矿用一体式锚索测力传感器

泰安华纳机电

一体式锚索测力传感器是煤矿、隧道等地下工程中监测锚索轴向拉力的核心设备，凭借 “传感单元与信号处理单元集成化” 设计，具备安装便捷、稳定性强、适应恶劣环境等优势，广泛用于支护结构安全性评估。以下从核心特性、工作原理、技术参数、安装维护等维度展开详细介绍：
一、核心结构与设计优势一体式设计的核心是将 “弹性敏感元件（受力载体）、传感元件（应变片 / 振弦）、信号处理模块（放大 / AD 转换）、显示单元（可选）” 集成于同一外壳，相比分体式，减少了外部接线与连接部件，显著提升可靠性。

• 结构特点
  
  • 高强度外壳：采用 40CrNiMoA 合金钢或 316L 不锈钢整体锻造，抗压抗拉强度高（屈服强度≥800MPa），可承受锚索最大拉力的 1.5 倍过载，避免变形或断裂。
  • 全密封防护：外壳采用激光焊接或防爆密封工艺，防护等级达[color=var(--md-box-samantha-deep-text-color)  !important]IP68，防尘、防水、防煤尘侵蚀，适配井下潮湿、淋水、高粉尘环境。
  • 集成化电路：内置低功耗 MCU（微控制单元），直接完成信号采集、数据计算与输出，部分型号集成 LCD/LED 显示屏，支持现场实时读数（无需外接设备）。
    
    
• 设计优势
  
  • 安装效率高：无需额外组装传感模块与信号盒，直接串联在锚索托盘与锁具之间，1 人 30 分钟内可完成单台安装。
  • 抗干扰能力强：减少外部接线带来的电磁干扰（如井下高压电缆干扰），振弦式型号还具备抗温度漂移特性（温度误差≤0.05% FS/℃）。
  • 维护成本低：无分体式的接线松动、接头进水等故障点，平均无故障工作时间（MTBF）可达 3-5 年。
    
    
  
  

二、工作原理（主流两种技术路径）1. 应变式原理（应用最广泛）

• 核心逻辑：基于 “电阻应变效应”，弹性体受力形变→应变片电阻变化→电信号转换→拉力计算。
• 具体流程：
  
  • 在传感器内部的合金钢弹性体上，粘贴 4-8 片高精度应变片（组成惠斯通电桥）；
  • 锚索拉力通过锁具传递至弹性体，弹性体产生微小形变（通常＜0.1mm），带动应变片同步拉伸 / 压缩；
  • 应变片电阻值随形变线性变化（如拉伸时电阻增大），导致电桥输出微弱电压信号（mV 级）；
  • 内置信号放大电路将电压信号放大，经 16 位 AD 转换器转为数字信号，MCU 根据预设的 “应力 - 形变校准曲线” 计算出实际拉力值，可通过显示屏显示或通过接口输出。
    
    
  
  

2. 振弦式原理（适合长期监测）

• 核心逻辑：基于 “振弦振动频率与张力成正比”，钢弦受力变化→振动频率变化→频率换算拉力。
• 具体流程：
  
  • 传感器内固定一根高强度钢弦（如琴钢丝），两端与弹性体连接，旁置电磁激励线圈和拾振线圈；
  • 锚索拉力使弹性体形变，钢弦张力随之增大（或减小），张力变化直接影响钢弦的固有振动频率；
  • 激励线圈周期性输出电磁信号，激发钢弦振动，拾振线圈检测振动频率并反馈给 MCU；
  • MCU 根据 “频率 - 张力公式”（如\(f=k\sqrt{T}\)，f为频率，T为张力，k为常数）计算拉力值，振弦式信号抗干扰强，适合远距离传输（RS485 传输距离可达 1km）。
    
    
  
  

三、关键技术参数（主流型号参考不同厂家型号（如 GMS 系列、MCS 系列、YML 系列）参数略有差异，以下为煤矿常用规格的典型值：

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参数类别	典型规格	说明
测量量程	0-200kN、0-300kN、0-500kN	需匹配锚索设计拉力（如 20MPa 锚索对应 300kN 量程）
精度等级	应变式：±1.0% FS；振弦式：±0.5% FS	FS 为满量程，振弦式精度更高，适合高精度监测
分辨率	0.1kN（小量程）、1kN（大量程）	最小可识别的拉力变化量
防爆等级	Ex ib I Mb	煤矿本质安全型，可在含瓦斯环境使用
供电方式	内置锂电池（3.6V/4Ah）或 DC12V	锂电池续航可达 1-2 年（低功耗模式）
输出信号	RS485（Modbus 协议）、4-20mA 模拟量	支持与矿用监测分站、地面系统对接
工作温度	-20℃~+60℃	低温型号可扩展至 - 40℃（适应北方矿井）
安装尺寸	直径 Φ80-Φ120mm，高度 50-80mm	需匹配锚索托盘孔径（通常 Φ80-Φ100mm）
过载能力	150% FS（短期）、120% FS（长期）	避免超过过载限值，防止弹性体永久变形

四、安装与使用流程（煤矿现场操作）1. 安装前准备

• 设备检查：确认传感器外壳无破损、电缆接头密封完好、防爆标识清晰，用便携式读数仪测试零位（未受力时读数应≤5kN，否则需校准）。
• 现场条件：锚索已按规范安装（锚固剂凝固≥24h），托盘与顶板贴合，无浮煤或碎石干扰。
• 工具准备：力矩扳手、锚索张拉器（若需卸力）、防爆电缆密封胶、水平仪。
  
  

2. 安装步骤（以应变式为例）

• 卸力与嵌入：若锚索已预紧，用张拉器缓慢卸至预紧力的 50%，将传感器[color=var(--md-box-samantha-deep-text-color)  !important]同轴套入锚索，确保传感器轴线与锚索轴线完全重合（偏差≤3°，避免偏心受力导致误差）。
• 复位预紧：传感器一端紧贴顶板托盘，另一端安装锚索锁具，用张拉器重新将锚索预紧至设计值（如 200kN），预紧过程中观察传感器零位变化，确保无异常。
• 固定与布线：用螺栓（若有安装孔）辅助固定传感器，避免晃动；电缆沿锚索或巷道支护网敷设，每隔 2m 用扎带固定，电缆接头用防爆密封胶包裹，防止进水。
• 调试与校准：通过读数仪读取当前拉力值，与张拉器显示值对比，误差若超范围，需重新调整安装角度或进行现场校准（部分型号支持红外遥控校准）。
  
  

3. 日常使用与维护

• 数据读取：现场可通过传感器自带 LCD 屏查看实时拉力（按唤醒键激活），远程可通过矿用监测系统（如 KJ95N）实时采集数据，生成拉力趋势曲线。
• 定期校准：建议每 6 个月校准一次（送至有资质的机构），若发现数据漂移（如无外力时读数变化＞5% FS），需立即校准。
• 维护要点：每月清理传感器表面煤尘（用压缩空气吹净），检查电缆是否破损，电池欠压时（显示屏提示 “LOW BAT”）及时更换（需使用防爆电池）。