羅 康，趙利平，梁義維，劉 鵬

(1.太原理工大學機械工程學院，山西太原 030024；2.山西潞安礦業(yè)(集團)公司技術中心，山西長治 046204)

0 引言

錨桿支護作為礦井巷道的主要支護方式之一，錨桿會因為地下水的侵蝕、鄰近巷道的擾動、掘進機的開采等因素而失效甚至斷裂，從而發(fā)生冒頂事故，因此對錨桿力的準確及時的檢測具有十分重要的意義[1]?，F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，增加了錨桿支護材料成本，同時減少了錨桿有效錨固長度；另一類將應變片或光纖安裝在錨桿上，導致切槽或鉆孔而削弱錨桿強度，同時需要大量安裝增加了錨桿支護成本。

基于文獻[4-5]，本文將非晶態(tài)合金薄帶的壓磁效應和電磁感應原理測應力應用于錨桿軸力檢測上，設計了錨桿軸力傳感器的結構，根據感應線圈輸出電壓的大小判斷錨桿的受力狀態(tài)。該裝置結構簡單，可以快速、準確、大面積檢測錨桿軸力。

1 傳感器結構及安裝

如圖1所示，傳感器整體為正六棱柱，上下端蓋、保護殼、緊固螺釘采用不導磁的304不銹鋼，彈性片采用尼龍，勵磁線圈和感應線圈采用銅漆包線，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線圈相接，線路槽中涂上密封膠防止水、煤等進入電路槽中，上下蓋板和彈性片用緊固螺釘固定在保護殼上，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 傳感器結構圖

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個磁極對準錨桿緊固螺母的貼有非晶態(tài)合金薄帶的3個外表面，當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個感應線圈感應電壓取平均值為U2，可根據感應電壓U2大小判斷錨桿軸力大小。當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

文中的傳感器應用非晶態(tài)合金薄帶的壓磁效應和電磁感應原理。壓磁效應指當磁場中鐵磁性材料受到機械拉(壓)力的作用時，在它的內部會產生應力和應變，導致其磁特性(如磁導率)發(fā)生變化的現象[6]。當錨桿緊固螺母受到錨桿軸力作用時，由于壓磁效應，貼附在螺母表面的非晶態(tài)合金薄帶的磁導率就會發(fā)生變化從而導致其磁阻發(fā)生變化，進而引起磁通量發(fā)生變化，最終導致傳感器感應線圈中輸出電壓發(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，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函數信號發(fā)生器，勵磁線圈和感應線圈采用0.25 mm 的銅漆包線，經過試驗最終確定其匝數比為1∶2 ，其中勵磁線圈的匝數為20匝，數據采集部分采用的是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，感應線圈的輸出電壓的變化量已經不明顯，所以本文只分析前3次試驗的試驗結果。錨桿軸力從0到300 kN緩慢加載，每50 kN記錄1次感應線圈的輸出電壓值大小，得到不同氣隙大小下的感應線圈電壓輸出值與錨桿軸力的關系曲線如圖6所示。

圖6 不同氣隙下感應線圈輸出值與錨桿軸力大小關系

由圖6可知，隨著氣隙的增大，感應線圈的輸出值減小，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，當氣隙為0.3 mm時傳感器的靈敏度最小，且感應線圈電壓輸出值變化很小，故該傳感器的氣隙大小應該控制在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線圈電壓輸出值與錨桿軸力的關系曲線如圖7所示。

圖7 不同電壓幅值感應線圈輸出值與錨桿軸力大小關系

由圖7可知隨著勵磁電壓幅值的增大，感應線圈的輸出值增大，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線圈電壓輸出值與錨桿軸力的關系曲線如圖8所示。

圖8 不同勵磁頻率感應線圈輸出值與錨桿軸力大小關系

由圖8可知，隨著勵磁頻率的增大，感應線圈輸出值增大，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)標定

在上述討論基礎上，在氣隙大小為0 mm，勵磁電壓幅值為400 mV，勵磁頻率為10 kHz情況下對傳感器進行靜態(tài)標定試驗。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時感應線圈的輸出電壓值大小。為了實驗數據的可靠性，本組試驗重復做3次，取3次試驗的平均值。用0 kN的感應線圈的輸出值與對應錨桿軸力的感應線圈的輸出值作差值，作出感應線圈輸出差值與錨桿軸力大小的關系曲線如圖9所示。

圖9 感應線圈輸出差值與錨桿軸力大小關系

由圖9曲線線性擬合可得，加載時感應線圈輸出差值與錨桿軸力的關系為y=0.2151x-0.3143，加載時靈敏度為-0.215 1 mV/kN，卸載時感應線圈輸出差值與錨桿軸力大小關系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 結論

(1)本文設計了一種錨桿軸力傳感器的結構，該結構簡單，可以快速、準確、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，降低了錨桿支護成本，有良好的應用前景。

(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)對傳感器進行了靜態(tài)標定，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行現場模擬試驗。