CN102620870B - 一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器，它包括立方体盒体，盒体有六个面，其中共顶点的三个面为受力面，另外共顶点的三个面各有一个凹盘，称为凹盘面；凹盘的四周有大小相同、分布均匀的紧固螺孔，凹盘的中心处有一个光纤通道，凹盘上连接着传感膜；传感膜中间的小圆薄板为有效承压面，其内表面粘贴有光纤光栅，有效承压面的四周为传感膜支撑端，支撑端周围有大小相同、分布均匀的螺孔；受力面顶点处与凹盘面顶点处均有盒体贯穿口，光纤通道与两盒体贯穿口相互相连。该岩土三向压应力传感器本质安全，不受电磁干扰，长期稳定性好，量程大，精度高，密封性能好，耐压，耐腐蚀等。

Description

一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器

技术领域

本发明涉及岩土工程监测领域，更具体涉及一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器，可用于岩土体的应力测试，尤其适用于软岩和土的应力测试。

背景技术

土木工程监测领域现有压应力传感器大多只能测定一个方向的压力，中国专利03212896.7、200810246302.1、201120082368.9公开了几种压应力传感器，各具特色。但经综合比较与分析，现有压应力传感器主要存在下列几个问题：1)现有压应力传感器的传感原理大多是基于钢弦式的，该类传感器测试精度不够高、传感器长期稳定性不够好、易漂移、易受电磁干扰；或基于电阻应变片式的，该类传感器精度比较高，但是易受电磁干扰、量程不够大、长期稳定性也不够好；2)现有压应力传感器大多只能测得一个方向上的压力，不能同时测得三个方向上的压力；3)现有压应力传感器大多是基于电信号或电相关信号的，不是本质安全型的，不能在富含瓦斯的煤矿井下等恶劣环境中使用；4)现有压应力传感器很难做到对压力进行长期、实时监测。

目前，土木工程岩体应力测试领域最常用的方法，主要有水压致裂法和应力解除法。对于水压致裂法，其钻孔封隔器需要在高水压下具备良好的水密封性能，因而该方法对岩体的完整性提出了苛刻的要求，因此水压致裂法更适宜用于完整硬岩体的应力测试。而且，该方法只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力，钻孔方向假设为一个主应力方向，本质上为二维应力测量方法。对于应力解除法来说，为了计算应力值，首先必须确定岩体的物理力学性质参数(如弹性模量E和泊松比μ等)以及所测物理量(应变)和应力的相互关系。对岩体，特别是对含有大量裂隙的松软岩体而言，其弹性模量E和泊松比μ等物理力学参数的取值与岩体所受的应力状态和岩体试件大小及形状密切相关，不同应力状态下不同大小的岩体试件通过试验得出的弹性模量E和泊松比μ的数值可相差数倍甚至十倍以上，这就要求采用应力解除法测试地应力时必须取得超过传感器长度(＞30cm)的完整岩芯，且在模拟应力解除过程中的应力状态(即厚壁圆筒外壁均匀受压的应力状态)下获取岩芯的弹性模量。很显然，这些要求过于苛刻，例如，煤矿深部松软岩体多为泥质胶结，经受了高应力的作用，取芯过程中受水流冲刷和应力强卸荷作用，多数情况下连长度为10cm的短岩芯也难以获取，因而很难通过单轴压缩实验得到准确的岩体力学参数。因此，工程实践中利用应力解除法进行岩体应力测试并不理想。而其他的岩体地应力测试方法，比如声发射法等等，不仅无法胜任软岩的地应力测试，而且从原理上来说无法测得原岩应力。在土压应力监测领域，压力盒较多应用，而现有压力盒的不足之处在上文已叙述。

综上所述，现有岩土体应力测试方法及装置在工程实践中的应用效果并不理想，需要发明新的岩土体压应力测试装置及方法。

发明内容

本发明的目的是在于公开一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器，该装置本质安全，不受电磁干扰，长期稳定性好，量程大，精度高；可以实时监测一点的三个正应力分量。

一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器，它包括盒体、传感膜等。其具体连接关系是：立方体盒体有六个面，其中共顶点的三个受力面相互相连，受力面为平面，另外共顶点的三个面各有一个凹盘，在三个面的凹盘上分别连接有三个传感膜；三个传感膜为圆形结构，另外共顶点的三个面相互相连。在其共有顶点处有盒体贯穿口，用于引出光缆等。与三个受力面分别相对的三个面各有一个凹盘，因而这三个面也称为凹盘面。在凹盘的中心处有一个光纤通道，在凹盘的四周有大小相同、分布均匀的紧固螺孔，且在共有顶点处有盒体贯穿口。光纤通道与盒体贯穿口是相互相连的，主要用于引出光缆等。传感膜中间的小圆为有效承压面；有效承压面内表面粘贴有光纤光栅(FBG)，用于受力传感；有效承压面的四周为传感膜支撑端，用于插入并紧贴凹盘内壁以达到更好固定传感膜的效果；传感膜支撑端外面为大小与紧固螺孔相同且分布均匀的螺孔，用于把传感膜固定在盒体上；传感膜的外沿为磨圆端，以此尽可能减小传感膜四周尖端造成的应力集中等干扰因素。将传感膜上的螺孔与凹盘四周的紧固螺孔一一对齐，然后把螺丝拧进螺孔中，以此将传感膜紧固在盒体上。将光纤光栅(FBG)的引出光缆从光纤通道引入到盒体贯穿口中，然后再从盒体贯穿口引出盒体外。

将岩土三向压应力传感器埋设于岩体或土中后，三向压应力传感器开始受到三向挤压。传感膜上的有效承压面首先感知应力，产生小挠度弹性弯曲，并产生相应的应变。根据应变传递理论，有效承压面中心处产生的最大应变将会传递给光纤光栅(FBG)，于是光纤光栅(FBG)被拉长，从而其布拉格中心波长发生漂移。根据光纤光栅传感理论，由中心波长漂移量可以计算出应变量的大小。再根据弹性理论，可以计算出应变量与有效承压面受到的压力之间的关系。从而通过一个岩土三向压应力传感器即可测得三个正应力。

当两个岩土三向压应力传感器通过特定方式组合在一起后，即可测得六个正应力分量，根据应力转轴理论等即可解算出一点的空间应力状态。

岩土三向压应力传感器的工作原理：

传感膜中间的小圆实际上为一个周边固定的圆形薄板，根据弹性理论，在均布横向荷载作用下，圆形薄板将产生小挠度弹性弯曲，圆形薄板中心处的最大应变与横向荷载的关系为：

$q=\frac{16{\mathrm{Et}}^3}{3a^3(1-{\mathrm{\μ}}^2)}{\mathrm{\ϵ}}_o---\left(1\right)$

式中，q表示圆形薄板所受的均布横向荷载(MPa)，即可认为是三向压应力传感器一个受力面上的正应力；E表示圆形薄板所用材料的弹性模量(MPa)；t表示圆形薄板的厚度(mm)；μ为圆形薄板所用材料的泊松比；a表示圆形薄板的半径(mm)；ε_o表示圆形薄板中心处受横向均布荷载而产生的最大应变。

由于圆形薄板中心处粘贴着带有光栅的光纤，根据应变传递理论，圆形薄板中心处的最大应变ε_o将全部传递给裸光纤光栅。

根据光纤光栅传感理论有：

Δλ_B＝α_εε_o+α_TΔ_T        (2)

式中，系数α_ε表示圆形薄板传递给光纤光栅的单位应变引起的光栅布拉格中心波长漂移量(pm/με)，由标定试验得到；系数α_T表示温度变化引起的单位应变导致光栅布拉格中心波长的漂移量(pm/με)，由标定试验得到；Δλ_B表示光栅布拉格中心波长漂移量(pm)；ε_o表示圆形薄板传递给光纤光栅的应变；Δ_T表示温度变化量。

在三向压应力传感器盒体中间空心部位安设一个不受力的光纤光栅，这样它的应变全部由温度变化引起，即：

Δλ_B′＝α_T′Δ_T      (3)

式中，系数α_T′表示温度变化引起的单位应变导致光栅布拉格中心波长的漂移量(pm/με)，Δλ_B′表示光栅布拉格中心波长漂移量(pm)，Δ_T表示温度变化量。由于压力盒体积较小，所以可认为四个光纤光栅所在处的温度变化量一致，这样根据式(2)和式(3)即可算出圆形薄板传递给光纤光栅的应变为：

${\mathrm{\ϵ}}_o=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B-{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}^{\′}{\mathrm{\α}}_T/{\mathrm{\α}}_{T^{\′}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}}---\left(4\right)$

联立式(1)和式(4)，有：

$q=\frac{16{\mathrm{Et}}^3}{3a^3(1-{\mathrm{\μ}}^2)}\·\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B-{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}^{\′}{\mathrm{\α}}_T/{\mathrm{\α}}_{T^{\′}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}}---\left(5\right)$

式(5)即为传感膜的基本工作原理。

一个三向压应力传感器可以测得三个正应力分量，两个三向压应力传感器可以测得六个正应力分量。以传感器盒体共顶点且相互垂直的三条棱为各坐标轴方向，建立空间坐标系oxyz；以另一传感器盒体的共顶点且相互垂直的三条棱为各坐标轴方向，建立空间坐标系o′x′y′z′(o和o′相距较近，可近似认为重合)。第一个传感器所测应力分量设为σ_x，σ_y，σ_z；另一个传感器所测应力分量设为σ′_x，σ′_y，σ′_z；并设l₁，l₂，l₃分别为x′，y′，z′轴与x轴之间的方向余弦；m₁，m₂，m₃分别为x′，y′，z′轴与y轴之间的方向余弦；n₁，n₂，n₃分别为x′，y′，z′轴与z轴之间的方向余弦。将六个正应力分量代入下式，即可得出所测点处的应力状态(σ_x，σ_y，σ_z，τ_yz，τ_zx，τ_xy)。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_x^{\′}={\mathrm{\σ}}_x{l}_1^2+{\mathrm{\σ}}_y{m}_1^2+{\mathrm{\σ}}_z{n}_1^2+2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}{l}_1{m}_1+2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}{m}_1{n}_1+2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}{n}_1{l}_1\\ {\mathrm{\σ}}_y^{\′}={\mathrm{\σ}}_x{l}_2^2+{\mathrm{\σ}}_y{m}_2^2+{\mathrm{\σ}}_z{n}_2^2+2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}{l}_2{m}_2+2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}{m}_2{n}_2+2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}{n}_2{l}_2\\ {\mathrm{\σ}}_z^{\′}={\mathrm{\σ}}_x{l}_3^2+{\mathrm{\σ}}_y{m}_3^2+{\mathrm{\σ}}_z{n}_3^2+2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}{l}_3{m}_3+2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}{m}_3{n}_3+2{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}{n}_3{l}_3\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}^{\′}={\mathrm{\σ}}_x{l}_2{l}_3+{\mathrm{\σ}}_y{m}_2{m}_3+{\mathrm{\σ}}_z{n}_2{n}_3\\ +{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}(l_2{m}_3+l_3{m}_2)+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}(m_2{n}_3+m_3{n}_2)+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}(n_2{l}_3+n_3{l}_2)\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}^{\′}={\mathrm{\σ}}_x{l}_3{l}_1+{\mathrm{\σ}}_y{m}_3{m}_1+{\mathrm{\σ}}_z{n}_3{n}_1\\ +{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}(l_3{m}_1+l_1{m}_3)+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}(m_3{n}_1+m_1{n}_3)+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}(n_3{l}_1+n_1{l}_3)\\ {\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}^{\′}={\mathrm{\σ}}_x{l}_1{l}_2+{\mathrm{\σ}}_y{m}_1{m}_2+{\mathrm{\σ}}_z{n}_1{n}_2\\ +{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{xy}}(l_1{m}_2+l_2{m}_1)+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{yz}}(m_1{n}_2+m_2{n}_1)+{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{zx}}(n_1{l}_2+n_2{l}_1)\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中，σ_x，σ_y，σ_z为测试单元内第一个传感器所测得的三个正应力分量；τ_xy，τ_yz，τ_zx为与第一个传感器所测正应力分量的三个面受到的剪应力；σ′_x，σ′_y，σ′_z为测试单元内第二个传感器所得的三个正应力分量；τ′_yz，τ′_zx，τ′_xy为与第二个传感器所测正应力分量的三个面受到的剪应力；l₁，l₂，l₃分别为x′，y′，z′轴与x轴之间的方向余弦；m₁，m₂，m₃分别为x′，y′，z′轴与y轴之间的方向余弦；n₁，n₂，n₃分别为x′，y′，z′轴与z轴之间的方向余弦。

本发明具有以下优点：

1.本装置本质安全，不受电磁干扰，长期稳定性好，量程大，精度高，密封性能好，耐压，耐腐蚀。

2.本装置适用于岩土体的压力测试，尤其适用于软岩和土的压力测试，而且能够实时监测岩土体的应力变化。

3.本装置可一次测得一点的三个正应力分量，两个传感器组合在一起可测得六个正应力分量从而解算出一点的空间应力状态。

4.利用本装置测量并解算岩土体内一点的空间应力状态时，不需要对岩土体作出均质、各向同性等假设，也不需要对岩土体的应力方向及参数等作出各种假设，克服了现有岩土体应力测试的弊端。

附图说明

图1为一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器的主视图。

图2为一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器的斜二侧图。

图3为一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器的传感面的俯视图。

图4为一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器盒体传感面(没有安设传感膜时传感面)的俯视图。

图5为一种传感膜的侧视图及俯视图。

图6为一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器受力面(即盒体受力面)的俯视图。

其中：

1-盒体，1-1-磨圆顶点，1-2-盒体贯穿口，1-3-紧固螺孔，1-4-凹盘(面)，1-5-光纤通道；

2-传感膜，2-1-螺孔，2-2-光纤光栅(FBG)，2-3-传感膜支撑端，2-4-磨圆端，2-5-有效承压面，2-6-螺丝；

3-受力面，3-1-磨圆顶点，3-2-盒体贯穿口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器，包括立方体盒体1，盒体1有六个面，其中共顶点的三个面为受力面3，受力面3为平面，另外共顶点的三个面各有一个凹盘1-4，在三个面的凹盘(1-4)上分别连接三个传感膜2；三个传感膜2为圆形结构，中间小圆薄板为有效承压面2-5，其内表面粘贴有光纤光栅(FBG)2-2，传感膜2通过螺丝2-6安设在盒体1上。其具体连接关系是：立方体盒体1有六个面，其中共顶点的三个受力面3相互相连，另外共顶点的三个面1-4相互相连。受力面3为平面，在其共有顶点处有盒体贯穿口3-2，用于引出光缆等。与三个受力面3分别相对的三个面1-4各有一个凹盘1-4，因而这三个面也称为凹盘面1-4。在凹盘1-4的中心处有一个光纤通道1-5，在凹盘的四周有大小相同、分布均匀的紧固螺孔1-3，且在共有顶点处有盒体贯穿口1-2。光纤通道1-5、盒体贯穿口1-2和3-2是相互相连的，主要用于引出光缆等。传感膜2中间的小圆为有效承压面2-5；有效承压面2-5内表面粘贴有光纤光栅(FBG)2-2，用于受力传感；有效承压面2-5的四周为传感膜支撑端2-3，用于插入并紧贴凹盘1-4内壁以达到更好固定传感膜2的效果；传感膜支撑端2-3外面为大小与紧固螺孔1-3相同且分布均匀的螺孔2-1，用于把传感膜2固定在盒体1上；传感膜2的外沿为磨圆端2-4，以此尽可能减小传感膜2四周尖端造成的应力集中等干扰因素。将传感膜2上的螺孔2-1与凹盘四周的紧固螺孔1-3一一对齐，然后把螺丝2-6拧进螺孔2-1和1-3中，以此将传感膜2紧固在盒体1上。将光纤光栅(FBG)2-2的引出光缆从光纤通道1-5引入到盒体贯穿口1-2和盒体贯穿口(3-2)3-2中，然后再从盒体贯穿口1-2或盒体贯穿口(3-2)3-2引出盒体1外。

将岩土三向压应力传感器埋设于岩体或土中后，传感器开始受到三向挤压。传感膜2上的有效承压面2-5首先感知应力，产生小挠度弹性弯曲，并产生相应的应变。根据应变传递理论，有效承压面2-5中心处产生的最大应变将会传递给光纤光栅(FBG)2-2，于是光纤光栅(FBG)2-2被拉长，从而其布拉格中心波长发生漂移。根据光纤光栅传感理论，由中心波长漂移量可以计算出应变量的大小。再根据弹性理论，可以计算出应变量与有效承压面2-5受到的压力之间的关系。从而通过一个岩土三向压应力传感器即可测得三个正应力。

当两个岩土三向压应力传感器通过特定方式组合在一起后，即可测得六个正应力分量，根据应力转轴理论等即可解算出一点的空间应力状态。

Claims (1)

1.一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器，包括立方体盒体（1），其特征在于：盒体（1）有六个面，其中共顶点的三个面为受力面（3），受力面（3）为平面；另外共顶点的三个面各有一个凹盘（1-4），在凹盘（1-4）的中心处有一个光纤通道（1-5），在凹盘的四周有大小相同、分布均匀的紧固螺孔(1-3)；在三个面的凹盘（1-4）上各连接一个传感膜（2），三个传感膜（2）为圆形，中间小圆薄板为有效承压面（2-5），其内表面粘贴有光纤光栅（2-2），传感膜（2）通过螺丝（2-6）固定在盒体（1）上；在受力面（3）的顶点和凹盘（1-4）所在面的顶点处分别有第二盒体贯穿口（3-2）和第一盒体贯穿口(1-2),光纤通道(1-5)与第一盒体贯穿口(1-2)和第二盒体贯穿口（3-2）相互相连，有效承压面(2-5)的四周为传感膜支撑端(2-3)，传感膜(2)通过螺丝（2-6）与螺孔（2-1）和紧固螺孔（1-3）相连而固定在盒体(1)上，传感膜（2）的外沿为磨圆端（2-4），光纤光栅（2-2）的引出光缆从光纤通道(1-5)引入到第一盒体贯穿口(1-2)中。

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