CN110220623B - 基于光纤光栅的一体式三维应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，包括基座和设置在所述基座上的传感组件，所述基座呈五棱台状，其包括相互平行设置的顶面板与底面板，以及位于所述顶面板与所述底面板之间且依次相接的五个梯形侧面板；所述传感组件包括通过光纤依次串接的六组光栅传感器，其中一组所述光栅传感器嵌设在所述顶面板的内部，其余五组所述光栅传感器分别嵌设在五个所述梯形侧面板的内部，且所述光纤自所述底面板向外穿出。该三维应力传感器真正地实现单一传感器测试三维应力，同时也减小了传感器的整体体积，还将三维压力传感器的测试线减少为一根而避免测试线的复杂，大幅地降低了对测试岩土介质内应力场的干扰，提升了测试的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤光栅的一体式三维应力传感器。
背景技术
近年来，岩土与地下工程领域的建设规模及施工难度越来越大，分析岩土体承受的复杂应力状态并评价其受荷渐进变形过程中的工程体稳定性显得至关重要。因此，通过现场实测以及室内模型试验，并采用一定的应力检测方法及时掌握土体内部的三维应力状态及其变化规律成为当前的研究热点之一。
现阶段，岩土体内部的应力测试主要依赖传统的土压力盒，此类土压力盒技术较为成熟，但只能用于测试一维应力，不能很好的反应岩土体内部的复杂应力状态。然而，工程实践中岩土体处于三维应力状态，三维应力状态共包含九个分量，其中六个是独立的，即三个正应力和三个剪应力。岩土体的物理力学性质必须在三维条件下研究才更加具有理论意义和工程价值。
目前，已有部分学者开始设计制作三维应力条件下的传感器，但都是基于常规土压力盒进行组装而成，会导致出线过多，体积过大，这对岩土体中的原有应力场会形成干扰，造成测试结果与实际应力状态不符。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种新型的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，包括基座和设置在所述基座上的传感组件，所述基座呈五棱台状，其包括相互平行设置的顶面板与底面板，以及位于所述顶面板与所述底面板之间且依次相接的五个梯形侧面板；所述传感组件包括通过光纤依次串接的六组光栅传感器，其中一组所述光栅传感器嵌设在所述顶面板的内部，其余五组所述光栅传感器分别嵌设在五个所述梯形侧面板的内部，且所述光纤自所述底面板向外穿出。
优选地，所述的基座呈正五棱台状，五个所述梯形侧面板的截面相同。
进一步地，所述顶面板与所述底面板均为正五边形，且所述顶面板的边长小于所述底面板的边长。
优选地，所述光栅传感器设置在所述顶面板/所述梯形侧面板的形心位置处。
进一步地，所述顶面板/所述梯形侧面板的形心位置处开设有凹槽，所述光栅传感器嵌设在所述凹槽中。
优选地，六组所述光栅传感器沿所述光纤的长度延伸方向依次间隔地排布，首个所述光栅传感器设于所述顶面板上，其余五个所述光栅传感器沿周向依次地被设置在五个所述梯形侧面板上。
优选地，所述基座采用不锈钢材料制成。
优选地，所述底面板的中心设有沿上下方向延伸的光纤出口孔，以及与所述光纤出口孔连通并朝向所述底面板一侧延伸的穿孔，所述光纤的端部穿过所述光纤出口孔后经所述穿孔而位于所述基座的一侧。
进一步地，所述穿孔的口部还配合地设置有用于将所述光纤固定的防水螺丝，所述底面板的底部还固定地设置有多个防水橡胶垫。
优选地，所述顶面板与所有的所述梯形侧面板形成一个整体的上盒体，所述上盒体与所述底面板固定连接而形成所述的基座。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其采用五棱台状的基座，选用其中的顶面及5个梯形侧面作为测试面，并采用一根光纤光栅扫掠整个基座内部的六个面，真正地实现单一传感器测试三维应力，同时也减小了传感器的整体体积，还将三维压力传感器的测试线减少为一根而避免测试线的复杂，大幅地降低了对测试岩土介质内应力场的干扰，提升了测试的准确度。
附图说明
附图1为本发明的三维应力传感器中基座的整体结构示意图一；
附图2为本发明的三维应力传感器中基座的整体结构示意图二；
附图3为本发明的三维应力传感器中基座的透视结构示意图；
附图4为基座中上盒体的整体结构示意图；
附图5为基座中上盒体的透视结构示意图；
附图6为基座中底面板的整体结构示意图；
附图7为基座中底面板的透视结构示意图；
附图8为传感组件中各光栅传感器之间的连接示意图；
附图9、附图10为本发明的三维应力传感器的应力模型示意图。
其中：1、顶面板；11、凹槽；2、底面板；21、光纤出口孔；22、穿孔；3、梯形侧面板；31、凹槽；4、防水橡胶垫；5、防水螺丝。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1至图8所示，一种基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其包括基座和设置在基座上的传感组件，其中，基座呈五棱台状，其包括相互平行设置的顶面板1与底面板2，以及位于顶面板1与底面板2之间且依次相接的五个梯形侧面板3；传感组件包括通过光纤依次串接的六组光栅传感器，其中一组光栅传感器嵌设在顶面板1的内部，其余五组光栅传感器分别对应地嵌设在五个梯形侧面板3的内部，且光纤自底面板2向外穿出。
参见各附图所示，本实施例中，基座呈正五棱台状，五个梯形侧面板3的截面相同。顶面板1与底面板2均为正五边形，且顶面板1的边长小于底面板2的边长。
传感组件中，光栅传感器设置在顶面板1/梯形侧面板3的形心位置处，具体地，顶面板1的形心位置处开设有凹槽11，其中一组光栅传感器嵌设在该凹槽11中；各个梯形侧面板3的形心位置处均开设有凹槽31，每个凹槽31中均嵌设有一组光栅传感器。具体设置时，六组光栅传感器沿光纤的长度延伸方向依次间隔分布，参见图8所示，首个光栅传感器f10设置在顶面板1上，其余的五组光栅传感器f20、f30、f40、f50、f60则沿周向依次地被设置在五个梯形侧面板3上。
本实施例中，基座采用的为不锈钢材料制成，其中，顶面板1与所有的梯形侧面板3形成一个整体的上盖体，如图4、图5所示；该上盖体与如图6、图7所示的底面板2固定连接而形成基座。该上盖体与底面板2分别可采用3D打印技术一体成型制作而成。
参图6、图7所示，底面板2的中心设在有沿上下方向延伸的光纤出口孔21，以及与该光纤出口孔21连通并朝向一侧延伸的穿孔22，光纤的末端穿过光纤出口孔21后经穿孔22而穿出至基座的一侧。穿孔22的口部还配合地设置有用于将光纤固定的防水螺丝5，底面板2的底部还固定地设置有多个防水橡胶垫，具体地，在底面板2开设多个沿上下方向延伸的螺栓孔，将连接螺丝穿过该螺栓孔而与上盖体固定连接，随后在螺栓孔的底部设置防水橡胶垫，使得螺丝不外露，避免传感器内部进水，以及避免螺丝生锈以及影响美观。在某些实施例中还可以在底面板2的底部增设一整块的防水橡胶垫。
制作的过程中，先将上盖体与底面板2分离，然后将传感组件的各个光栅传感器依次固定嵌设至顶面板1的凹槽11及各梯形侧面板3的凹槽31中，将光纤的端部从底面板2中的光纤出口孔21中穿至穿孔22并穿出至基座的一侧，随后将上盖体与底面板2固定连接而形成整体的基座，最后将防水螺丝5安装至穿孔22中而将光纤固定即可，整个制作过程非常的简单方便。
该三维应力传感器在用于应力检测时，其运用到的计算理论如下：
参见图8所示，六个光栅传感器串联，由宽带光源发出的宽带光信号经过隔离器和3dB耦合器传输到串接的传感光栅上，通过光纤经过六个光栅传感器，每个光栅传感器会反射相应的波长，反射光的波长对光栅的变形非常敏感，当该三维应力传感器的基座受到压力时，基座上受到压力使得顶面板1与梯形侧面板3发生弹性形变，从而使得光栅与基座上各凹槽槽壁一起发生应变，导致光栅反射光的中心波长漂移。经过这些光纤光栅的波长选择后，一组不同波长的窄带光被反射，反射光再次经过3dB耦合器由波长解调仪接收，经过波长解调仪对这些波长进行识别，检测出波长的变化即反映应变及应力的变化，测试结果输入到计算机进行数据分析处理。
参见图9、图10所示，在三维应力空间中，设一点O的应力状态为σ0＝{σx,σy,σz,σxy,σyz,σzx}，平面π为经过该点的任意一个平面，直线OA为其法线。那么，该平面π法线的方向余弦：n＝cosδ，式中：δ为直线OA与Z轴的夹角，/>为直线OB与Z轴的夹角。
点B为点A在平面xoy上的投影，则平面π上的正应力表达式为：σ＝σxl2+σym2+σzn2+2σxylm+2σyzmn+2σzxnl。
如果已知空间某一点在六个不同方向上的正应力，则可由上式得到六个关于σx，σy，σz，σxy，σyz，σzx的线性方程，进而计算得到空间中该点的三维应力状态。
设六个不同方向测得的正应力为Pi(i＝1，2，...，6)，上述公式可改写为式中：li，mi，ni分别为第i个方向上正应力的方向余弦。
将上述公式展开可得：
记
则上述公式可记为σi＝Tσj，式中：j＝x，y，z，xy，yz，zx。T定义为转换矩阵，如果转换矩阵T是可逆矩阵，且其逆矩阵为T-1，则σj＝T-1σi。
本实施例的三维应力传感器的基座的几何特点为正五棱台，坐标系选取正东方向为X轴正向，则Y轴正向为正北方向，以重力场反向为Z轴正向。正五棱台的一个棱的投影与X轴重合，且Z轴过棱台型心，正应力σi选取位置也在图9中展示。通过确定该三维应力传感器各个面的方向余弦后，可以确定转换矩阵T，即：
传感组件在五棱台基座中能够测得σ1,σ2,σ3,σ4,σ5,σ6，再根据上述公式即可求得该面上的应力状态σ0＝{σx,σy,σz,σxy,σyz,σzx}。
实际检测过程中，仅需要将该三维应力传感器埋设在待测试岩土的所需位置，记录其坐标。由宽带光源发出的宽带光信号经过串接的光栅传感器上，经过波长解调仪对这些反射光波长进行识别，检测出波长的变化即反映应变及应力的变化，测试结果输入到计算机进行数据分析处理，即可获知测试位置处的三维应力状况，测试操作简单方便、快速。
综上，本发明的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其与现有技术相比具有如下优点：
(1)通过采用五棱台状的基座，选用其中的顶面及5个梯形侧面作为测试面，真正地实现单一传感器测试三维应力，同时也减小了传感器的整体体积，进而能够降低对测试岩土介质内应力场的干扰。
(2)通过采用光纤光栅测试方法，采用一根光纤光栅扫掠整个压力传感器的基座内部的六个面，将三维压力传感器的测试线减少为一根，避免了测试线复杂，也能够降低对测试岩土介质内应力场的干扰。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其特征在于：包括基座和设置在所述基座上的传感组件，所述基座呈五棱台状，其包括相互平行设置的顶面板与底面板，以及位于所述顶面板与所述底面板之间且依次相接的五个梯形侧面板；所述传感组件包括通过光纤依次串接的六组光栅传感器，其中一组所述光栅传感器嵌设在所述顶面板的内部，其余五组所述光栅传感器分别嵌设在五个所述梯形侧面板的内部，且所述光纤自所述底面板向外穿出。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其特征在于：所述的基座呈正五棱台状，五个所述梯形侧面板的截面相同。
3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其特征在于：所述顶面板与所述底面板均为正五边形，且所述顶面板的边长小于所述底面板的边长。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其特征在于：所述光栅传感器设置在所述顶面板/所述梯形侧面板的形心位置处。
5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其特征在于：所述顶面板/所述梯形侧面板的形心位置处开设有凹槽，所述光栅传感器嵌设在所述凹槽中。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其特征在于：六组所述光栅传感器沿所述光纤的长度延伸方向依次间隔地排布，首个所述光栅传感器设于所述顶面板上，其余五个所述光栅传感器沿周向依次地被设置在五个所述梯形侧面板上。
7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其特征在于：所述基座采用不锈钢材料制成。
8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其特征在于：所述底面板的中心设有沿上下方向延伸的光纤出口孔，以及与所述光纤出口孔连通并朝向所述底面板一侧延伸的穿孔，所述光纤的端部穿过所述光纤出口孔后经所述穿孔而位于所述基座的一侧。
9.根据权利要求8所述的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其特征在于：所述穿孔的口部还配合地设置有用于将所述光纤固定的防水螺丝，所述底面板的底部还固定地设置有多个防水橡胶垫。
10.根据权利要求1至9任一项所述的基于光纤光栅的一体式三维应力传感器，其特征在于：所述顶面板与所有的所述梯形侧面板形成一个整体的上盒体，所述上盒体与所述底面板固定连接而形成所述的基座。
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| GR01 | Patent grant | ||
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