[發明專利]一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應力傳感器

有效

• 申請號: 201210097373.6
• 申請日: 2012-04-05
• 公開（公告）號: CN102620870A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 劉泉聲;張芳;張程遠;薛俊華;袁亮;羅勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所;淮南礦業（集團）有限責任公司
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 王敏鋒

技術領域

本發明涉及巖土工程監測領域，更具體涉及一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應力傳感器，可用于巖土體的應力測試，尤其適用于軟巖和土的應力測試。

背景技術

土木工程監測領域現有壓應力傳感器大多只能測定一個方向的壓力，中國專利03212896.7、200810246302.1、201120082368.9公開了幾種壓應力傳感器，各具特色。但經綜合比較與分析，現有壓應力傳感器主要存在下列幾個問題：1)現有壓應力傳感器的傳感原理大多是基于鋼弦式的，該類傳感器測試精度不夠高、傳感器長期穩定性不夠好、易漂移、易受電磁干擾；或基于電阻應變片式的，該類傳感器精度比較高，但是易受電磁干擾、量程不夠大、長期穩定性也不夠好；2)現有壓應力傳感器大多只能測得一個方向上的壓力，不能同時測得三個方向上的壓力；3)現有壓應力傳感器大多是基于電信號或電相關信號的，不是本質安全型的，不能在富含瓦斯的煤礦井下等惡劣環境中使用；4)現有壓應力傳感器很難做到對壓力進行長期、實時監測。

目前，土木工程巖體應力測試領域最常用的方法，主要有水壓致裂法和應力解除法。對于水壓致裂法，其鉆孔封隔器需要在高水壓下具備良好的水密封性能，因而該方法對巖體的完整性提出了苛刻的要求，因此水壓致裂法更適宜用于完整硬巖體的應力測試。而且，該方法只能確定垂直于鉆孔平面內的最大主應力和最小主應力，鉆孔方向假設為一個主應力方向，本質上為二維應力測量方法。對于應力解除法來說，為了計算應力值，首先必須確定巖體的物理力學性質參數(如彈性模量E和泊松比μ等)以及所測物理量(應變)和應力的相互關系。對巖體，特別是對含有大量裂隙的松軟巖體而言，其彈性模量E和泊松比μ等物理力學參數的取值與巖體所受的應力狀態和巖體試件大小及形狀密切相關，不同應力狀態下不同大小的巖體試件通過試驗得出的彈性模量E和泊松比μ的數值可相差數倍甚至十倍以上，這就要求采用應力解除法測試地應力時必須取得超過傳感器長度(＞30cm)的完整巖芯，且在模擬應力解除過程中的應力狀態(即厚壁圓筒外壁均勻受壓的應力狀態)下獲取巖芯的彈性模量。很顯然，這些要求過于苛刻，例如，煤礦深部松軟巖體多為泥質膠結，經受了高應力的作用，取芯過程中受水流沖刷和應力強卸荷作用，多數情況下連長度為10cm的短巖芯也難以獲取，因而很難通過單軸壓縮實驗得到準確的巖體力學參數。因此，工程實踐中利用應力解除法進行巖體應力測試并不理想。而其他的巖體地應力測試方法，比如聲發射法等等，不僅無法勝任軟巖的地應力測試，而且從原理上來說無法測得原巖應力。在土壓應力監測領域，壓力盒較多應用，而現有壓力盒的不足之處在上文已敘述。

綜上所述，現有巖土體應力測試方法及裝置在工程實踐中的應用效果并不理想，需要發明新的巖土體壓應力測試裝置及方法。

發明內容

本發明的目的是在于公開一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應力傳感器，該裝置本質安全，不受電磁干擾，長期穩定性好，量程大，精度高；可以實時監測一點的三個正應力分量。

一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應力傳感器，它包括盒體、傳感膜等。其具體連接關系是：立方體盒體有六個面，其中共頂點的三個受力面相互相連，受力面為平面，另外共頂點的三個面各有一個凹盤，在三個面的凹盤上分別連接有三個傳感膜；三個傳感膜為圓形結構，另外共頂點的三個面相互相連。在其共有頂點處有盒體貫穿口，用于引出光纜等。與三個受力面分別相對的三個面各有一個凹盤，因而這三個面也稱為凹盤面。在凹盤的中心處有一個光纖通道，在凹盤的四周有大小相同、分布均勻的緊固螺孔，且在共有頂點處有盒體貫穿口。光纖通道與盒體貫穿口是相互相連的，主要用于引出光纜等。傳感膜中間的小圓為有效承壓面；有效承壓面內表面粘貼有光纖光柵(FBG)，用于受力傳感；有效承壓面的四周為傳感膜支撐端，用于插入并緊貼凹盤內壁以達到更好固定傳感膜的效果；傳感膜支撐端外面為大小與緊固螺孔相同且分布均勻的螺孔，用于把傳感膜固定在盒體上；傳感膜的外沿為磨圓端，以此盡可能減小傳感膜四周尖端造成的應力集中等干擾因素。將傳感膜上的螺孔與凹盤四周的緊固螺孔一一對齊，然后把螺絲擰進螺孔中，以此將傳感膜緊固在盒體上。將光纖光柵(FBG)的引出光纜從光纖通道引入到盒體貫穿口中，然后再從盒體貫穿口引出盒體外。