jù)采集部分采用的是UTD2025CL示波器。非晶態(tài)合金薄帶采用的是RAO101MG-25剪切帶材，其帶材寬度為20 mm，帶材厚度為(30±5) μm，本文裁剪的非晶態(tài)合金薄帶的大小為20 mm×20 mm×0.03 mm。傳感器檢測系統(tǒng)實物圖如圖5所示。

圖5 傳感器檢測系統(tǒng)實物圖

3.2 傳感器的輸出性能分析

3.2.1 氣隙大小對傳感器輸出特性的影響

由于礦井下惡劣的工作環(huán)境，錨桿緊固螺母表面會粘有一定厚度的煤面，故有必要分析氣隙對傳感器輸出特性的影響。試驗在勵磁電壓幅值和頻率不變的情況下，氣隙分別在0、0.15、0.3、0.6、1.2 mm，在試驗過程中用不同數(shù)量厚度為0.15 mm的鋁片粘貼于壓磁式錨桿力傳感器磁芯和非晶態(tài)合金薄帶之間來控制氣隙大小。由于氣隙大于0.3 mm以后，感應(yīng)線圈的輸出電壓的變化量已經(jīng)不明顯，所以本文只分析前3次試驗的試驗結(jié)果。錨桿軸力從0到300 kN緩慢加載，每50 kN記錄1次感應(yīng)線圈的輸出電壓值大小，得到不同氣隙大小下的感應(yīng)線圈電壓輸出值與錨桿軸力的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 不同氣隙下感應(yīng)線圈輸出值與錨桿軸力大小關(guān)系

由圖6可知，隨著氣隙的增大，感應(yīng)線圈的輸出值減小，由線性擬合可得：不同氣隙大小下加載時傳感器靈敏度如表1所示，當(dāng)氣隙為0.3 mm時傳感器的靈敏度最小，且感應(yīng)線圈電壓輸出值變化很小，故該傳感器的氣隙大小應(yīng)該控制在0.15 mm以下。

表1 不同氣隙大小下傳感器靈敏度

3.2.2 勵磁電壓幅值對傳感器輸出特性的影響

試驗在氣隙大小和勵磁頻率不變情況下，勵磁電壓幅值分別為100、200、300、400 mV時，得到不同電壓幅值下感應(yīng)線圈電壓輸出值與錨桿軸力的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 不同電壓幅值感應(yīng)線圈輸出值與錨桿軸力大小關(guān)系

由圖7可知隨著勵磁電壓幅值的增大，感應(yīng)線圈的輸出值增大，由線性擬合可得：不同勵磁電壓幅值下傳感器的靈敏度如表2所示，可以得出在勵磁幅值為300 mV時，傳感器的靈敏度最大，但綜合傳感器的線性度，最終確定勵磁電壓幅值為400 mV。

表2 不同勵磁電壓幅值下傳感器靈敏度

3.2.3 勵磁頻率對傳感器輸出特性的影響

試驗在氣隙大小和勵磁電壓幅值不變情況下，勵磁電壓頻率分別為10、20、30 kHz時，得到不同勵磁頻率下感應(yīng)線圈電壓輸出值與錨桿軸力的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 不同勵磁頻率感應(yīng)線圈輸出值與錨桿軸力大小關(guān)系

由圖8可知，隨著勵磁頻率的增大，感應(yīng)線圈輸出值增大，由線性擬合可得不同勵磁頻率下傳感器的靈敏度如表3所示。

表3 不同勵磁頻率下傳感器的靈敏度

3.3 傳感器的靜態(tài)標(biāo)定

在上述討論基礎(chǔ)上，在氣隙大小為0 mm，勵磁電壓幅值為400 mV，勵磁頻率為10 kHz情況下對傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定試驗。錨桿軸力從0到300 kN緩慢加載，每50 kN記錄1次感應(yīng)線圈的輸出電壓值大小，然后緩慢卸載，記錄每卸載50 kN時感應(yīng)線圈的輸出電壓值大小。為了實驗數(shù)據(jù)的可靠性，本組試驗重復(fù)做3次，取3次試驗的平均值。用0 kN的感應(yīng)線圈的輸出值與對應(yīng)錨桿軸力的感應(yīng)線圈的輸出值作差值，作出感應(yīng)線圈輸出差值與錨桿軸力大小的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 感應(yīng)線圈輸出差值與錨桿軸力大小關(guān)系

由圖9曲線線性擬合可得，加載時感應(yīng)線圈輸出差值與錨桿軸力的關(guān)系為y=0.2151x-0.3143，加載時靈敏度為-0.215 1 mV/kN，卸載時感應(yīng)線圈輸出差值與錨桿軸力大小關(guān)系y=0.218 9x-0.639 3，卸載時靈敏度為-0.218 9 mV/kN，傳感器的線性度為8.826%，遲滯誤差為1.67%。

4 結(jié)論

(1)本文設(shè)計了一種錨桿軸力傳感器的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡單，可以快速、準(zhǔn)確、大面積檢測錨桿軸力，周向均分布3個二磁極U型磁芯，可防止偏載，降低了錨桿支護(hù)成本，有良好的應(yīng)用前景。

(2)搭建了傳感器檢測系統(tǒng)，運用控制變量法，分別分析了氣隙大小，勵磁電壓幅值，勵磁頻率對傳感器輸出特性的影響，最終確定了在氣隙大小小于0.15 mm，勵磁電壓幅值為400 mV，勵磁頻率為10 kHz時傳感器輸出特性較好。

(3)對傳感器進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定，加載時的靈敏度-0.215 1 mV/kN，卸載時靈敏度-0.218 9 mV/kN，線性度為8.826%，遲滯誤差為1.67%。

(4)該傳感器還需井下進(jìn)行現(xiàn)場模擬試驗。