CN114720030A - 一种三维钻孔应力光纤光栅传感器及其监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三维钻孔应力光纤光栅传感器及其监测方法，包括：波纹管安装座、受压波纹管和拉伸波纹管；所述波纹管安装座上设有直径不同的受压波纹管和拉伸波纹管，受压波纹管的顶端设有受压块，拉伸波纹管的顶端设有悬臂梁，悬臂梁上设有光纤光栅；所述受压波纹管接收受压块施加的不同方向的钻孔应力，并将钻孔应力传输至拉伸波纹管，拉伸波纹管通过由直径引起的压力差带动悬臂梁产生竖直位移。采用不同直径的受压波纹管和拉伸波纹管的双波纹管形式，利用两波纹管直径尺寸的差异，形成压力差，以使拉伸波纹管产生向上的位移量，从而起到监测的效果。

Description

一种三维钻孔应力光纤光栅传感器及其监测方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种三维钻孔应力光纤光栅传感器及其监测方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
传统煤矿用电子应力传感器一般采用高度集成的压感芯片输出电信号。该方式整体结构相对简单，但是存在量程单一、非本质安全、传输距离有限，抗电测干扰能力不足等缺点。
光纤光栅类传感器一般仅采用波纹管、应变梁结构，该传感器结构简单，但是该结构实际应用不易实现多方向的监测；由于光纤光栅的应变范围和波纹管的变化范围不相同，直接将光纤光栅的应变和波纹管的应变相匹配，不但限制了两应变元件的使用范围，也比较难以根据应用需求来调整传感器的测量精度或测量范围，因此，对于高灵敏度的监测场景，或大量程的监测应用都会受到限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种三维钻孔应力光纤光栅传感器及其监测方法，采用不同直径的受压波纹管和拉伸波纹管的双波纹管形式，利用两波纹管直径尺寸的差异形成压力差，以使拉伸波纹管产生向上的位移量，从而起到监测的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，包括：波纹管安装座、受压波纹管和拉伸波纹管；
所述波纹管安装座上设有直径不同的受压波纹管和拉伸波纹管，受压波纹管的顶端设有受压块，拉伸波纹管的顶端设有悬臂梁，悬臂梁上设有光纤光栅；
所述受压波纹管接收受压块施加的不同方向的钻孔应力，并将钻孔应力传输至拉伸波纹管，拉伸波纹管通过由直径引起的压力差带动悬臂梁产生竖直位移。
作为可选择的实施方式，在所述受压波纹管和拉伸波纹管的正下方设有导液管道，且受压波纹管和拉伸波纹管的导液管道连通，用于受压波纹管与拉伸波纹管之间液体的流动。
作为可选择的实施方式，所述受压块设于受压波纹管的正上方，用于接收不同方向的钻孔应力，且受压块受力后产生的位移量作用于受压波纹管，以压缩受压波纹管。
作为可选择的实施方式，所述受压块上设有不同方向的开孔，用于接收不同方向的钻孔应力，以实现三维监测。
作为可选择的实施方式，所述受压波纹管接收钻孔应力后被压缩，并将钻孔应力传输至拉伸波纹管后，根据拉伸波纹管的拉伸量与受压波纹管的压缩量的不同，拉伸波纹管发生竖直位移。
作为可选择的实施方式，所述悬臂梁的受力端设于拉伸波纹管的正上方，悬臂梁的固定端设于支柱上，所述支柱设于波纹管安装座上。
作为可选择的实施方式，所述悬臂梁的固定端通过滑块设于支柱上，并通过顶丝进行固定。
作为可选择的实施方式，所述受压波纹管与拉伸波纹管的直径比例可调。
作为可选择的实施方式，通过调节悬臂梁的梁体长度，增加测量量程；通过调节悬臂梁的梁体厚度，提高测量精度和灵敏度；通过在拉伸波纹管与悬臂梁之间，或在受压块与受压波纹管之间填充介质，增大监测量程。
第二方面，本发明提供一种第一方面所述的三维钻孔应力光纤光栅传感器的监测方法，包括：
受压块接收不同方向的钻孔应力，并施加至受压波纹管；
受压波纹管和拉伸波纹管通过导液管道连通，受压波纹管被压缩后，将钻孔应力传递至拉伸波纹管；
由受压波纹管和拉伸波纹管的直径不同，引起拉伸波纹管的拉伸量与受压波纹管的压缩量的不同，拉伸波纹管从而带动设有光纤光栅的悬臂梁产生竖直位移，实现监测过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提出的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器及其监测方法，采用受压波纹管和拉伸波纹管的双波纹管形式，且受压波纹管和拉伸波纹管的直径不同，利用两波纹管直径尺寸的差异，形成压力差，以使拉伸波纹管产生向上的位移量，从而起到监测的效果。
本发明提出的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器及其监测方法，根据对受压波纹管和拉伸波纹管的直径的调节，实现对监测量程、监测灵敏度的调节。
本发明提出的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器及其监测方法，根据受压块接收不同方向的外部钻孔应力，实现三维监测。
本发明提出的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器及其监测方法，还可通过调整悬臂梁的尺寸或厚度，或通过在受压块与受压波纹管之间填充不同的介质，实现对监测量程、监测灵敏度的调节。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的三维钻孔应力光纤光栅传感器示意图；
图2为本发明实施例1提供的三维钻孔应力光纤光栅传感器X轴方向示意图；
图3(a)-3(b)为本发明实施例1提供的三维钻孔应力光纤光栅传感器Y轴方向示意图；
图4为本发明实施例1提供的三维钻孔应力光纤光栅传感器Z轴方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，包括：外壳、波纹管安装座、受压波纹管、拉伸波纹管、受压块、悬臂梁、光纤光栅、导液管道和支柱；
其中，所述外壳作为传感器内部元器件的保护及密封装置，其他各部件均设于外壳内；
所述波纹管安装座上设有直径不同的受压波纹管和拉伸波纹管；受压波纹管的顶端设有受压块，拉伸波纹管的顶端设有悬臂梁，悬臂梁上设有光纤光栅；
所述受压波纹管接收受压块施加的不同方向的钻孔应力，并将钻孔应力传输至拉伸波纹管，拉伸波纹管通过由直径引起的压力差带动悬臂梁产生竖直位移。
在本实施例中，在所述受压波纹管和拉伸波纹管的正下方设有导液管道，且受压波纹管和拉伸波纹管的导液管道连通，用于受压波纹管与拉伸波纹管之间液体的流动。
在本实施例中，所述受压波纹管、拉伸波纹管及导液管道为密封且充满液体的封闭密封仓体。
在本实施例中，所述受压波纹管的顶端设有受压块，所述受压块用于施加压力至受压波纹管，受压波纹管接收受压块的压力，从而压缩内部液体；
作为可选择的一种实施方式，所述受压块安装于受压波纹管的正上方，用于接收外部岩石的钻孔应力，受压块受力后产生的位移量作用于受压波纹管，引起受压波纹管的压缩；
当受压波纹管压缩时，由于受压波纹管和拉伸波纹管的导液管道连通，将压力传递至拉伸波纹管，由于受压波纹管和拉伸波纹管的直径不同，拉伸波纹管的拉伸量与受压波纹管的压缩量也不同，拉伸波纹管发生竖直位移，从而将外力转化成竖直位移量。
在本实施例中，所述拉伸波纹管的顶端设有悬臂梁，所述悬臂梁上设有凹槽，所述凹槽内设有光纤光栅；
所述悬臂梁的受力端位于拉伸波纹管的正上方，悬臂梁的固定端固定设于支柱上，所述支柱设于波纹管安装座上。
作为可选择的一种实施方式，所述支柱为悬臂梁提供安装位，悬臂梁的固定端以滑块形式固定于波纹管安装座，并利用顶丝将其固定，此固定方式避免了因悬臂梁未与拉伸波纹管接触导致的监测盲区。
在本实施例中，所述受压波纹管与拉伸波纹管的直径比例可调，可按照实际应用需求调整；
在粘接有光纤光栅的悬臂梁的形变量有限的前提下，当受压波纹管的直径大于拉伸波纹管的直径时，拉伸波纹管的拉伸量大于受压波纹管的压缩量，被监测机械应变被放大，从而提高监测精度和灵敏度；
当受压波纹管的直径小于拉伸波纹管的直径时，受外力作用下，受压波纹管的压缩量小于拉伸波纹管的拉伸量，被监测机械应变被缩小，从而增大被监测机械的应变量程。
在本实施例中，采用受压波纹管和拉伸波纹管的双波纹管形式，利用两个波纹管直径尺寸的差异，形成压力差，从而起到拉伸波纹管产生向上位移量的作用。
在本实施例中，通过调整悬臂梁的尺寸或者形状，可改变传感器的相关参数，实现光纤光栅自补偿；在不改变悬臂梁梁体尺寸时，增加梁体厚度，且光栅粘接凹槽深度不变，提高测量精度和灵敏度；不改变悬臂梁梁体厚度，增加梁体长度，可增加测量量程。
作为可选择的一种实施方式，在拉伸波纹管与悬臂梁之间添加压缩弹簧，可实现增大监测量程的效果。
在本实施例中，所述受压块与受压波纹管之间通过填充不同的介质，可改变传感器的监测量程，以此方式增大监测量程。
作为可选择的一种实施方式，在受压波纹管与受压块之间添加压缩弹簧，可实现增大监测量程的效果。
在本实施例中，所述受压块上设有不同方向的开孔，由于开孔方向不同，受压块的安装及受力方向也不同；
如图2-4所示，本实施例的三维钻孔应力光纤光栅传感器是通过将X、Y、Z三个不同方向的传感头串行连接组成，当钻孔应力光纤光栅传感器放置在钻孔底端，并刚性固定在钻孔中，该传感器可接收三个不同方向的压力，从而实现传感器的三维监测。
在更多实施例中，还提供一种上述的三维钻孔应力光纤光栅传感器的监测方法，包括：
受压块接收不同方向的钻孔应力，并施加至受压波纹管；
受压波纹管和拉伸波纹管通过导液管道连通，受压波纹管被压缩后，将钻孔应力传递至拉伸波纹管；
由受压波纹管和拉伸波纹管的直径不同，引起拉伸波纹管的拉伸量与受压波纹管的压缩量的不同，拉伸波纹管从而带动设有光纤光栅的悬臂梁产生竖直位移，实现监测过程。
上述提供的三维钻孔应力光纤光栅传感器，具有分布式监测的优势，可实现对光纤沿线多点的温度应变在线监测，可实现较大空间范围的连续性测量，量程大并且量程可变；以光波为信息载体，光纤信息采集与传输一体化，本身不带电，本质安全，特别适用于如煤矿井下的易燃易爆场所；传感器本身采用防火、抗摔、耐腐蚀材料，强度刚度高，不易损坏；以光纤传输损耗小、传输距离远、不受电磁场干扰和温度湿度影响、传输可靠性高。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，其特征在于，包括：波纹管安装座、受压波纹管和拉伸波纹管；
所述波纹管安装座上设有直径不同的受压波纹管和拉伸波纹管，受压波纹管的顶端设有受压块，拉伸波纹管的顶端设有悬臂梁，悬臂梁上设有光纤光栅；
所述受压波纹管接收受压块施加的不同方向的钻孔应力，并将钻孔应力传输至拉伸波纹管，拉伸波纹管通过由直径引起的压力差带动悬臂梁产生竖直位移。
2.如权利要求1所述的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，其特征在于，在所述受压波纹管和拉伸波纹管的正下方设有导液管道，且受压波纹管和拉伸波纹管的导液管道连通，用于受压波纹管与拉伸波纹管之间液体的流动。
3.如权利要求1所述的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，其特征在于，所述受压块设于受压波纹管的正上方，用于接收不同方向的钻孔应力，且受压块受力后产生的位移量作用于受压波纹管，以压缩受压波纹管。
4.如权利要求1所述的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，其特征在于，所述受压块上设有不同方向的开孔，用于接收不同方向的钻孔应力，以实现三维监测。
5.如权利要求1所述的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，其特征在于，所述受压波纹管接收钻孔应力后被压缩，并将钻孔应力传输至拉伸波纹管后，根据拉伸波纹管的拉伸量与受压波纹管的压缩量的不同，拉伸波纹管发生竖直位移。
6.如权利要求1所述的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，其特征在于，所述悬臂梁的受力端设于拉伸波纹管的正上方，悬臂梁的固定端设于支柱上，所述支柱设于波纹管安装座上。
7.如权利要求6所述的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，其特征在于，所述悬臂梁的固定端通过滑块设于支柱上，并通过顶丝进行固定。
8.如权利要求1所述的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，其特征在于，所述受压波纹管与拉伸波纹管的直径比例可调。
9.如权利要求1所述的一种三维钻孔应力光纤光栅传感器，其特征在于，通过调节悬臂梁的梁体长度，增加测量量程；通过调节悬臂梁的梁体厚度，提高测量精度和灵敏度；通过在拉伸波纹管与悬臂梁之间，或在受压块与受压波纹管之间填充介质，增大监测量程。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的三维钻孔应力光纤光栅传感器的监测方法，其特征在于，包括：
受压块接收不同方向的钻孔应力，并施加至受压波纹管；
受压波纹管和拉伸波纹管通过导液管道连通，受压波纹管被压缩后，将钻孔应力传递至拉伸波纹管；
由受压波纹管和拉伸波纹管的直径不同，引起拉伸波纹管的拉伸量与受压波纹管的压缩量的不同，拉伸波纹管从而带动设有光纤光栅的悬臂梁产生竖直位移，实现监测过程。
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