CN110017786A - 一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体，它由立方体空心外壳、支撑柱、三个光纤布拉格光栅、铠装光缆和光纤接头组成。三个光纤布拉格光栅两端分别粘贴固定在对应的支撑柱的凹槽中用以测量各个轴向应变，当立方体空心外壳受压变形时会带动支撑柱在轴向上移动，若X轴方向受压则会使光纤布拉格光栅1收缩，而其余两个光纤布拉格光栅在各自轴向上伸张，导致光纤布拉格光栅1特征波长变化的方向与其余两个光纤布拉格光栅的特征波长变化方向相反，从而形成两组差动结构，提高了应变灵敏度，此外这种支撑柱传递外部应力的方法，提高了应变传递效率。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体。
背景技术
受地质构造、岩性特征及原岩应力场等因素影响，岩体多处于多向应力共同作用的复杂应力状态下。顶板垮落、巷道变形、冲击地压及煤与瓦斯突出等煤矿常见灾害事故的发生多是由于对这些力学信息难以获取或获取不及时所致，通过一定围岩应力检测方法，及时掌握煤岩体内部三维应力状态及其变化规律，是减少此类事故发生的有效手段之一。
光纤光栅传感元件是一种以光学信号为传输载体的高精度测试元件，具有极强的抗电磁干扰、抗腐蚀、防水防潮、耐久性长等优点，已被广泛应用于土木工程、水利工程、复合材料、医学、电力及航空航天等领域，并取得显著的研究成果。在岩石及地下工程领域，凭借其高精度监测的特点可实现变形过程的精确测量，这也使得借助光纤光栅传感技术监测煤岩内部复杂应力状态成为可能。但是，裸光纤光栅的压力灵敏系数非常低，为了使光纤光栅的压力测量能够用于实际中，人们对光纤光栅压力增敏进行了大量的研究。因此本发明提供了一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体，该结构体体积小、结构简单、灵敏度高，且适用于许多电类传感器无法使用的场合。
发明内容
本发明对于围岩体内部三维应力的检测，提供了一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体。
一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体，它由立方体空心外壳、支撑柱、三个光纤布拉格光栅、铠装光缆和光纤接头组成，其特征在于：所述的立方体空心外壳的边长为28mm，壁厚为3mm；所述的光纤接头用于将铠装光缆连接在立方体空心外壳上；所述的支撑柱由柱1、柱2、柱3、柱4、柱5和柱6组成，它们依次位于立方体空心外壳的六个内平面的中心点，以立方体空心外壳的体中心点作为三维坐标系的原点，其中柱1和柱2同在X轴线上且它们在Z轴方向的上表面开有凹槽，柱3和柱4同在Y轴线上且它们在Z轴方向的下表面开有凹槽，柱5和柱6同在Z轴线上且它们在Y轴方向的下表面开有凹槽；所述的三个光纤布拉格光栅由光纤布拉格光栅1、光纤布拉格光栅2和光纤布拉格光栅3组成，它们依次串联且特征波长分别为λ1、λ2和λ3，光纤布拉格光栅1的两端分别粘贴固定在柱1和柱2的凹槽内用以测量X轴方向的应变，光纤布拉格光栅2两端分别粘贴固定在柱3和柱4的凹槽内用以测量Y轴方向的应变，光纤布拉格光栅3两端分别粘贴固定在柱5和柱6的凹槽内用以测量Z轴方向的应变；所述的三个光纤布拉格光栅粘贴所用的胶粘剂为353ND胶，这三个光纤布拉格光栅在空间上相互正交且在粘贴前需进行预拉伸；当立方体空心外壳受压变形时会带动支撑柱在轴向上移动，若X轴方向受压则会使光纤布拉格光栅1收缩，而光纤布拉格光栅2和光纤布拉格光栅3会在各自轴向上伸张，导致光纤布拉格光栅1特征波长变化的方向与其余两个光纤布拉格光栅的特征波长变化方向相反，从而形成两组差动结构，提高了应变灵敏度，此外这种支撑柱传递外部应力的方法，提高了应变传递效率。
所述的支撑柱的长度为1.4mm，宽度为1.4mm，高度为4mm。
所述的凹槽的宽度为2mm，深度为1.5mm。
附图说明
图1是一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体的俯视图。
图2是一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体的主视图。
图3是一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体的立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施作详细说明：
如图1和图2所示，1.光纤布拉格光栅1，2.光纤布拉格光栅2，3.光纤布拉格光栅3，4-1.柱1，4-2.柱2，4-3.柱3，4-4.柱4，4-5.柱5，4-6.柱6，5光纤接头，6.铠装光缆，7立方体空心外壳。
选用QSn4-0.3作为立方体空心外壳材料，将三个光纤布拉格光栅左右两端放置在对应的凹槽中，并在光纤上均匀的涂敷上353ND胶。
设光纤应变变与传感器应变的关系为
εj＝αε′j
其中εj(j＝x，y，z)为光纤布拉格光栅的轴向应变。
而ε′j可通过光纤布拉格光栅的特征波长变化量求得，即
ε′j＝ΔλB/λB(1-P)
式中：ΔλB为光纤布拉格光栅的特征波长变化量，P为弹光系数。
由广义胡克定律可知光纤布拉格光栅与三向应力的关系为
其中σj(j＝x，y，z)为三向的应力，λ1＝1/Eα，E为弹性模量，λ2＝μ/Eα，μ为泊松比，通常α、E和μ均为常数，结合公式可得光纤布拉格光栅的特征波长变化与应力之间的关系。
当传感器埋入岩体后，结构体会到受多向应力的共同作用，在各个方向发生协同变形，带动光纤布拉格光栅发生应变。若X轴方向受压则会使光纤布拉格光栅1收缩，而光纤布拉格光栅2和光纤布拉格光栅3会在各自轴向上伸张，导致光纤布拉格光栅1特征波长变化的方向与其余两个光纤布拉格光栅的特征波长变化方向相反，从而形成两组差动结构，这种差动结构实现了光纤布拉格光栅的自我温度补偿，提高了应变灵敏度。
结合图2与结构体尺寸，可知光纤布拉格光栅在AB间的距离为14mm，而CD间的距离为28mm，当立方体空心外壳受压变形时会带动空心支撑柱在轴向上移动，由于杠杆放大的作用(CD\AR＝2)，理论上提高了两倍的应变灵敏度。
用光纤接头将铠装光缆固定在立方体空心外壳上，通过铠装光缆将光纤布拉格光栅传导至外部进行信号解调和处理，图3为该结构体的立体图。
Claims (3)
1.一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体，它由立方体空心外壳、支撑柱、三个光纤布拉格光栅、铠装光缆和光纤接头组成，其特征在于：所述的立方体空心外壳的边长为28mm，壁厚为3mm；所述的光纤接头用于将铠装光缆连接在立方体空心外壳上；所述的支撑柱由柱1、柱2、柱3、柱4、柱5和 柱6组成，它们依次位于立方体空心外壳的六个内平面的中心点，以立方体空心外壳的体中心点作为三维坐标系的原点，其中柱1和 柱2同在X轴线上且它们在Z轴方向的上表面开有凹槽，柱3和柱4同在Y轴线上且它们在Z轴方向的下表面开有凹槽，柱5和柱6同在Z轴线上且它们在Y轴方向的下表面开有凹槽；所述的三个光纤布拉格光栅由光纤布拉格光栅1、光纤布拉格光栅2和光纤布拉格光栅3组成，它们依次串联且特征波长分别为λ1、λ2和λ3 ，光纤布拉格光栅1的两端分别粘贴固定在柱1和柱2的凹槽内用以测量X轴方向的应变，光纤布拉格光栅2两端分别粘贴固定在柱3和柱4的凹槽内用以测量Y轴方向的应变，光纤布拉格光栅3两端分别粘贴固定在柱5和柱6的凹槽内用以测量Z轴方向的应变；所述的三个光纤布拉格光栅粘贴所用的胶粘剂为353ND胶，这三个光纤布拉格光栅在空间上相互正交且在粘贴前需进行预拉伸；当立方体空心外壳受压变形时会带动支撑柱在轴向上移动，若X轴方向受压则会使光纤布拉格光栅1收缩，而光纤布拉格光栅2和光纤布拉格光栅3会在各自轴向上伸张，导致光纤布拉格光栅1特征波长变化的方向与其余两个光纤布拉格光栅的特征波长变化方向相反，从而形成两组差动结构，提高了应变灵敏度，此外这种支撑柱传递外部应力的方法，提高了应变传递效率。
2.权利要求1所述的一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体，其特征在于：所述的支撑柱的长度为1.4mm，宽度为1.4mm，高度为4mm。
3.权利要求1所述的一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体，其特征在于：所述的凹槽的宽度为2mm，深度为1.5mm。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111189405A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器 |
| CN115200493A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-10-18 | 交通运输部公路科学研究所 | 一种光纤光栅三维传感器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070258331A1 (en) * | 2006-05-04 | 2007-11-08 | Dennis Bevan | Tri axis high frequency fiber optic acoustic sensor |
| CN102175366A (zh) * | 2011-03-05 | 2011-09-07 | 河南理工大学 | 一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置及测试方法 |
| KR20140022208A (ko) * | 2012-08-13 | 2014-02-24 | 한국철도기술연구원 | 변형률 측정 장치 |
| CN106289502A (zh) * | 2016-08-11 | 2017-01-04 | 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 | 一种基于分布反馈式光纤激光器的三维矢量水听器及相位解调方法 |
| CN107300362A (zh) * | 2016-05-12 | 2017-10-27 | 中国计量大学 | 一种用于三维应变检测的直角三棱锥光纤光栅结构体 |
| CN209783536U (zh) * | 2019-05-14 | 2019-12-13 | 中国计量大学 | 一种光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070258331A1 (en) * | 2006-05-04 | 2007-11-08 | Dennis Bevan | Tri axis high frequency fiber optic acoustic sensor |
| CN102175366A (zh) * | 2011-03-05 | 2011-09-07 | 河南理工大学 | 一种岩石三维应力状态的光纤光栅测试装置及测试方法 |
| KR20140022208A (ko) * | 2012-08-13 | 2014-02-24 | 한국철도기술연구원 | 변형률 측정 장치 |
| CN107300362A (zh) * | 2016-05-12 | 2017-10-27 | 中国计量大学 | 一种用于三维应变检测的直角三棱锥光纤光栅结构体 |
| CN106289502A (zh) * | 2016-08-11 | 2017-01-04 | 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 | 一种基于分布反馈式光纤激光器的三维矢量水听器及相位解调方法 |
| CN209783536U (zh) * | 2019-05-14 | 2019-12-13 | 中国计量大学 | 一种光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111189405A (zh) * | 2020-01-13 | 2020-05-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种路用光纤光栅串三维空间应变传感器 |
| CN115200493A (zh) * | 2022-07-07 | 2022-10-18 | 交通运输部公路科学研究所 | 一种光纤光栅三维传感器 |
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