CN219589629U - 一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于煤岩样内微损伤变形监测技术领域，尤其是一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构，包括光纤光栅应变传感器和封装结构，光纤光栅应变传感器包括裸光纤光栅、光纤、碳纤维棒、热缩管，裸光纤光栅固定于碳纤维棒表面，碳纤维棒固定于热缩管内，裸光纤光栅两端分别连接一根光纤；封装结构包括垫片和煤岩试样，煤岩试样的中心开设有钻孔，光纤光栅应变传感器插置于钻孔中，垫片的下表面开设有凹槽，光纤于凹槽置于封装结构外连接至解调仪。本实用新型能够实现在对煤岩样仅造成微损伤的情况下可实时连续监测煤岩样内部多向变形，提高监测结果的准确性和可靠性。

Description

一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构

技术领域

本实用新型属于煤岩样内微损伤变形监测技术领域，尤其是一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构。

背景技术

在巷道掘进过程中，围岩的内部结构受到更大的压力，而表面结构受到更小的压力，且岩石材料存在非均质性，内部和表面结构存在不同程度的变形损伤。当表面围岩强度小于内部围岩，且已形成较多裂隙时，围岩内部的裂纹扩展可能延伸至巷道表面，从而致使巷道破坏和坍塌。而应变是所有因素的综合反映，应力、位移和变形都可以通过应变计算，且由于其直观性和敏感性而被广泛应用。因此研究并分析围岩内部应变变化具有重要意义。

现有的成熟的可内置的光纤光栅传感器大部分是只适用于现场的大尺寸传感器，可用于小试样的微小型传感器需要找厂家定制，只能单次使用且价格高昂，因此只能使用裸光纤光栅。裸光纤光栅是玻璃纤维材料，具有很强的脆性，需要保证埋入的光纤光栅传感器能够与试样协同变形，不易被破坏，且所有光纤光栅传感器与试样之间存在相同的应变传递系数，是现亟需适用于煤岩样的内埋式光纤光栅应变传感器。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中内埋式光纤在测量受载煤岩样时易被损坏的问题，而提出了一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构，包括光纤光栅应变传感器和封装结构，光纤光栅应变传感器位于封装结构；

光纤光栅应变传感器包括裸光纤光栅、光纤、碳纤维棒、热缩管，所述裸光纤光栅固定于碳纤维棒表面，碳纤维棒固定于热缩管内，所述裸光纤光栅两端分别连接一根光纤，光纤延伸至热缩管外；

封装结构包括垫片和煤岩试样，所述垫片盖合于煤岩试样上部，煤岩试样的中心在纵向开设有钻孔，所述光纤光栅应变传感器插置于钻孔中，所述垫片的下表面开设有凹槽，凹槽覆盖于钻孔位置，所述光纤于凹槽置于封装结构外连接至解调仪。

作为更进一步的优选方案，热缩管的长度大于碳纤维棒的长度，热缩管的内侧涂敷速干胶水。

作为更进一步的优选方案，碳纤维棒的长度与钻孔的深度相同。

作为更进一步的优选方案，碳纤维棒的直径为1mm、长度为50mm。

作为更进一步的优选方案，热缩管的参数为热缩比为3：1、内径1mm、壁厚0.4mm、长度55mm。

作为更进一步的优选方案，钻孔内填充有满环氧树脂。

有益效果

本实用新型可对光纤光栅传感器进行全包围防护，使光纤光栅传感器的状态保持稳定，并能够实现对煤岩样进行内埋式应变监测，提高监测结果的准确性和可靠性；封装结构的结构简单、安装方便，能较好地适应工程安装要求。

附图说明

图1为本实用新型提出的光纤光栅应变传感器结构示意图；

图2为光纤光栅应变传感器的热封状态图；

图3为本实用新型提出的垫片结构示意图；

图4为本实用新型提出的封装结构图；

图中：1裸光纤光栅；2光纤；3碳纤维棒；4热缩管；5凹槽；6垫片；7煤岩试样；8钻孔；9恒温加热器；10加热板；11夹具。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图描述本实用新型的具体实施例。

本实用新型提供一种新的适用于煤岩样内埋式的光纤光栅应变传感器封装结构和封装方式，包括裸光纤光栅1、碳纤维棒3、热缩管4，光纤2为裸光纤光栅1的连接线。裸光纤光栅1长度为10mm，碳纤维棒3长度与试样钻孔8长度相同，热缩管4内径大于碳纤维棒3直径。

确定裸光纤光栅1的固定位置，裸光纤光栅1位于碳纤维棒3的中间区域，使其受力均匀，将所述两者置于热缩管4内，在热缩管两端滴微量速干胶水，固定裸光纤光栅1、碳纤维棒3在热缩管4内的位置。使用恒温加热器9收缩热缩管4，对三个组件进行加热固定封装成光纤光栅应变传感器。

在煤岩试样7的钻孔8内先注满环氧树脂，根据煤岩样含有原生孔隙和环氧树脂具有流动性的特性，多次补充填入环氧树脂。之后埋入光纤光栅应变传感器，静置，24小时后完全凝固。通过与含有钻孔8对应的垫片6引出光纤2，即完成光纤光栅应变传感器与煤试样一体的封装结构，有效保护光纤光栅应变传感器，防止压力条件下裸光纤光栅被折断，保证传感器应力测量的准确性。

其中，选取碳纤维棒3是用来固定裸光纤光栅1。在热缩管4收缩成型过程中，由于压力的作用和环氧树脂流动可能造成裸光纤光栅1发生移位，故而脱离原来位置，环氧树脂凝固后使得裸光纤光栅1发生微弯，影响准确结果的测量。考虑此问题后，选用碳纤维棒3固定裸光纤光栅1的位置和准直状态，通过力的传递,碳纤维棒3产生变形,裸光纤光栅1也会受到拉伸或者压缩,从而引起裸光纤光栅1的波长的移动,通过检测裸光纤光栅1的反射波长的移动量,即可计算得到煤岩的内部应变信息。

其中，通过凹槽5引出光纤2。光纤是脆性材料，光纤2在煤岩试样被环氧树脂包裹引出出口处容易发生脆断，使传感器失效，通过凹槽5引出，能有效保护出口处的光纤2，保证应力测量准确性和光纤传输段的可持续性使用。

裸光纤光栅1通过光纤2连接到解调仪获得传感器的实时应变，并根据位移控单轴加载试验通过数据处理主机获得变形传递系数，从而获得其他试验条件下煤岩样的真实变形量。本实用新型能够实现在对煤岩样仅造成微损伤的情况下可实时连续监测煤岩样内部多向变形，提高监测结果的准确性和可靠性。

通过本申请实施例，将裸光纤光栅与碳纤维棒置于热缩管内，使用恒温加热器收缩热缩管，固紧三个组件，使埋入的光纤光栅传感器能够与煤岩试样协同变形，不易被破坏。

煤岩样钻孔内先注满环氧树脂，再埋入光纤光栅应变传感器，以保证光纤光栅传感器在煤岩样中稳定安置、且通过与环氧树脂完全接触而实现与煤岩样协同变形，光纤光栅传感器的应变与煤岩样的变形之间传递系数为已知常数。

由于光纤弯曲会产生光损，通过垫片引出，保证减少光纤光栅应变传感器应变信号传输的缺失率。

本实施例提供一种适用于煤岩样内埋式的光纤光栅应变传感器的封装方式，以一块方形煤试样块为例，包括以下步骤：

步骤1，选取煤岩材料并加工成含孔洞的试样，设置碳纤维棒2和热缩管3的参数；

步骤2，裸光纤光栅1与碳纤维棒3两者置于热缩管内，碳纤维棒3和裸光纤光栅1的中心点在同一位置，通过夹具11将光纤2固紧在加热板10表面，使用恒温加热器9收缩，固定三个组件构成光纤光栅应变传感器；

步骤3，方形煤试样块7的钻孔8内先注满环氧树脂，多次补充填入环氧树脂，之后埋入光纤光栅应变传感器，静置，待其凝固；

步骤4，将与试样尺寸贴合的垫片6盖设于方形煤试样块钻孔位置，通过垫片的凹槽5引出光纤2。

选取材料步骤如下：

步骤1-1，选取一块长度为50mm的方形煤试样块7，在其内部的中央位置打一钻孔8，尺寸为长50mm，钻孔直径为2mm；

步骤1-2，根据煤试样块7尺寸选取碳纤维棒3，直径为1mm、长度为50mm，以及光纤光栅2的长度为10mm；

步骤1-3，选择适于煤试样块7和光纤光栅2的热缩管4，热缩管4参数为热缩比为3：1、内径1mm、壁厚0.4mm、长度55mm。

固紧光纤光栅应变传感器步骤如下：

步骤2-1，在热缩管4内塞入碳纤维棒3和裸光纤光栅1，拉动光纤2使裸光纤光栅1与碳纤维棒3的中心位置相同；在热缩管4两端滴少量速干胶水固定位置，固定三个组件的相对位置，保障裸光纤光栅1和碳纤维棒3和热缩管4受力方向相同；

步骤2-2，恒温加热器9设置100℃进行加热，待加热板10温度达到100°C后，将已确定裸光纤光栅1和碳纤维棒3位置的热缩管4放置在加热板10上，加热板10两端的夹具11固定光纤2，保证在加热过程中位置不会移动，设置100℃温度加热60s，热缩管4受热后收缩则能完全固定住裸光纤光栅1和碳纤维棒3，在受力条件下三个组件能够实现协同变形；

步骤2-3，恒温加热器9停止加热，自然冷却到室温，光纤光栅传感器直径为1.8mm；

松夹具11，剪切光纤2的无效一端，移动光纤2。

光纤光栅应变传感器埋入方形煤试样块步骤如下：

步骤3-1，向试样7的钻孔8内注满环氧树脂，由于煤岩具有原生孔隙，且环氧树脂流动性强，会渗进煤岩内部，因此需要间隔半小时时需补充注入一次环氧树脂，直至环氧树脂量保持不变；

步骤3-2，将光纤光栅应变传感器埋入含有环氧树脂的钻孔内，清理钻孔周边溢出的环氧树脂，静置24小时，待其完全凝固；

制作传感器保护垫片步骤如下：

步骤4-1，选取与试样7尺寸相同面积的垫片6，在垫片6中间位置设置凹槽5，位置与试样中的钻孔8位置对应；

步骤4-2，光纤2从凹槽5内弯曲引出，凹槽5深度建议大于10mm，保证光纤2具有足够的弯曲半径，不会产生弱信号、缺信号的情况。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构，其特征在于：包括光纤光栅应变传感器和封装结构，所述光纤光栅应变传感器位于封装结构；

所述光纤光栅应变传感器包括裸光纤光栅(1)、光纤(2)、碳纤维棒(3)、热缩管(4)，所述裸光纤光栅(1)固定于碳纤维棒(3)表面，碳纤维棒(3)固定于热缩管(4)内，所述裸光纤光栅(1)两端分别连接一根光纤(2)，光纤(2)延伸至热缩管(4)外；

所述封装结构包括垫片(6)和煤岩试样(7)，所述垫片(6)盖合于煤岩试样(7)上部，煤岩试样(7)的中心在纵向开设有钻孔(8)，所述光纤光栅应变传感器插置于钻孔(8)中，所述垫片(6)的下表面开设有凹槽(5)，凹槽(5)覆盖于钻孔(8)位置，所述光纤(2)于凹槽(5)置于封装结构外连接至解调仪。

2.根据权利要求1所述的一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构，其特征在于：所述热缩管(4)的长度大于碳纤维棒(3)的长度，热缩管(4)的内侧涂敷速干胶水。

3.根据权利要求1所述的一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构，其特征在于：所述碳纤维棒(3)的长度与钻孔(8)的深度相同。

4.根据权利要求1所述的一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构，其特征在于：所述碳纤维棒(3)的直径为1mm、长度为50mm。

5.根据权利要求1所述的一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构，其特征在于：所述热缩管(4)的参数为热缩比为3：1、内径1mm、壁厚0.4mm、长度55mm。

6.根据权利要求1所述的一种适用于煤岩样内埋式光纤光栅应变传感器的封装结构，其特征在于：所述钻孔(8)内填充有满环氧树脂。