[發明專利]一種基于三維光纖地應力傳感器的應力敏感元件

有效

• 申請號: 201611050876.2
• 申請日: 2016-11-24
• 公開（公告）號: CN106644203B
• 公開（公告）日: 2019-02-19
• 發明（設計）人: 張建國;紀杰;呂有廠;郭建偉;楊戰標;朱元廣
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所;中國平煤神馬能源化工集團有限責任公司
• 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: 李鵬;王敏鋒

本發明公開了一種基于三維光纖地應力傳感器的應力敏感元件，包括傳感器承載板，還包括筒狀的傳感器外殼，傳感器外殼的上筒口與傳感器膜片連接，傳感器膜片的上表面通過圓柱形凸起與傳感器承載板連接，傳感器外殼的下筒口與傳感器底面連接，傳感器底面的上設置有應力敏感元件導線孔，傳感器底面上設置有懸臂梁型夾具，傳感器膜片的下表面與圓形截面鉤具一端連接，圓形截面鉤具另一端彎延至應力敏感元件導線孔內，光纖布拉格光柵設置在懸臂梁型夾具和圓形截面鉤具之間。本發明可適用于煤礦井下作業環境。依托光纖傳導不易受電磁及電阻抗等外界環境干擾的特點，具有較強的遠距離傳輸穩定性，可完全克服光纖啁啾效應。

技術領域

本發明屬于巖土測量技術領域，具體地涉及一種基于三維光纖地應力傳感器的應力敏感元件，作為三維光纖地應力傳感器的核心部件，將傳感面感知應力變形轉化為光纖應變。

背景技術

目前，全國國有重點煤礦巷道中，深部巷道占有28％～30％，可以預見在未來10年內將會有越來越多的礦井進入超千米深部開拓開采階段，我國將成為世界上煤炭資源開采深度最大的國家。

然而深部圍巖軟弱破碎，常用的地應力測試方法和測試系統大多難以有效投入使用。例如水壓致裂法，其本身的測試特點決定其適用于完整性較好的巖體中，且本質上屬于二維地應力測試方法。而另一種常用的地應力測試方法套芯應力解除法，在使用前需要事先假定被測巖體的物理力學性質參數和相應本構關系，且在深部軟巖賦存條件下的實際操作過程中，符合要求的完整巖芯獲取成功率較低。因此傳統地應力測試方法在深部巷道的軟弱破碎圍巖中幾乎無法滿足工程上的使用要求。

為解決現有地應力測試方法無法勝任工程實際這一越來越突出的矛盾，三維光纖地應力傳感器應運而生。市場上現有數種應力傳感器，并不適用于深部圍巖或深埋隧道賦存條件。在此環境下實際應用中存在一些問題。常規的應力傳感器普遍只能實現一維應力的測量，無法同一時間得到被測地點的空間地應力狀態。此外現有傳感器大多是基于電信號作為信號傳輸工具，沒有考慮過井下對防爆防靜電的特殊要求，未取得防爆合格證與安全標識，無法在富含瓦斯等易燃易爆氣體的煤礦井下惡劣環境中投入正常使用。除此以外，中國專利中公開的幾種三維應力傳感器未形成成型產品批量投入市場，其公布的測試技術與裝置組件尚不完善。

應力無法直接通過任何測量工具測量?，F有應力傳感器均是通過對應變的間接測量來感知應力。因此，應力敏感元件是三維光纖地應力傳感器的核心部件，它將傳感器感知到的應力通過光纖應變轉化為能夠直接獲取的光頻率信號，再通過后期調制解調系統進行解調，還原為被測地點的三維地應力數值。傳統應力敏感元件主要包括有：①彈性圓柱(分為實心和空心兩種)，該元件結構簡單，可承受很大載荷；但產生的位移很小，所以往往以應變作為輸出量；②懸臂梁，又分為等截面梁和等強度梁，它結構簡單，靈敏度高，多用于較小力的測量，以應變或自由端的位移作為輸出量；③扭轉棒，其主要應用于扭矩傳感器；④圓形膜片或圓形波紋膜片，期一般用于測量流體中的壓力差。由于三維光纖地應力傳感器內部空間窄小，既要滿足防爆要求傳輸光信號，又需克服光纖光柵自身存在的啁啾效應，可以看出，現有的應力敏感元件均不適用于該裝置。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的缺陷，提供一種基于三維光纖地應力傳感器的應力敏感元件，作為感知應力信號到光頻率數字信號之間的轉化裝置，用于深部巷道或深埋隧道的破碎軟弱圍巖地應力測試之中。基于該應力敏感元件，傳感器可實現對測量對象圍巖內部應力值的間接獲取，同時可以即時長期監測圍巖應力值的變化。通過該元件傳輸的光頻率信號是數字信號的一種，具有遠距離傳輸信號不失真的優點，信號值不受環境、溫度、電阻抗的干擾的影響，具有很好的抗干擾和耐環境的能力。