CN105841858A - 一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，包括球形壳体、球形壳体的上半部分和下半部分各设置有三个圆柱形孔，圆柱形孔包括从球形壳体表面到球心依次减小第一直径安装孔、第二直径安装孔、第三直径安装孔，第一直径安装孔内设置承载板、传力柱和感应膜，第二直径安装孔内设置立柱和光纤光栅应变计，第三直径安装孔设置光纤。本发明根据六个压力传感单元的测量压力，通过求解方程可以得到一点的应力状态。使用安全、不受电磁干扰、可实现信号的远距离传送；同时具有长期稳定性好、量程大、精度高、耐压、耐腐蚀等特点。

Description

一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器

技术领域

本发明属于岩土工程测量领域，具体地涉及一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器。

背景技术

在岩土工程领域，通过应力测量获得土体或岩体的应力状态是实现工程稳定性分析与安全性评价的重要条件之一。

目前，土体应力测量主要是通过在土体中埋设土压力盒(或称土压力计)的方式实现。常用的土压力盒大多为单向压力传感，其只能测得某一方向的正应力。根据弹性力学理论可知，一点的完全应力状态包含六个独立的应力分量，这就意味着获取土体应力状态需要埋设六个不同角度的土压力盒。很显然，这种方法不仅埋设繁琐，而且由于土压力盒的分散布置，很难测得同一点的应力状态。对于岩体应力测量，常用的刚性包体应力计大多也只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于岩体应力状态测量。因此，不论在土体还是岩体应力测量中，均需研发一种能够直接测量应力状态的压力传感器。

发明内容

本发明的目的在于公开一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，可以实现土体或深部软岩完全应力状态的实时监测及测量信号远距传输。

一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，包括球形壳体，球形壳体的上半部分设置有三个圆柱形孔，球形壳体的下半部分设置有三个圆柱形孔，每个圆柱形孔的中心线过球形壳体的球心且各个圆柱形孔在球形壳体的球心相通，圆柱形孔包括从球形壳体表面到球心依次减小且共中心线的第一直径安装孔、第二直径安装孔、第三直径安装孔，第一直径安装孔内设置承载板、传力柱和感应膜，第二直径安装孔内设置立柱和光纤光栅应变计，第三直径安装孔设置光纤，承载板与传力柱一端连接，传力柱另一端与感应膜一面连接，感应膜另一面通过两个立柱与光纤光栅应变计连接，光纤光栅应变计与光纤连接。

如上所述的承载板与第一直径安装孔之间通过密封圈密封。

如上所述的感应膜一面上固定的两个立柱的间距大于感应膜另一面连接的传力柱的直径，感应膜上与传力柱连接的部分位于两个立柱之间。

如上所述的承载板与传力柱之间、传力柱与感应膜之间以及感应膜与立柱之间均为刚性连接，承载板与密封圈之间、感应膜与第一安装孔之间以及光纤光栅应变计与立柱之间均采用胶结剂粘结。

如上所述的球形壳体的底部设置有圆柱形出线孔，圆柱形出线孔通过螺纹设置有空心螺栓，空心螺栓的栓头与圆柱形出线孔之间设置有密封垫圈。

如上所述的球形壳体的上半部分设置的三个圆柱形孔的中心线与水平面呈45°，球形壳体的下半部分设置的三个圆柱形孔的中心线与水平面呈30°，球形壳体的上半部分设置的三个圆柱形孔的中心线在水平面的投影呈120°；球形壳体的下半部分设置的三个圆柱形孔的中心线在水平面的投影呈120°，球形壳体的上半部分设置的三个圆柱形孔的中心线在水平面的投影与球形壳体的下半部分设置的三个圆柱形孔的中心线在水平面的投影呈60°。

压力传感单元的工作原理如下：

承载板在外力P作用下通过立柱将力传递到感应膜表面，形成一个集中力。根据弹性力学理论，在集中应力作用下，承载板任意点处的挠度w为：

$w=\frac{{\mathrm{FL}}^2}{16\mathrm{\π}D}(1-\frac{r^2}{L^2}+\frac{r^2}{L^2}ln\frac{2r}{L})---\left(1\right)$

其中，

F＝Pπd²/4 (2)

D＝E·T³/12(1-ν²) (3)

式中，d为承载板直径(mm)；L为感应膜直径(mm)；E为感应膜弹性模量(MPa)；ν为感应膜泊松比；T为感应膜厚度；r为承载板任意点距离感应膜中心距离。

进而，可以得到立柱处感应膜的转角θ为：

$\mathrm{\θ}=\frac{dw}{dr}{|}_{r=\frac{l}{2}}=\frac{Fl}{32\mathrm{\π}D}(-1+2ln\frac{l}{L})---\left(4\right)$

其中，l为两个立柱的间距。根据转角θ可以计算得到光纤光栅应变计的应变：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{HPd}}^2}{64D}(1-2ln\frac{l}{L})---\left(5\right)$

其中，H为立柱高度。结合光纤光栅传感理论，可以得到下面的关系式：

$P=\frac{64D}{{\mathrm{Hd}}^2(1-2ln\frac{l}{L})}\·\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B-{\mathrm{\Δ\λ}}_B^{\′}{\mathrm{\α}}_T/{\mathrm{\α}}_T^{\′}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}}---\left(6\right)$

其中，α_ε为光纤光栅应变的灵敏度系数(pm/με)，由标定试验得到；α_T为受力光纤光栅温度的灵敏度系数(pm/℃)、α_T’为参照光纤光栅温度的灵敏度系数(pm/℃)，由标定试验得到；Δλ_B表示受力的光纤光栅布拉格中心波长漂移量(pm)、Δλ_B’表示参照光纤光栅布拉格中心波长漂移量(pm)。

根据压力传感器六个压力传感单元的测量应力：σ_n1、σ_n2、σ_n3、σ_n4、σ_n5、σ_n6，可以计算待测量岩土体在任意坐标系下的应力状态。假设σ_ni(i＝1，2，…，6)的方向与坐标系x、y、z轴夹角的方向余弦分别为l_i、m_i、n_i，则该坐标系下岩土体的应力状态可以通过下式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_x\\ {\mathrm{\σ}}_y\\ {\mathrm{\σ}}_z\\ {\mathrm{\τ}}_{xy}\\ {\mathrm{\τ}}_{yz}\\ {\mathrm{\τ}}_{zx}\end{array}\right\}={\left[\begin{array}{cccccc}{l_1}^2& {m_1}^2& {n_1}^2& 2l_1{m}_1& 2m_1{n}_1& 2n_1{l}_1\\ {l_2}^2& {m_2}^2& {n_2}^2& 2l_2{m}_2& 2m_2{n}_2& 2n_2{l}_2\\ {l_3}^2& {m_3}^2& {n_3}^2& 2l_3{m}_3& 2m_3{n}_3& 2n_3{l}_3\\ {l_4}^2& {m_4}^2& {n_4}^2& 2l_4{m}_4& 2m_4{n}_4& 2n_4{l}_4\\ {l_5}^2& {m_5}^2& {n_5}^2& 2l_5{m}_5& 2m_5{n}_5& 2n_5{l}_5\\ {l_6}^2& {m_6}^2& {n_6}^2& 2l_6{m}_6& 2m_6{n}_6& 2n_6{l}_6\end{array}\right]}^{-1}\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{n1}\\ {\mathrm{\σ}}_{n2}\\ {\mathrm{\σ}}_{n3}\\ {\mathrm{\τ}}_{n4}\\ {\mathrm{\τ}}_{n5}\\ {\mathrm{\τ}}_{n6}\end{array}\right\}---\left(7\right)$

本发明相对于现有技术，具有以下优点：

压力传感器包含六个压力传感器面，可以确定测试地点的应力状态，实现了传感器由单向压力测量向完全应力状态测量的转变，使得岩土体应力测量更加全面、准确。

采用光纤传感能够对测量信号进行远距离传输，实现岩体应力状态的实时跟踪监测；

压力传感器采用光信号传输，满足深部煤矿应力监测的本质安全要求。

压力传感器不受电磁干扰，长期稳定性好，量程大，精度高，密封性能好，耐压，耐腐蚀。

附图说明

图1-1为本发明的正视图；

图1-2为本发明的侧视图；

图2-1为本发明的仰视图；

图2-2为本发明的俯视图；

图3为单个压力传感单元在球形壳体中的空间布置示意图；

图4-1为用于安装压力传感单元的圆柱形孔的正视图；

图4-2为用于安装压力传感单元的圆柱形孔的俯视图；

图5-1为单个压力传感单元的正视图；

图5-2为单个压力传感单元的俯视图；

图6为用于安装密封螺栓的圆柱形出线孔的剖面图；

图7-1为密封螺栓的正视图；

图7-2为密封螺栓的俯视图；

图8-1为六个压力传感单元角度布置的正视图；

图8-2为六个压力传感单元角度布置的俯视图。

图中：1、球形壳体；1-1、圆柱形孔；1-2、圆柱形出线孔；2、压力传感单元；2-1、承载板；2-2传力柱；2-3、感应膜；2-4、立柱；2-5、光纤光栅应变计；2-6、密封圈；3、密封螺栓；3-1、空心螺栓；3-2、密封垫圈；1-1-1、第一圆柱形孔；1-1-2、第二圆柱形孔；1-1-3、第三圆柱形孔；1-1-4、第四圆柱形孔；1-1-5、第五圆柱形孔；1-1-6、第六圆柱形孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

实施例1:

一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，包括球形壳体1，球形壳体1的上半部分设置有三个圆柱形孔1-1，球形壳体1的下半部分设置有三个圆柱形孔1-1，每个圆柱形孔1-1的中心线过球形壳体1的球心且各个圆柱形孔1-1在球形壳体1的球心相通，圆柱形孔1-1包括从球形壳体1表面到球心依次减小且共中心线的第一直径安装孔、第二直径安装孔、第三直径安装孔，第一直径安装孔内设置承载板2-1、传力柱2-2和感应膜2-3，第二直径安装孔内设置立柱2-4和光纤光栅应变计2-5，第三直径安装孔设置光纤，承载板2-1与传力柱2-2一端连接，传力柱2-2另一端与感应膜2-3一面连接，感应膜2-3另一面通过两个立柱2-4与光纤光栅应变计2-5连接，光纤光栅应变计2-5与光纤连接。

感应膜2-3一面上固定的两个立柱2-4的间距大于感应膜2-3另一面连接的传力柱2-2的直径，感应膜2-3上与传力柱2-2连接的部分位于两个立柱2-4之间。

球形壳体1、承载板2-1、传力柱2-2、感应膜2-3、立柱2-4、空心螺栓3-1均采用不锈钢材料制作。承载板2-1的直径略小于第一直径安装孔，两者之间的空隙部分用于布置密封圈2-6，密封圈的厚度略大于承载板2-1与第一直径安装孔之间的间隙。传力柱2-2直径小于承载板2-1，用于将承载板2-1表面分布的外力形成集中应力或对称荷载传递到感应膜2-3上。感应膜2-3的直径与第一直径安装孔的内径相等，使得感应膜2-3下方的光纤光栅应变计2-5与外界完全隔绝。感应膜2-3下方用于固定光纤光栅应变计2-5的两个立柱2-4间距大于传力柱2-2的直径。感应膜2-3上与传力柱2-2连接的部分位于两个立柱2-4之间。承载板2-1与传力柱2-2、传力柱2-2与感应膜2-3以及感应膜2-3与立柱2-4之间均为刚性连接，承载板2-1与密封圈2-6、感应膜2-3与第一直径安装孔以及光纤光栅应变计2-5与立柱2-4之间均采用胶结剂粘结，球体1的底部设置有圆柱形出线孔1-2，圆柱形出线孔1-2与空心螺栓3-1之间采用螺纹连接，空心螺栓3-1的栓头与圆柱形出线孔1-2之间设置有密封垫圈3-2。

实施例2：

如图8-1～图8-2所示，球体1上半部分的三个压力传感单元的法向(即圆柱形孔1-1的中心线方向)与水平面夹角为45°，在水平面上投影的夹角为120°。下半部分三个压力传感单元的法向(即圆柱形孔1-1中心线方向)与水平面夹角为30°，在水平面上投影的夹角也为120°，上下半部分压力传感单元法向在水平面上投影的夹角为60°。圆柱形出线孔1-2垂直于水平面。

其他与实施例1相同。

根据上述压力传感单元的角度布置，可以计算出压力传感单元法向与坐标系x轴、y轴z轴的方向余弦值。进而，根据式(7)，建立压力传感单元2测量应力与待测量岩土体应力状态之间的关系：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_x\\ {\mathrm{\σ}}_y\\ {\mathrm{\σ}}_z\\ {\mathrm{\τ}}_{xy}\\ {\mathrm{\τ}}_{yz}\\ {\mathrm{\τ}}_{zx}\end{array}\right\}=\left[\begin{array}{cccccc}-2.153& 0.577& 0.577& 2.768& -0.384& -0.384\\ 1.482& -1.241& -1.241& -1.429& 1.715& 1.715\\ 1.002& 0.999& 0.999& -0.669& -0.665& -0.665\\ 0.000& -1.575& 1.575& 0.000& -1.818& 1.818\\ 0.000& -1.365& 1.365& 0.000& -0.909& 0.909\\ 1.575& -0.788& -0.788& -1.049& 0.525& 0.525\end{array}\right]\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{n1}\\ {\mathrm{\σ}}_{n2}\\ {\mathrm{\σ}}_{n3}\\ {\mathrm{\τ}}_{n4}\\ {\mathrm{\τ}}_{n5}\\ {\mathrm{\τ}}_{n6}\end{array}\right\}---\left(8\right)$

假设六个压力传感单元2六个方向的测量应力(单位：MPa)为：

{σ_n1,σ_n2,σ_n3,σ_n4,σ_n5,σ_n6}＝{6.1,6.1,6.1,6.1,7.5,7.5} (9)

则根据式(8)可以获得待测量岩土体的应力状态为：

$\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}_x& {\mathrm{\τ}}_{xy}& {\mathrm{\τ}}_{xz}\\ {\mathrm{\τ}}_{yx}& {\mathrm{\σ}}_y& {\mathrm{\τ}}_{yz}\\ {\mathrm{\τ}}_{zx}& {\mathrm{\τ}}_{zy}& {\mathrm{\σ}}_z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}5.02& 0& 1.47\\ 0& 10.9& 0\\ 1.47& 0& 4.24\end{array}\right]---\left(10\right)$

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，包括球形壳体(1)，其特征在于：球形壳体(1)的上半部分设置有三个圆柱形孔(1-1)，球形壳体(1)的下半部分设置有三个圆柱形孔(1-1)，每个圆柱形孔(1-1)的中心线过球形壳体(1)的球心且各个圆柱形孔(1-1)在球形壳体(1)的球心相通，圆柱形孔(1-1)包括从球形壳体(1)表面到球心依次减小且共中心线的第一直径安装孔、第二直径安装孔、第三直径安装孔，第一直径安装孔内设置承载板(2-1)、传力柱(2-2)和感应膜(2-3)，第二直径安装孔内设置立柱(2-4)和光纤光栅应变计(2-5)，第三直径安装孔设置光纤，承载板(2-1)与传力柱(2-2)一端连接，传力柱(2-2)另一端与感应膜(2-3)一面连接，感应膜(2-3)另一面通过两个立柱(2-4)与光纤光栅应变计(2-5)连接，光纤光栅应变计(2-5)与光纤连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，其特征在于，所述的承载板(2-1)与第一直径安装孔之间通过密封圈(2-6)密封。

3.根据权利要求2所述的一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，其特征在于，所述的感应膜(2-3)一面上固定的两个立柱(2-4)的间距大于感应膜(2-3)另一面连接的传力柱(2-2)的直径，感应膜(2-3)上与传力柱(2-2)连接的部分位于两个立柱(2-4)之间。

4.根据权利要求3所述的一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，其特征在于，所述的承载板(2-1)与传力柱(2-2)之间、传力柱(2-2)与感应膜(2-3)之间以及感应膜(2-3)与立柱(2-4)之间均为刚性连接，承载板(2-1)与密封圈(2-6)之间、感应膜(2-3)与第一安装孔之间以及光纤光栅应变计(2-5)与立柱(2-4)之间均采用胶结剂粘结。

5.根据权利要求4所述的一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，其特征在于，所述的球形壳体(1)的底部设置有圆柱形出线孔(1-2)，圆柱形出线孔(1-2)通过螺纹设置有空心螺栓(3-1)，空心螺栓(3-1)的栓头与圆柱形出线孔(1-2)之间设置有密封垫圈(3-2)。

6.根据权利要求5所述的一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，其特征在于，所述的球形壳体(1)的上半部分设置的三个圆柱形孔(1-1)的中心线与水平面呈45°，球形壳体(1)的下半部分设置的三个圆柱形孔(1-1)的中心线与水平面呈30°，球形壳体(1)的上半部分设置的三个圆柱形孔(1-1)的中心线在水平面的投影呈120°；球形壳体(1)的下半部分设置的三个圆柱形孔(1-1)的中心线在水平面的投影呈120°，球形壳体(1)的上半部分设置的三个圆柱形孔(1-1)的中心线在水平面的投影与球形壳体(1)的下半部分设置的三个圆柱形孔(1-1)的中心线在水平面的投影呈60°。