CN112902860A - 一种基于fbg测试岩体三向应力的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FBG测试岩体三向应力的装置，其包括包围球、设置在包围球内的正四面体骨架、设置在每根刚性杆中部的光纤布拉格光栅和信号传送光纤，正四面体骨架的中心和包围球的中心重合，正四面体骨架的四个角点位于包围球的表面，指向正四面体骨架的相同角点的各光纤布拉格光栅的端部通过光纤耦合形成光纤耦合节点，所述信号传送光纤的一端其中一个光纤耦合节点耦合。本发明基于FBG测试岩体三向应力的装置，其采用正四面体骨架，能够承受较大的围压，结构稳定性好，抗干扰能力强，不仅能测试试样表面的应变参数，还可以测试试样内部一点的三向应变参数。
Description
技术领域
本发明涉及岩石参数测试技术领域，特别涉及一种用于测试岩体三向应力的装置。
背景技术
外力对岩石所做的功会引起岩石应力、应变状态的改变，正确理解和描述岩石变形破坏过程中的岩体内部应力、应变的变化对深入认识岩石材料的损伤、断裂、失稳破坏以及岩石工程灾害的发生机制等具有重要的科学意义和工程实际意义。传统测试岩体应力、应变的仪器包括了应变片、土压力盒子等，该类设备只能测试岩体表变的三向应力状态或者岩体内部的单向应力状态，无法解决测试岩土内部三向应力、应变状态的问题。
光纤布拉格光栅(FBG)是目前结构健康监测的研究热点，其具有较高的结构拓展性，可改造和组成具有特定测试方向和测试能力的单元体。其还具备多点组网功能，可获得一定结构场范围的整场变化信息，配合尺寸极小(毫米级)、其高灵敏度、高测量精度的测试特性，实现了结构体全方位的分布式测量。FBG传感监测不仅体现在结构测试多样性上，其传感部分和传输部分为一体，既能实现功能测试，又能有效传输所感应的信息，并且作为无源器件，其在抗电磁干扰、防自燃、防爆等方面的优势巨大，成为传统测试介质无法比拟的测试单元，适合于地下工程等煤岩体开挖围岩稳定性监测应用。介于FBG传感器的这种优越性，可以将其应用到煤岩体变形破坏及其应力灾变的监控中，尤其应对于受载条件下煤岩体三轴应力场的测试。为了开发煤岩体内部应力场测试装置，需要将FBG传感器进行结构组网，并封装成可用测试单元。实践证明，FBG传感器已经广泛用于测试地下开挖对围岩的扰动情况。但是，对于煤岩体内部变形及其三轴应力作用下的应力应变情况，还需要开发新型的传感测试单元，因此如何解决传感器组网形式和传感器封装结构，成为制约FBG传感器在地下工程应用中的首要问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于FBG测试岩体三向应力的装置，以解决光纤布拉格光栅的组网形式和封装结构问题，使其能应用在煤岩体内部，实现对岩体内部测试点的三向应力、应变和温度等参数的测试。
本发明基于FBG测试岩体三向应力的装置，其包括由弹性材质制成的包围球、设置在包围球内由六根刚性杆连接构成的正四面体骨架、设置在每根刚性杆中部的光纤布拉格光栅和由入射光纤和出射光纤构成的信号传送光纤，所述正四面体骨架的中心和包围球的中心重合，正四面体骨架的四个角点位于包围球的表面，指向正四面体骨架的相同角点的各光纤布拉格光栅的端部通过光纤耦合，形成四个光纤耦合节点，所述信号传送光纤的一端与其中一个光纤耦合节点耦合。
进一步，所述包围球为导热硅胶质包围球，所述刚性杆为铁质圆柱杆。
进一步，所述包围球的半径为10mm。
本发明的有益效果：
1、本发明基于FBG测试岩体三向应力的装置，其采用正四面体骨架，能够承受较大的围压，结构稳定性好；包围球能与被测岩体耦合，达到传递岩体的变化参数的作用，同时保护骨架。
传统的传感器和测试技术，例如应变片、数值图像相关技术(DIC)测试技术等，只能测试试样表面的应变参数；而本发明基于FBG测试岩体三向应力的装置，不仅能测试试样表面的应变参数，还可以测试试样内部的应变参数。
2、本发明基于FBG测试岩体三向应力的装置，以正四面体结构耦合光纤布拉格光栅，能测试岩体一点的三向应变和温度参数。
3、本发明基于FBG测试岩体三向应力的装置，其能抗水、电磁等干扰，抗干扰能力强。
附图说明
图1为基于FBG测试岩体三向应力的装置的结构示意图；
图2为正四面体骨架的立体结构示意图；
图3为正四面体式三维应变花；
图4为应变片轴线在三维空间中的方向余弦。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
如图所示，本实施例基于FBG测试岩体三向应力的装置，其包括由弹性材质制成的包围球1、设置在包围球内由六根刚性杆连接构成的正四面体骨架2、设置在每根刚性杆中部的光纤布拉格光栅3和由入射光纤和出射光纤构成的信号传送光纤4，所述正四面体骨架的中心和包围球的中心重合，正四面体骨架的四个角点位于包围球的表面，指向正四面体骨架的相同角点的各光纤布拉格光栅的端部通过光纤耦合，形成四个光纤耦合节点，所述信号传送光纤的一端与其中一个光纤耦合节点耦合。
本实施例中，所述包围球为导热硅胶质包围球，所述刚性杆为铁质圆柱杆，在正四面体骨架的四个角点处的各铁质圆柱杆的端部焊接成一体，光纤布拉格光栅粘贴在铁质圆柱杆中部，导热硅胶熔铸在正四面体骨架外形成包围球。当然在不同实施例中，所述包围球和刚性杆的材质还可选择为其它能满足需求的材质。
本实施例中，所述包围球的半径为10mm。当然在不同实施例中，包围球的大小还可根据需要进行调整。
在具体实施中，将基于FBG测试岩体三向应力的装置埋设于岩体中，将信号传送光纤中的入射光纤与激光发射器连接，将出射光纤与光纤光栅解调仪连接以读取所需测试的参数。由弹性材质制成的包围球与被测岩体耦合，传递岩体的变化参数，同时保护骨架。
本实施例中基于FBG测试岩体三向应力的装置，采用正四面体骨架可以增大装置可承受载荷的极限值，同时确保被测参数(位移、温度)传递的稳定性。光纤布拉格光栅(FBG)具有较高的结构拓展性，可改造和组成具有特定测试方向和测试能力的单元体。本实施例中基于FBG测试岩体三向应力的装置还具备多点组网功能，可获得一定结构场范围的整场变化信息，配合尺寸极小(毫米级)、高灵敏度、高测量精度的测试特性，实现了结构体全方位的分布式测量。
三向应变计算原理如下：
三维应变状态包括三个正应变和三个剪应变共6个应变分量。正四面体式三维应变花如说明书附图3所示。
考虑三维空间中的一条直线OA，如图4所示。则该直线在x、y、z方向的方向余弦l、m、n分别为：
表1正四面体三维应变花各应变片的方向余弦
若已知一点的应变状态为εj＝{εx,εy,εz,εxy,εyz,εzx}，则在该点任意一个方向上的线应变均可以根据力学理论得到，即：
ε＝εxl2+εym2+εzn2+εxylm+εyzmn+εzxnl (2)
如果想要得到6个不同方向上的线应变εi(i＝1,2,3,4,5,6)，则只需要知道各个方向的方向向量即可。具体表达式写成矩阵为
或简写为
{εi}＝T{εj} (4)
其中，j＝x,y,z,xy,yz,zx,{εi}＝{ε1,ε2,ε3,ε4,ε5,ε6}，而且
根据式(4)可以得到
{εj}＝T-1{εi} (6)
因此，空间任意一点的三维应变状态就可以根据式(5)求得。对于正四面体式三维应变花，根据图4所建立的坐标系统，可以计算出6个不同的l、m和n。代入式(5)后，可以求得T，并最终可以得到T-1，即：
可见，三维应变花的6个应变片布置方向不是随意的，它必然满足的条件,是T-1存在，即T的秩等于6。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种基于FBG测试岩体三向应力的装置，其特征在于：包括由弹性材质制成的包围球、设置在包围球内由六根刚性杆连接构成的正四面体骨架、设置在每根刚性杆中部的光纤布拉格光栅和由入射光纤和出射光纤构成的信号传送光纤，所述正四面体骨架的中心和包围球的中心重合，正四面体骨架的四个角点位于包围球的表面，指向正四面体骨架的相同角点的各光纤布拉格光栅的端部通过光纤耦合，形成四个光纤耦合节点，所述信号传送光纤的一端与其中一个光纤耦合节点耦合。
2.根据权利要求1所述的基于FBG测试岩体三向应力的装置，其特征在于：所述包围球为导热硅胶质包围球，所述刚性杆为铁质圆柱杆。
3.根据权利要求1所述的基于FBG测试岩体三向应力的装置，其特征在于：所述包围球的半径为10mm。
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