本发明涉及锚索应力监测，尤其涉及一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索及数据处理方法。
背景技术：
1、锚索支护作为地下矿山巷道等工程围岩支护的关键技术措施，其锚固深度大、预应力及支护阻力高，支护效果好。在巷道围岩支护工程中，锚索预应力及工作荷载是评价锚索对岩体变形控制效果的最核心指标。因此，对锚索索体受力状态进行实时有效的监测对掌握巷道锚索支护状态、工程岩体灾变事故预警等均具有重要意义。
2、光纤光栅传感器是一种将被测对象的状态转变为光信号的传感器，其工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入光栅结构，在光栅结构内与外界被测参数的相互作用，使光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。其对于应力、位移、温度等物理量的测量有极强的线性度，具有测量精度高、测试范围广、对测试场地适应能力强等特点。
3、现有锚索受力状态监测方法主要有振弦式传感器、应变式传感器、磁通量法、光纤光栅传感器等。目前，振弦式传感器分为横弦式和竖弦式两种，两者都是通过外部应力作用到传感器上，根据外部应力与振弦式传感器输出的频率的对应关系计算得出锚索的轴向受力大小，其外形为环状，是一种高精度、抗干扰能力强的监测方法，目前广泛应用于煤矿锚索预应力值的监测工作中。但是，振弦式传感器安装于锚索外露端的锁具与托盘之间，仅能实现锚索外露端轴向应力的监测，无法开展锚索索体全长范围内应力和变形的监测，同时存在稳定性较差、大量程振弦式传感器体型笨重、读数误差大和监测精度受安装准确性影响较大等缺点，尤其在安装过程中容易出现传感器承载面与锚索锁具或托盘非均匀接触，导致出现偏载等问题。
4、电阻应变式传感器方法发展较成熟，但在潮湿、温差较大的环境中极不稳定且耐久性较差，难以实现对锚索全生命周期的稳定监测。磁通量法通过磁导率的变化来反应结构的受力状态，但其存在容易受外界磁场影响、对现场工况要求较高、内部线圈互相扰、测量精度较低，且磁化时响应速度较慢导致测量数据滞后等问题。
5、光纤光栅传感器已在岩土工程锚索荷载监测中应用，但是其布设方式为在锚索内丝表面沿索体轴向开槽布设，而后将外丝缠绕构成。该类测力锚索均为提前加工制造，无法针对工程具体围岩条件和索体重点监测位置灵活布设光栅，对复杂围岩条件和应力环境适应性较差。同时，传统光纤测力锚索仅能测量索体轴向荷载，对实际条件中的索体扭转量无法测量。
6、因此，亟待设计一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索及数据处理方法，解决上述现有技术存在的问题。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或者改进需求，本发明提供了一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索及数据处理方法，其目的在于通过在锚索任意对称位置两根锚索外丝沿其螺旋线开设凹槽，将光纤光栅传感器安装在凹槽内，监测锚索外丝应力、应变，根据锚索内外丝应变之间的关系，计算得出锚索内丝应力、应变，实现锚索索体全长范围内的应力和应变监测。
2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
3、本发明第一方面提供了一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索，包括锚索、光纤光栅传感器、连接结构；
4、所述锚索采用1×7股低松弛钢绞线制成，所述锚索前端为锚固段，后端为外露端，所述锚固段通过锚固剂固定在深部围岩当中，沿锚索任意对称两根锚索外丝螺旋线路径开设凹槽，所述凹槽用于安装光纤光栅传感器；
5、所述光纤光栅传感器包括纤芯、包层、封装层、布拉格光栅；
6、所述连接结构包括内置插口、防尘罩、数据传输线，所述数据传输线一端与内置插口连接，另一端与光纤光栅解调仪连接，实现数据传输与处理。
7、作为本技术的一实施例，所述锚索开设凹槽路径沿锚索外丝螺旋线方向从外露端直至锚固段，螺旋线的螺旋角与锚索外丝的螺旋角一致，所述锚索开设的凹槽横截面为圆弧形。
8、作为本技术的一实施例，所述光纤光栅传感器与所述锚索外丝凹槽之间通过粘合剂进行固定，所述粘合剂采用高强度环氧树脂。
9、作为本技术的一实施例，所述光纤光栅传感器沿所述锚索外丝开设凹槽槽线不均匀布设，在锚索锚固端和至外露端的全长范围内布设光纤光栅测点。
10、作为本技术的一实施例，所述数据传输线的一端为锚索外露端插口，另一端为解调仪接口，所述锚索外露端插口与所述内置插口连接，所述解调仪接口与所述光纤光栅解调仪连接。
11、本技术还提供了一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索数据处理方法，所述方法包括以下步骤：
12、s1：提取监测数据，得到锚索外丝轴向应力、应变数据，通过光纤光栅传感器测得的数据有：锚索外丝轴向应力，，锚索外丝轴向应变，；光纤光栅传感器监测得到的应力值与锚索外丝轴向受力之间的关系可由下式计算：
13、
14、
15、其中，表示光纤光栅传感器监测数值，表示锚索外丝螺旋角；
16、将锚索外丝沿螺旋角方向上的轴向应力投影到与内丝轴线方向一致；
17、s2：根据弹性理论推导出锚索内外丝轴向应变的关系，计算得到锚索内丝轴向应变，内外丝轴向应变关系表示为：
18、
19、当不允许锚索自由转动时，有，则此时的锚索内外丝应变关系表示为：
20、
21、其中，为锚索内丝轴向应变，为锚索外丝轴向应变，为钢材泊松比，为锚索螺旋半径，为锚索受力时的旋转角；
22、s3：由步骤s2计算得到锚索内丝轴向应变，根据弹性力学理论计算出锚索内丝轴向应力，锚索内丝轴向应力计算可由下式计算得到：
23、
24、其中，为锚索弹性模量，为锚索外钢绞线半径；
25、s4：忽略锚索钢丝之间在受力时的相互摩擦和变形；
26、s5：根据计算所得锚索内外丝轴力数值和锚索受力平衡方程，计算出锚索整体轴力值，得到每一个测点锚索的轴力状态，锚索受力模型表示为：
27、
28、其中，表示锚索内丝的轴向应力，表示锚索外丝的轴向应力；
29、s6：根据每一测点计算得到的锚索轴向受力大小，再将每一点受力情况带入建立的三维空间直角坐标系当中，拟合出锚索整体轴向应力分布情况，即实现了锚索整体轴力的受力情况监测。
30、作为本技术的一实施例，所述步骤s6中建立空间直角坐标系具体包括：
31、以锚索横截面的中心为原点，以锚索内丝中心轴为z轴，锚索横截面为xy平面建立空间直角坐标系，建立锚索外丝螺旋线中心空间参数方程，空间参数方程表示为：
32、
33、
34、
35、其中，为锚索螺旋半径，为锚索旋转角，为锚索外丝螺旋角。
36、作为本技术的一实施例，根据锚索外丝螺旋线和开槽路径之间的几何关系，确定开槽路径的空间方程，锚索外丝开槽路径的空间方程表示为：
37、第一根光纤布设路径方程：
38、
39、
40、
41、第二根光纤布设路径方程
42、
43、
44、
45、由基准面出发，至时，为锚索的一个捻距高度，所述捻距高度，根据捻距高度，计算出每一个光纤光栅传感器的位置坐标。
46、作为本技术的一实施例，所述锚索受载后，其半径和旋转角发生变化，其受载前后关系由下式表示：
47、
48、其中，为锚索受载后螺旋半径，为锚索材料的泊松比；
49、单位长度锚索旋转角：
50、
51、锚索受载变形后轴向应变：
52、
53、其中，、表示锚索内外钢绞线半径；、表示受载前后锚索捻距；、表示受载前后锚索旋转角；、表示锚索内、外丝轴向应变；、表示受载前后锚索外丝螺旋角。
54、作为本技术的一实施例，所述锚索受载后，拉伸和扭转两个状态同时存在的，建立锚索拉伸和扭转的刚度矩阵：
55、
56、其中，、、、为刚度矩阵系数，为锚索受载时产生的扭矩，根据上式，求出锚索在拉伸和扭转时的扭矩和轴力大小。
57、本发明的有益效果为：
58、1、本发明通过采用在锚索索体其中两根对称分布锚索外丝沿其扭转路径开槽的方式，将光纤光栅传感器植入所开沟槽当中，监测锚索外丝应力、应变；并根据锚索内外丝应变之间的关系，计算得出锚索内丝应力、应变，实现锚索索体全长范围内的应力和应变监测；
59、2、本发明通过根据光纤光栅传感器布设方式提出相应的解算方法，再配合相应的软件模块，根据相应的数据处理方法计算出每个监测点沿锚索轴向应力、应变，并以图表的形式将所述变形量在电脑终端显示，可以提高监测效率，降低测量人员劳动强度，实现无人化监测，解决了现有振弦式监测方法当中仅能实现预应力单一物理量监测的问题和电阻应变法、磁通量法对环境要求较高的问题；
60、3、本发明通过在锚索外丝安装光纤光栅传感器的方式，充分考虑了锚索受力时的工作状态，以锚索任一已知横截面为参考面，建立锚索外丝开槽路径的空间曲线方程，光纤光栅传感器之间采用串联的方式，明确光纤光栅传感器安装时的三维空间位置坐标，监测数据的融合处理；不仅实现了对锚索轴力的监测，还根据已有考虑到锚索拉伸和扭转相互影响的理论模型，较为精确地计算得出锚索轴力和扭距的大小；
61、4、本发明所采用的光纤光栅传感器相比较与传统的正弦式、磁通量式传感器，其具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀、集运输和传感与一身、传感器之间易于串行复用等特点，能极大地提高监测效率，且监测设备仅需一次安装，即可实现永久使用。
1.一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索，其特征在于，包括锚索、光纤光栅传感器、连接结构；
2.根据权利要求1所述的一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索，其特征在于，所述锚索开设凹槽路径沿锚索外丝螺旋线方向从外露端直至锚固段，螺旋线的螺旋角与锚索外丝的螺旋角一致，所述锚索开设的凹槽横截面为圆弧形。
3.根据权利要求1所述的一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索，其特征在于，所述光纤光栅传感器与所述锚索外丝凹槽之间通过粘合剂进行固定，所述粘合剂采用高强度环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索，其特征在于，所述光纤光栅传感器沿所述锚索外丝开设的凹槽槽线不均匀布设，在锚索锚固端和至外露端的全长范围内布设光纤光栅测点。
5.根据权利要求1所述的一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索，其特征在于，所述数据传输线的一端为锚索外露端插口，另一端为解调仪接口，所述锚索外露端插口与所述内置插口连接，所述解调仪接口与所述光纤光栅解调仪连接。
6.一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索数据处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
7.根据权利要求6所述的一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索数据处理方法，其特征在于，所述步骤s6中建立空间直角坐标系具体包括：
8.根据权利要求7所述的一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索数据处理方法，其特征在于，根据锚索外丝螺旋线和开槽路径之间的几何关系，确定开槽路径的空间方程，锚索外丝开槽路径的空间方程表示为：
9.根据权利要求6所述的一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索数据处理方法，其特征在于，所述锚索受载后，其半径和旋转角发生变化，其受载前后关系由下式表示：
10.根据权利要求9所述的一种基于螺旋式布纤的矿用测力锚索数据处理方法，其特征在于，所述锚索受载后，拉伸和扭转两个状态同时存在的，建立锚索拉伸和扭转的刚度矩阵：
