具体实施方式

下面将结合附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。需要说明，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的实施方式所限制。

本发明中提及的方位“前后”、“左右”等，仅用来表达相对的位置关系，而不受实际应用中任何具体方向参照的约束。

实施例1

参见图1-图4，图1-图4为本实施例的一种矿用可视化光纤光栅大量程锚杆索应力监测传感器的结构示意图，具体包括锚杆索应力感应装置、一级传动系统1、二级传动系统2、显示装置和远程监控系统。

所述锚杆索应力感应装置用于感应锚杆传递过来的压力，具体包括第一壳体5、第一活塞轴10和上盖9，所述第一壳体5内腔内盛装有润滑油，所述第一壳体5上方设有上盖9，所述第一活塞轴10装配在第一壳体5内腔内，所述第一壳体5、第一活塞轴10和上盖9中间位置穿有锚杆3，所述锚杆3与第一活塞轴10顶部接触位置设有锚杆螺母4，锚杆3受应力作用下压时，锚杆螺母4会推动第一活塞轴10在第一壳体5内下移。

下面结合图8和图9，所述第一壳体5内自上而下设有第一腔501和第二腔502，所述第一腔501内放置有第一活塞轴10，所述第二腔502容积小于第一腔501，在第二腔502底部设有第一凸台504，所述第一凸台504内部设有空腔。所述第二腔502一侧连接有连接螺柱连接腔503，所述连接螺柱连接腔503与第一壳体5外壁相通。

进一步的，所述第一活塞轴10的结构参见图5，包括第一滑动部1002和第二滑动部1004，所述第一滑动部1002直径尺寸与第一腔501尺寸配合，所述第二滑动部1004直径尺寸与第一凸台504内腔尺寸配合。所述第一活塞轴10可在第一壳体5内沿第一壳体5中心轴方向移动，并挤压润滑油从第二腔502流向连接螺柱连接腔503。

优选的，所述第一活塞轴10的第一滑动部1002下部还设有第一弹簧槽1003，用于放置第一弹簧14，所述第一弹簧14下端放置在第二腔502和第一凸台504之间。通过第一弹簧14反推第一活塞轴10，可加快第一活塞轴10的回弹速度。

在本实施例中，所述第一活塞轴10的第一滑动部1002顶部还设有第二凸台1001，所述第二凸台1001高出上盖9，以便于与锚杆螺母4接触。

在本实施例中，所述一级传动系统1包括第一壳体5、第一活塞轴10、连接螺柱16和第二活塞轴11，所述连接螺柱16布置在第一壳体5的内腔和显示装置之间，所述连接螺柱16的内腔内设有第二活塞轴11，第一活塞轴10在第一壳体5内下移时，会推动润滑油进入连接螺柱16内腔，并推动第二活塞轴11动作。

参见图14，所述连接螺柱16内部设有第七腔1601和第八腔1602，所述第七腔1601一端与第一壳体5的连接螺柱连接腔503相连，所述第八腔1602与显示装置连接，所述第八腔1602内设有第二活塞轴11，参见图4所示。

进一步的，所述第二活塞轴11的结构参见图6所示，所述第二活塞轴11头部设有若干个O型圈连接槽，底部设有第一连接孔1101。

在本实施例中，一级传动系统1后面连接有二级传动系统2，所述二级传动系统2包括第三壳体7、第三活塞轴12、第四壳体8和第四活塞轴13，参见图4。所述第三活塞轴12布置在第三壳体7的内部空腔中，其一端与第二活塞轴11相连，所述第三壳体7和第四壳体8之间通过弯管17连通，所述第四壳体8内布置有第四活塞轴13，所述第四活塞轴13与推杆连接。

下面结合图10和图11来具体介绍第三壳体7的内部结构，所述第三壳体7内部设有第三腔701和第四腔702，所述第三腔701体积大于第四腔702，所述第三腔701开口朝向连接螺柱16的第八腔1602，在第三腔701内部放置有第三活塞轴12，所述第四腔702出口开在第三壳体7侧面，其内部与第三腔701连通。所述第三活塞轴12在第三腔701内做伸缩运动时，会推动润滑油从第三腔701流到第四腔702内。

下面结合图7来介绍第三活塞轴12的具体结构，所述第三活塞轴12一端设置有O型圈连接槽，另一端设置有连接杆1201，所述连接杆1201插入第二活塞轴11底部的第一连接孔1101中，使第三活塞轴12与第二活塞轴11连接在一起。

参见图12和图13，所述第四壳体8的结构与第三壳体7相似，其内部设有第五腔801和第六腔802，所述第五腔801和第六腔802的开口分列第四壳体8的不同端面上，所述第五腔801和第六腔802的在第四壳体8内部相通，所述第五腔801内装配有第四活塞轴13，所述第四活塞轴13与第二活塞轴11结构类似，其底部与推杆连接。所述第六腔802与弯管17连接，所述弯管17另一端与第三壳体7的第四腔702连通。

作为优选的，所述第一壳体5内腔有效面积S1大于连接螺柱16内腔有效面积S2，所述连接螺柱16内腔有效面积S2大于第三壳体7内腔有效面积S3，所述第三壳体7内腔有效面积S3大于第四壳体8内腔有效面积S4。将传动系统所经各壳体内腔有效面积做逐级递减的设计，可使锚杆3索上传递过来的压力逐级降低，以避免推杆及悬臂梁处各零部件受力过大而损坏。当然，在空间充足的情况下，还可设有更多级传动系统，以进一步降低压力，提高本锚杆索应力监测传感器的使用寿命。

在本实施例中，所述显示装置包括仪表盘36和第二壳体6，所述仪表盘36位于第二壳体6上部，所述仪表盘36上方设有仪表视窗盖35，下部设有固定盘37，所述二级传动系统2的各部件装配在固定盘37上，参见图3。

进一步的，所述第二壳体6内设有推杆和传动部，所述推杆与第四活塞轴13连接，第四活塞轴13的动作可带动推杆动作。所述传动部一端与推杆连接，另一端通过连接轴与仪表盘36连接，所述仪表盘36上设有指针和刻度，所述推杆动作时，带动传动部动作，进而带动仪表盘36上的指针动作，以显示当前锚杆所受应力情况。

参见图15，所述推杆为U型固定推杆18，包在指针中心轴外侧，其顶部设有第二连接孔1803，用于与第四活塞轴13的连接。

在本实施例中，所述传动部包括齿条19、第一齿轮21和第二齿轮22，所述U型固定推杆18上设有齿条连接孔1801，用于固定齿条19。所述第一齿轮21与仪表盘36上的指针同轴连接，所述第二齿轮22连接在第一齿轮21和齿条19之间。当U型固定推杆18动作时，可带动齿条19一块动作，齿条19的动作继而带动齿轮旋转，齿轮旋转带动同轴连接的指针转动。

进一步的，所述U型固定推杆18上还设有斜铁连接孔1802，用于连接U型固定推杆18侧面的斜铁20，所述斜铁20上表面为倾斜面。当然，此处也可直接将U型固定推杆18一侧设置成倾斜面。

在本实施例中，所述远程监控系统包括主机和悬臂梁，所述悬臂梁固定安装在第二壳体6内，其上布置有光纤光栅，所述悬臂梁顶部与U型固定推杆18侧面的斜铁20接触，所述U型固定推杆18受第四活塞轴13的推动作用产生位移变化时，能够带动悬臂梁顶部弯曲，所述光纤光栅与远程主机相连，通过解析光纤光栅波长变化，可在远程实时解调出锚杆索应力变化情况，极大减少了技术人员下井查看数据，减轻人员劳动强度。

在本实施例中，所述U型固定推杆18下部还设有调零系统，所述调零系统包括调零螺栓27、调零定位座23、导轨滑块24、第二弹簧15、第一悬臂梁支架25、第二悬臂梁支架26和调零螺栓支架31。所述调零螺栓27顶部朝向第二壳体6外壁，尾部朝向U型固定推杆18，在调零螺栓27顶部位置设有调零螺栓支架31，所述调零螺栓支架31两端分别设有第一悬臂梁支架25和第二悬臂梁支架26，所述第一悬臂梁支架25上固定有第一悬臂梁32，所述导轨滑块24与U型固定推杆18开口端相连，其两侧滑动连接在调零螺栓支架31两端的悬臂梁支架之间，所述调零螺栓27依次穿过调零螺栓支架31和导轨滑块24后与调零定位座23连接，所述调零定位座23与U型固定推杆18固定连接，所述导轨滑块24和调零螺栓支架31之间的调零螺栓27外侧穿有第二弹簧15。

下面结合图16，所述调零定位座23为U型板，开口夹在U型固定推杆18两端，头部设有第四连接孔2301，所述调零螺栓27穿过第四连接孔2301，与调零定位座23螺纹连接在一起。

下面结合图17和图18，所述第一悬臂梁支架25和第二悬臂梁支架26的结构相似，在相对侧的端面上分别设有第一滑动槽2501和第二滑动槽2601，所述导轨滑块24两端可在第一滑动槽2501和第二滑动槽2601内滑动。所述第一悬臂梁支架25在第一滑动槽2501的背面还设有第三凸台2502，所述第三凸台2502上设有悬臂梁固定孔2503，所述第一悬臂梁32放置在第三凸台2502上，并通过悬臂梁固定垫片34固定。

参见图19，所述导轨滑块24两端各设有滑动凸块2402，用于在第一滑动槽2501和第二滑动槽2601内滑动。所述导轨滑块24中间位置设有第二弹簧槽2401，用于放置第二弹簧15，在第二弹簧槽2401中间还设有第五连接孔2403，用于调零螺栓27穿过。在第二弹簧槽2401两侧分别设有第六连接孔2404，两个第六连接孔2404位置与U型固定推杆18下端的第三连接孔1804位置对应，用于导轨滑块24与U型固定推杆18的连接。

现场需要调节仪表盘36时，可将堵头28取下，用工具插在调零螺栓27上，通过旋转调零螺栓27，带动调零定位板23上下移动，进而带动U型固定推杆18和导轨滑块24一块移动，进而调节U型固定推杆18一侧的斜铁20与第一悬臂梁支架25之间的距离，和指针在仪表盘36上的位置。

参见图20，本实施例中的第一悬臂梁32包括安装座3201和V型座3202，所述安装座3201用于与第一悬臂梁支架25连接，所述V型座3202远离安装座3201，位于第一悬臂梁32顶部，所述V型座3202底部与斜铁20接触。当斜铁20随U型固定推杆18动作时，所述V型座3202受斜铁20倾斜角度的影响向上弯曲，从而使光纤光栅的波长发生变化。

优选的，所述第一悬臂梁32靠近V型座3202处的中心位置还设有卸荷孔3203，以减轻V型座3202受力。

在本实施例中，所述第二壳体6内包括两个悬臂梁第一悬臂梁32和第二悬臂梁33，两个悬臂梁上均布置有光纤光栅，所述第一悬臂梁32顶部与斜铁20接触，所述第二悬臂梁33不与其他任何物体接触，用于检测第二壳体6内温度变化。通过采用此双应变片结构解决了单一悬臂梁两边粘贴光栅拉压光栅变化不一致的问题，通过双应变片粘贴光栅可消除温度带来的误差，提高检测精度。

优选的，所述第二悬臂梁33靠近第一悬臂梁32装配在固定盘37上，靠近第一悬臂梁32和第二悬臂梁33的第二壳体6上设有第一光缆防水接头29，用于光纤光栅接入，在第二壳体6上还设有第二光缆防水接头30，用于光纤光栅的接出。接出的光纤光栅可再连接多个本锚杆索应力监测传感器，然后连接至主机上。

在本实施例中，第一壳体5下部支撑有托盘38，传感器的外观采用不锈钢材料设计，防护等级为IP65。

本锚杆索应力监测传感器的具体工作原理分为三部分：1)液压力学传动部分；2)现场表盘实时可视化显示；3)应变数据远程实时数据上传。

1)液压力学传动部分

液压传动利用的是帕斯卡定律，是流体静力学的一条定律。

传感器采用两级液压传递，第一级液压传动由第一壳体5、上盖9、第一活塞轴10、第二活塞轴11和连接螺柱16构成；第二级液压传动由第三壳体7、第三活塞轴12、第四壳体8、第四活塞轴13和弯管17构成。

F4＝(F1/S1)*S2/S3*S4 (1)

其中，S1为第一壳体5内部有效面积，F1为第一活塞轴10顶部受到的压力，S2为连接螺柱16内部有效面积，S3为第三壳体7内部有效面积，S4为第四壳体8内部有效面积，F4是第四活塞轴13对第二弹簧15的压力。

第二弹簧15伸长的长度△x1与弹力的关系是F(弹力)＝K*△x1，其中K为弹簧弹性系数，跟第二弹簧15本身的直径、材料和螺距有关，F(弹力)与F4等同。

挠曲应变εM可简化为液压传动对传感器内部第一悬臂梁32形变量乘以一个系数，即：

εM＝K*△x2 (2)

式中k为系数，△x2为第一悬臂梁32形变量，与弹簧伸长的长度△x1等同。

△λ＝εM/K (3)

式中△λ为光纤光栅(FBG)中心波长变化，K为传感器应力与光栅波长变化标定系数。

通过上述几个公式即可推出锚杆索受力与光纤光栅中心波长变化关系。

2)现场表盘实时可视化显示

当第一活塞轴10受到外力挤压时，会在第一壳体5内下行，将润滑油向连接螺柱16方向推动，继而推动第二活塞11和第三活塞轴12移动，并最终通过一定的传动比例传递给第四活塞轴13，所述第四活塞轴13推动长条齿条19下行，所述齿条19带动两级齿轮转动，通过齿轮上面的传动轴带动表针旋转，现场人员可方便的从仪表盘36上读出锚杆索受力情况。

3)应变数据远程实时数据上传

当第四活塞轴13下行时，第四活塞轴13推动U型固定推杆18下行,所述U型固定推杆18侧面安装有斜铁20，所述斜铁20与第一悬臂梁32接触，U型固定推杆18的位移变化导致第一悬臂梁32发生变化，既而带动第一悬臂梁32上的光纤光栅波长变化。第一悬臂梁32的光纤光栅波长通过远程主机实时解调出来，工作人员可从远程实时了解现场锚杆索的受力情况。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或增减替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。