CN107063525A - 一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器 - Google Patents
一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器，包括实心球体，实心球体上设置有六个压力传感单元安装槽和一个圆柱形光纤槽，压力传感单元安装槽内设置有光纤光栅压力传感单元，与光纤光栅压力传感单元连接的光纤沿开设在实心球体外表面上的光纤走线槽汇聚于圆柱形光纤槽中，实心球体外罩设有球形外壳，球形外壳上与圆柱形光纤槽位置对应的部分开设有圆柱形出线孔，球形外壳上与压力传感单元安装槽位置对应的部分开设有圆柱形安装孔。本发明适用于深部软岩地应力测量，基于光信号传输的工作特征，具有满足深部煤矿应力监测的本质安全要求的优势，且不受电磁干扰，长期稳定性好，能够实现岩体应力状态的实时监测。
Description
技术领域
本发明属于地应力测量领域，具体地涉及一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器。
背景技术
获取准确的地应力测量数据是确定工程岩体力学性质，进行围岩稳定性分析以及实现岩土工程开挖设计和决策科学化的重要前提。目前常用的地应力测量方法，如水压致裂法和应力解除法一般适用于完整硬岩，碰到深部破碎软弱的岩体，其测试成功率非常低。
流变应力恢复法是专门针对深部破碎软弱围岩而提出的一种地应力测量新方法，该方法利用深部破碎软弱围岩的强流变力学行为，采用在被测地点埋设多向压力传感器的方法来获取围岩的初始应力和扰动应力。根据连续介质力学理论，一点的应力状态包含六个独立的应力分量，即需要获取六个独立方向的正应力才能计算确定一点的应力状态，因此需要发明一种可以同时测量六个方向正应力的压力传感器才能保证流变应力恢复法地应力测量技术的成功实施。目前岩土工程中常见的压力传感器大多用于土压力测量，其测量量程较小，而且为单向压力测量，难以满足流变应力恢复法地应力测试的多方向及大量程要求。
发明内容
本发明的目的在于公开一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器，可以实现深部软岩原岩应力和扰动应力分布的长期监测。具有量程大、灵敏度高、长期稳定性好等特点，而且在实际的制造过程中能够保证光纤走线简单、牢固、不易折断。
一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器，包括实心球体，实心球体上半部设置有三个压力传感单元安装槽，实心球体下半部设置有三个压力传感单元安装槽，实心球体下半部还设置有圆柱形光纤槽，压力传感单元安装槽内设置有光纤光栅压力传感单元，与光纤光栅压力传感单元连接的光纤沿开设在实心球体外表面上的光纤走线槽汇聚于圆柱形光纤槽中，实心球体外罩设有球形外壳，球形外壳上与圆柱形光纤槽位置对应的部分开设有圆柱形出线孔，球形外壳上与压力传感单元安装槽位置对应的部分开设有圆柱形安装孔。
如上所述的光纤光栅压力传感单元包括压头、密封环、拱形梁式光纤光栅应变计、底座垫圈、第一圆垫片和第二圆垫片，第二圆垫片设置在压力传感单元安装槽槽底，第二圆垫片上设置有底座垫圈，底座垫圈底部内壁设置有底座垫圈卡环，第一圆垫片卡设在底座垫圈卡环内且放置在第二圆垫片上，拱形梁式光纤光栅应变计包括拱形梁中心拱和设置在拱形梁中心拱两端的拱形梁伸长端，实心球体外表面上位于压力传感单元安装槽两侧的部分均开设有伸长端安装槽，伸长端安装槽与光纤走线槽连通，拱形梁中心拱位于底座垫圈内，拱形梁中心拱两端的拱形梁伸长端分别嵌设在压力传感单元安装槽两侧的伸长端安装槽中，且拱形梁中心拱两端的拱形梁伸长端卡设在底座垫圈上的底座垫圈卡槽中，密封环的外环面和底座垫圈顶部的内环面通过螺纹连接，压头一端贯穿密封环与拱形梁中心拱相抵，压头另一端伸出圆柱形安装孔，压头伸出圆柱形安装孔的一端的端面为传感面，压头与拱形梁中心拱相抵的一端设置有限位挡环，开设在拱形梁中心拱上的光纤安装刻槽和开设在拱形梁伸长端上的光纤安装刻槽连通，光纤光栅的中部设置在拱形梁中心拱的光纤安装刻槽中，光纤光栅两端固定在拱形梁伸长端上的光纤安装刻槽内，与光纤光栅两端连接的光纤通过光纤走线槽汇聚于圆柱形光纤槽中。
如上所述的球形外壳由第一半球形外壳和第二半球形外壳扣合而成。
如上所述的实心球体上半部设置的三个光纤光栅压力传感单元的压头的传感面的法线与水平面的夹角均为45度，且实心球体上半部设置的三个光纤光栅压力传感单元的压头的传感面的法线在水平面上的投影直线之间的相邻夹角为60度；所述的实心球体下半部设置的三个光纤光栅压力传感单元的压头的传感面的法线与水平面的夹角均为60度，且实心球体下半部设置的三个光纤光栅压力传感单元的压头的传感面的法线在水平面上的投影直线之间的相邻夹角为60度。
本发明相对于现有技术，具有以下优点：
1、本发明包含六个独立方向的压力传感器面，可以确定被测试地点的应力状态，实现了传统压力传感器由单向压力测量向完全应力状态测量的转变，使得岩体应力测量更加全面、准确。
2、采用光纤光栅压力传感单元，大大缩小了压力传感单元安装所需的内部空间，进而保证拱形梁式光纤光栅应变计的外径不超过80mm，满足了深部巷道围岩内钻孔埋设压力传感器的小型化要求。
3、采用光纤传感能够对测量信号进行远距离传输，便于实现岩体应力状态的实时跟踪监测，配合多点分布和波分复用技术，可以使多个压力传感器在测量工作中并联同1条光纤，大大提高了地应力的测量效率。
4、压力传感数据采用光信号传输，满足煤矿测量仪器的本质安全要求。
5、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为球形外壳与实心球体配合的结构示意图；
图1-2为球形外壳的组成结构示意图；
图2-1为实心球的仰视示意图；
图2-2为实心球的俯视示意图；
图3-1为光纤光栅压力传感单元的结构示意图；
图3-2为光纤光栅压力传感单元的爆炸结构示意图；
图4-1为拱形梁式光纤光栅应变计的立体结构示意图；
图4-2为拱形梁式光纤光栅应变计的侧视结构示意图；
图4-3为拱形梁式光纤光栅应变计的正视结构示意图；
图5-1为底座垫圈的俯视图；
图5-2为底座垫圈的侧视图；
图6为压头的结构示意图；
图7为密封环的结构示意图；
图8-1为伸长端安装槽的正视示意图；
图8-2为伸长端安装槽的俯视示意图。
图9-1为本发明的正视示意图；
图9-2为本发明的后视示意图；
图10-1为本发明的仰视示意图；
图10-2为本发明的俯视示意图；
图中：1、球形外壳；1-1、第一半球形外壳；1-2、第二半球形外壳；1-1-0、圆柱形安装孔；1-1-1、第一圆柱形安装孔；1-1-2、第二圆柱形安装孔；1-1-3、第三圆柱形安装孔；1-2-1、第四圆柱形安装孔；1-2-2、第五圆柱形安装孔；1-2-3、第六圆柱形安装孔；1-2-4、圆柱形出线孔；2、实心球体；2-1-1、第一光纤光栅压力传感单元；2-1-2、第二光纤光栅压力传感单元；2-1-3、第三光纤光栅压力传感单元；2-1-4、第四光纤光栅压力传感单元；2-1-5、第五光纤光栅压力传感单元；2-1-6、第六光纤光栅压力传感单元；2-1-7、圆柱形光纤槽；2-2-0、光纤走线槽；2-2-1、第一光纤走线槽；2-2-2、第二光纤走线槽；2-2-3、第三光纤走线槽；2-2-4、第四光纤走线槽；2-2-5、第五光纤走线槽；2-2-6、第六光纤走线槽；3-0、光纤光栅压力传感单元；3-1、压头；3-1-1、限位挡环；3-2、密封环；3-3、拱形梁式光纤光栅应变计；3-4、光纤；3-5、底座垫圈；3-6、第一圆垫片；3-7、第二圆垫片；3-3-1、拱形梁伸长端；3-3-2、拱形梁中心拱；3-3-3、光纤安装刻槽；3-5-1、底座垫圈卡槽；3-5-2、底座垫圈卡环；4-1、伸长端安装槽；4-2、压力传感单元安装槽；5-1-1、第一传感面；5-1-2、第二传感面；5-1-3、第三传感面；5-1-4、第四传感面；5-1-5、第五传感面；5-1-6、第六传感面；5-1-7、光纤出线孔。
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：
一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器，包括实心球体2，实心球体2上半部设置有三个压力传感单元安装槽4-2，实心球体2下半部设置有三个压力传感单元安装槽4-2，实心球体2下半部还设置有圆柱形光纤槽2-1-7，压力传感单元安装槽4-2内设置有光纤光栅压力传感单元3-0，与光纤光栅压力传感单元3-0连接的光纤3-4沿开设在实心球体2外表面上的光纤走线槽2-2-0汇聚于圆柱形光纤槽2-1-7中，实心球体2外罩设有球形外壳1，球形外壳1上与圆柱形光纤槽2-1-7位置对应的部分开设有圆柱形出线孔1-2-4，球形外壳1上与压力传感单元安装槽4-2位置对应的部分开设有圆柱形安装孔1-1-0。
光纤光栅压力传感单元3-0包括压头3-1、密封环3-2、拱形梁式光纤光栅应变计3-3、底座垫圈3-5、第一圆垫片3-6和第二圆垫片3-7，第二圆垫片3-7设置在压力传感单元安装槽4-2槽底，第二圆垫片3-7上设置有底座垫圈3-5，底座垫圈3-5底部内壁设置有底座垫圈卡环3-5-2，第一圆垫片3-6卡设在底座垫圈卡环3-5-2内且放置在第二圆垫片3-7上，拱形梁式光纤光栅应变计3-3包括拱形梁中心拱3-3-2和设置在拱形梁中心拱3-3-2两端的拱形梁伸长端3-3-1，实心球体2外表面上位于压力传感单元安装槽4-2两侧的部分均开设有伸长端安装槽4-1，伸长端安装槽4-1与光纤走线槽2-2-0连通，拱形梁中心拱3-3-2位于底座垫圈3-5内，拱形梁中心拱3-3-2两端的拱形梁伸长端3-3-1分别嵌设在压力传感单元安装槽4-2两侧的伸长端安装槽4-1中，且拱形梁中心拱3-3-2两端的拱形梁伸长端3-3-1卡设在底座垫圈3-5上的底座垫圈卡槽3-5-1中，密封环3-2的外环面和底座垫圈3-5顶部的内环面通过螺纹连接，压头3-1一端贯穿密封环3-2与拱形梁中心拱3-3-2相抵，压头3-1另一端伸出圆柱形安装孔1-1-0，压头3-1伸出圆柱形安装孔1-1-0的一端的端面为传感面，压头3-1与拱形梁中心拱3-3-2相抵的一端设置有限位挡环3-1-1，开设在拱形梁中心拱3-3-2上的光纤安装刻槽3-3-3和开设在拱形梁伸长端3-3-1上的光纤安装刻槽3-3-3连通，光纤光栅的中部设置在拱形梁中心拱3-3-2的光纤安装刻槽3-3-3中，光纤光栅两端固定在拱形梁伸长端3-3-1上的光纤安装刻槽3-3-3内，与光纤光栅两端连接的光纤3-4通过光纤走线槽2-2-0汇聚于圆柱形光纤槽2-1-7中。
球形外壳1由第一半球形外壳1-1和第二半球形外壳1-2扣合而成。
其中，压力传感单元安装槽4-2包括第一压力传感单元安装槽、第二压力传感单元安装槽、第三压力传感单元安装槽、第四压力传感单元安装槽、第五压力传感单元安装槽和第六压力传感单元安装槽。
圆柱形安装孔1-1-0包括分别与第一压力传感单元安装槽、第二压力传感单元安装槽、第三压力传感单元安装槽、第四压力传感单元安装槽、第五压力传感单元安装槽和第六压力传感单元安装槽对应的第一圆柱形安装孔1-1-1、第二圆柱形安装孔1-1-2、第三圆柱形安装孔1-1-3、第四圆柱形安装孔1-2-1、第五圆柱形安装孔1-2-2和第六圆柱形安装孔1-2-3。
光纤光栅压力传感单元3-0包括分别与第一压力传感单元安装槽、第二压力传感单元安装槽、第三压力传感单元安装槽、第四压力传感单元安装槽、第五压力传感单元安装槽和第六压力传感单元安装槽对应的第一光纤光栅压力传感单元2-1-1、第二光纤光栅压力传感单元2-1-2、第三光纤光栅压力传感单元2-1-3、第四光纤光栅压力传感单元2-1-4、第五光纤光栅压力传感单元2-1-5和第六光纤光栅压力传感单元2-1-6。
当光纤3-4从光纤光栅压力传感单元3-0中引出至伸长端安装槽4-1中时，不需要伸长端安装槽4-1深度过大，否则光纤3-4无法固定在伸长端安装槽4-1的底部，从而导致光纤3-4的布线松动。在空间结构上，压力传感单元安装槽4-2两侧的伸长端安装槽4-1以压力传感单元安装槽4-2的中心轴线对称轴分布，且两侧的伸长端安装槽4-1的对称轴经过压力传感单元安装槽4-2。每个伸长端安装槽4-1均起到了在空间上把对应的压力传感单元安装槽4-2和两侧的光纤走线槽2-2-0连接起来的作用，从而使得与光纤光栅压力传感单元3-0连接的光纤3-4能够顺利以两侧的伸长端安装槽4-1作为通道，引入对应的光纤走线槽2-2-0中，并最终汇入圆柱形光纤槽2-1-7中。
光纤走线槽2-2-0包括与第一压力传感单元安装槽、第二压力传感单元安装槽、第三压力传感单元安装槽、第四压力传感单元安装槽、第五压力传感单元安装槽和第六压力传感单元安装槽分别对应的第一光纤走线槽2-2-1、第二光纤走线槽2-2-2、第三光纤走线槽2-2-3、第四光纤走线槽2-2-4、第五光纤走线槽2-2-5、第六光纤走线槽2-2-6。
光纤走线槽2-2-0分布在实心球体2的表面，光纤走线槽2-2-0分为两段，光纤走线槽2-2-0整体呈圆环形结构，光纤光栅压力传感单元3-0的光纤光栅一端连接的光纤3-4沿光纤走线槽2-2-0其中一段汇聚到圆柱形光纤槽2-1-7中，光纤光栅压力传感单元3-0的光纤光栅另一端连接的光纤3-4沿光纤走线槽2-2-0另一段汇聚到圆柱形光纤槽2-1-7中。因此，光纤走线槽2-2-0在空间上将光纤光栅压力传感单元3-0和圆柱形光纤槽2-1-7串在了一起。
压头3-1为类圆柱形结构，压头3-1一端贯穿密封环3-2与拱形梁中心拱3-3-2相抵，压头3-1与拱形梁中心拱3-3-2相抵的一端设置有限位挡环3-1-1，从而使得压头3-1卡入密封环3-2中，压头3-1设置有限位挡环3-1-1的一端可以在密封环3-2和拱形梁中心拱3-3-2的限位作用下，沿指向实心球体2的球心的方向做往复运动，不会从密封环3-2中掉落。压头(3-1)伸出圆柱形安装孔(1-1-0)的一端的端面为传感面，在本实施例中传感面包括第一传感面5-1-1、第二传感面5-1-2、第三传感面5-1-3、第四传感面5-1-4、第五传感面5-1-5和第六传感面5-1-6，压头3-1下端面和拱形梁中心拱3-3-2上表面顶点紧密接触，压头3-1侧臂和密封环3-2内环接触。
密封环3-2为具有一定厚度的圆环结构，密封环3-2外环面为螺纹结构，密封环3-2和压力传感单元安装槽4-2上部的内环的内螺纹相互啮合，在装配过程中，密封环3-2旋入压力传感单元安装槽4-2中，从而对光纤光栅压力传感单元3-0起到密封作用，保护内部零件不会从压力传感单元安装槽4-2中掉落的同时，限制了压力传感单元安装槽4-2的内部空间，紧密固定该空间内的各种零部件，使得压头3-1，拱形梁式光纤光栅应变计3-3，底座垫圈3-5，第一圆垫片3-6和第二圆垫片3-7相互之间紧密接触，密封环3-2内壁为光滑表面，使得压头3-1在运动过程中不会受到摩擦阻力。密封环3-2上表面作为光纤光栅压力传感单元3-0的外表面，密封环3-2下表面悬空，密封环3-2内壁和压头3-1外壁光滑接触。
拱形梁式光纤光栅应变计3-3是压力传感器的核心部件，拱形梁式光纤光栅应变计3-3包括拱形梁中心拱3-3-2和设置在拱形梁中心拱3-3-2两端的拱形梁伸长端3-3-1。两个拱形梁伸长端3-3-1以拱形梁中心拱3-3-2的中心轴对称设置，拱形梁中心拱3-3-2两端的拱形梁伸长端3-3-1卡设在底座垫圈3-5上的底座垫圈卡槽3-5-1中，使其空间位置保持固定，拱形梁伸长端3-3-1和底座垫圈卡槽3-5-1紧密接触。拱形梁中心拱3-3-2是双面拱，拱形梁中心拱3-3-2的2个拱角分别和2个拱形梁伸长端3-3-1相连，拱形梁中心拱3-3-2上表面的顶端和压头3-1下端面紧密接触，拱形梁中心拱3-3-2下表面的顶端与第一圆垫片3-6上表面紧密接触，拱形梁中心拱3-3-2侧面不和任何零件发生接触。
底座垫圈3-5上有1对对称布置的底座垫圈卡槽3-5-1，底座垫圈3-5底部内壁设置有底座垫圈卡环3-5-2。底座垫圈3-5整体呈圆环形，1对底座垫圈卡槽3-5-1的中心线连接线与底座垫圈3-5的中轴线相交且垂直，底座垫圈卡环3-5-2在底座垫圈3-5底部内壁，高度低于底座垫圈3-5自身，其功能是帮助第一圆垫片3-6嵌入底座垫圈3-5底部，并牢固固定。底座垫圈3-5安装在第二圆垫片3-7上，底座垫圈卡槽3-5-1中放置拱形梁伸长端3-3-1，使得拱形梁式光纤光栅应变计3-3固定在底座垫圈3-5上，使得拱形梁伸长端3-3-1不会发生空间上的平移或转动。同时拱形梁伸长端3-3-1也对底座垫圈3-5在相对于圆柱形安装孔1-1-0的中轴线方向(即传感面法线方向)上的位移产生限制，使其不会在该方向上发生移动。底座垫圈3-5上表面不和任何零件发生接触，底座垫圈卡槽3-5-1和拱形梁伸长端3-3-1紧密接触，底座垫圈3-5外侧和压力传感单元安装槽4-2内壁接触，底座垫圈卡环3-5-2内壁和第一圆垫片3-6外侧紧密接触，底座垫圈3-5底部和第二圆垫片3-7上表面紧密接触。
第一圆垫片3-6呈扁圆柱形，嵌入底座垫圈3-5底部，第一圆垫片3-6下表面和第二圆垫片3-7上表面紧密接触，第一圆垫片3-6上表面和拱形梁中心拱3-3-2下表面顶点紧密接触，第一圆垫片3-6侧面和底座垫圈卡环3-5-2内壁紧密接触。
第二圆垫片3-7呈扁圆柱形，安装在压力传感单元安装槽4-2最底部，第二圆垫片3-7下表面和压力传感单元安装槽4-2的槽底接触，第二圆垫片3-7上表面与底座垫圈3-5底部紧密接触，第二圆垫片3-7侧面和压力传感单元安装槽4-2内壁接触。
开设在拱形梁中心拱3-3-2上的光纤安装刻槽3-3-3和开设在拱形梁伸长端3-3-1上的光纤安装刻槽3-3-3连通，光纤光栅的中部设置在拱形梁中心拱3-3-2的光纤安装刻槽3-3-3中，光纤光栅两端固定在拱形梁伸长端3-3-1上的光纤安装刻槽3-3-3内，与光纤光栅两端连接的光纤3-4通过光纤走线槽2-2-0汇聚于圆柱形光纤槽2-1-7中。
在光纤光栅压力传感单元3-0的光纤光栅和光纤3-4装配过程中，首先，光纤光栅的中部安装在拱形梁中心拱3-3-2的光纤安装刻槽3-3-3中，将光纤光栅的两端设置光纤3-4设置在拱形梁伸长端3-3-1上的光纤安装刻槽3-3-3内并通过AB热固胶粘贴。然后，将第二圆垫片3-7放入压力传感单元安装槽4-2槽底并压实。将底座垫圈3-5放置在第二圆垫片3-7上，将第一圆垫片3-6放入底座垫圈3-5中的底座垫圈卡环3-5-2内。AB热固胶凝固后，将拱形梁中心拱3-3-2放入底座垫圈3-5中，将拱形梁伸长端3-3-1放入到底座垫圈卡槽3-5-1中。然后，将压头3-1安装在密封环3-2上，再将密封环3-2旋入压力传感单元安装槽4-2上部的内螺纹，直至压头3-1和拱形梁式光纤光栅应变计3-3发生接触为止。
此时与光纤光栅连接的光纤3-4通过伸长端安装槽4-1自然引出，穿过伸长端安装槽4-1后，进入对应的光纤走线槽2-2-0中，最终汇入实心球体2上的圆柱形光纤槽2-1-7中，并和外部光缆连接，从而将光纤光栅压力传感单元3-0产生的波长信号通过光纤3-4传递至外部解调设备之中。
在完成光纤走线和光纤光栅压力传感单元3-0的全部安装以后，最终把第一半球形外壳1-1和第二半球形外壳1-2根据球形外壳1上的圆柱形安装孔1-1-0和实心球体2上的6个光纤光栅压力传感单元3-0之间的对应关系拼接在实心球体2上，使得光纤光栅压力传感单元3-0的每个传感面(5-1-1、5-1-2、5-1-3、5-1-4、5-1-5、5-1-6)，即各个光纤光栅压力传感单元3-0的压头3-1的顶面，从圆柱形安装孔1-1-0中露出，并使得实心球体2上的圆柱形光纤槽2-1-7的位置和球形外壳1上的圆柱形出线孔1-2-4空间位置对应，共同组成光纤出线孔5-1-7。
实施例2：
实心球体2上半部设置的三个光纤光栅压力传感单元3-0的压头3-1的传感面的法线与水平面的夹角均为45度，且实心球体2上半部设置的三个光纤光栅压力传感单元3-0的压头3-1的传感面的法线在水平面上的投影直线之间的相邻夹角为60度；所述的实心球体2下半部设置的三个光纤光栅压力传感单元3-0的压头3-1的传感面的法线与水平面的夹角均为60度，且实心球体2下半部设置的三个光纤光栅压力传感单元3-0的压头3-1的传感面的法线在水平面上的投影直线之间的相邻夹角为60度。
其他与实施例1相同。
根据上述光纤光栅压力传感单元3-0的压头3-1的传感面的法线角度布置，可以计算出第一传感面5-1-1、第二传感面5-1-2、第三传感面5-1-3、第四传感面5-1-4、第五传感面5-1-5、第六传感面5-1-6法向与坐标系x轴、y轴z轴的方向余弦值。进而，根据式(1)，建立第一传感面5-1-1、第二传感面5-1-2、第三传感面5-1-3、第四传感面5-1-4、第五传感面5-1-5、第六传感面5-1-6测量应力与待测量岩土体应力状态之间的关系：
式中(σx,σy,σz,τxy,τyz,τzx)为待测量岩土体测点处的空间应力状态，(σn1,σn2,σn3,σn4,σn5,σn6)为第一传感面5-1-1、第二传感面5-1-2、第三传感面5-1-3、第四传感面5-1-4、第五传感面5-1-5、第六传感面5-1-6上的法向应力大小。
假设第一传感面5-1-1、第二传感面5-1-2、第三传感面5-1-3、第四传感面5-1-4、第五传感面5-1-5、第六传感面5-1-6六个方向的法向应力(单位：MPa)为：
{σn1,σn2,σn3,σn4,σn5,σn6}＝{6.1,6.1,6.1,6.1,7.5,7.5} (2)
则根据式(1)可以获得待测量岩土体的应力状态为：
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 (4)
1.一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器，包括实心球体(2)，其特征在于，实心球体(2)上半部设置有三个压力传感单元安装槽(4-2)，实心球体(2)下半部设置有三个压力传感单元安装槽(4-2)，实心球体(2)下半部还设置有圆柱形光纤槽(2-1-7)，压力传感单元安装槽(4-2)内设置有光纤光栅压力传感单元(3-0)，与光纤光栅压力传感单元(3-0)连接的光纤(3-4)沿开设在实心球体(2)外表面上的光纤走线槽(2-2-0)汇聚于圆柱形光纤槽(2-1-7)中，实心球体(2)外罩设有球形外壳(1)，球形外壳(1)上与圆柱形光纤槽(2-1-7)位置对应的部分开设有圆柱形出线孔(1-2-4)，球形外壳(1)上与压力传感单元安装槽(4-2)位置对应的部分开设有圆柱形安装孔(1-1-0)。
2.根据权利要求1所述的一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器，其特征在于，所述的光纤光栅压力传感单元(3-0)包括压头(3-1)、密封环(3-2)、拱形梁式光纤光栅应变计(3-3)、底座垫圈(3-5)、第一圆垫片(3-6)和第二圆垫片(3-7)，第二圆垫片(3-7)设置在压力传感单元安装槽(4-2)槽底，第二圆垫片(3-7)上设置有底座垫圈(3-5)，底座垫圈(3-5)底部内壁设置有底座垫圈卡环(3-5-2)，第一圆垫片(3-6)卡设在底座垫圈卡环(3-5-2)内且放置在第二圆垫片(3-7)上，拱形梁式光纤光栅应变计(3-3)包括拱形梁中心拱(3-3-2)和设置在拱形梁中心拱(3-3-2)两端的拱形梁伸长端(3-3-1)，实心球体(2)外表面上位于压力传感单元安装槽(4-2)两侧的部分均开设有伸长端安装槽(4-1)，伸长端安装槽(4-1)与光纤走线槽(2-2-0)连通，拱形梁中心拱(3-3-2)位于底座垫圈(3-5)内，拱形梁中心拱(3-3-2)两端的拱形梁伸长端(3-3-1)分别嵌设在压力传感单元安装槽(4-2)两侧的伸长端安装槽(4-1)中，且拱形梁中心拱(3-3-2)两端的拱形梁伸长端(3-3-1)卡设在底座垫圈(3-5)上的底座垫圈卡槽(3-5-1)中，密封环(3-2)的外环面和底座垫圈(3-5)顶部的内环面通过螺纹连接，压头(3-1)一端贯穿密封环(3-2)与拱形梁中心拱(3-3-2)相抵，压头(3-1)另一端伸出圆柱形安装孔(1-1-0)，压头(3-1)伸出圆柱形安装孔(1-1-0)的一端的端面为传感面，压头(3-1)与拱形梁中心拱(3-3-2)相抵的一端设置有限位挡环(3-1-1)，开设在拱形梁中心拱(3-3-2)上的光纤安装刻槽(3-3-3)和开设在拱形梁伸长端(3-3-1)上的光纤安装刻槽(3-3-3)连通，光纤光栅的中部设置在拱形梁中心拱(3-3-2)的光纤安装刻槽(3-3-3)中，光纤光栅两端固定在拱形梁伸长端(3-3-1)上的光纤安装刻槽(3-3-3)内，与光纤光栅两端连接的光纤(3-4)通过光纤走线槽(2-2-0)汇聚于圆柱形光纤槽(2-1-7)中。
3.根据权利要求1所述的一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器，其特征在于，所述的球形外壳(1)由第一半球形外壳(1-1)和第二半球形外壳(1-2)扣合而成。
4.根据权利要求2所述的一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器，其特征在于，所述的实心球体(2)上半部设置的三个光纤光栅压力传感单元(3-0)的压头(3-1)的传感面的法线与水平面的夹角均为45度，且实心球体(2)上半部设置的三个光纤光栅压力传感单元(3-0)的压头(3-1)的传感面的法线在水平面上的投影直线之间的相邻夹角为60度；所述的实心球体(2)下半部设置的三个光纤光栅压力传感单元(3-0)的压头(3-1)的传感面的法线与水平面的夹角均为60度，且实心球体(2)下半部设置的三个光纤光栅压力传感单元(3-0)的压头(3-1)的传感面的法线在水平面上的投影直线之间的相邻夹角为60度。
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