[發明專利]一種用于深部軟巖應力測量的光纖光柵式六向壓力傳感器

有效

• 申請號: 201710490387.7
• 申請日: 2017-06-25
• 公開（公告）號: CN107063525B
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 朱元廣;劉泉聲;蘇興矩;郭建偉;楊戰標;劉濱;紀杰;盧興利
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢巖土力學研究所
• 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

技術領域

本發明屬于地應力測量領域，具體地涉及一種用于深部軟巖應力測量的光纖光柵式六向壓力傳感器。

背景技術

獲取準確的地應力測量數據是確定工程巖體力學性質，進行圍巖穩定性分析以及實現巖土工程開挖設計和決策科學化的重要前提。目前常用的地應力測量方法，如水壓致裂法和應力解除法一般適用于完整硬巖，碰到深部破碎軟弱的巖體，其測試成功率非常低。

流變應力恢復法是專門針對深部破碎軟弱圍巖而提出的一種地應力測量新方法，該方法利用深部破碎軟弱圍巖的強流變力學行為，采用在被測地點埋設多向壓力傳感器的方法來獲取圍巖的初始應力和擾動應力。根據連續介質力學理論，一點的應力狀態包含六個獨立的應力分量，即需要獲取六個獨立方向的正應力才能計算確定一點的應力狀態，因此需要發明一種可以同時測量六個方向正應力的壓力傳感器才能保證流變應力恢復法地應力測量技術的成功實施。目前巖土工程中常見的壓力傳感器大多用于土壓力測量，其測量量程較小，而且為單向壓力測量，難以滿足流變應力恢復法地應力測試的多方向及大量程要求。

發明內容

本發明的目的在于公開一種用于深部軟巖應力測量的光纖光柵式六向壓力傳感器，可以實現深部軟巖原巖應力和擾動應力分布的長期監測。具有量程大、靈敏度高、長期穩定性好等特點，而且在實際的制造過程中能夠保證光纖走線簡單、牢固、不易折斷。

一種用于深部軟巖應力測量的光纖光柵式六向壓力傳感器，包括實心球體，實心球體上半部設置有三個壓力傳感單元安裝槽，實心球體下半部設置有三個壓力傳感單元安裝槽，實心球體下半部還設置有圓柱形光纖槽，壓力傳感單元安裝槽內設置有光纖光柵壓力傳感單元，與光纖光柵壓力傳感單元連接的光纖沿開設在實心球體外表面上的光纖走線槽匯聚于圓柱形光纖槽中，實心球體外罩設有球形外殼，球形外殼上與圓柱形光纖槽位置對應的部分開設有圓柱形出線孔，球形外殼上與壓力傳感單元安裝槽位置對應的部分開設有圓柱形安裝孔。

如上所述的光纖光柵壓力傳感單元包括壓頭、密封環、拱形梁式光纖光柵應變計、底座墊圈、第一圓墊片和第二圓墊片，第二圓墊片設置在壓力傳感單元安裝槽槽底，第二圓墊片上設置有底座墊圈，底座墊圈底部內壁設置有底座墊圈卡環，第一圓墊片卡設在底座墊圈卡環內且放置在第二圓墊片上，拱形梁式光纖光柵應變計包括拱形梁中心拱和設置在拱形梁中心拱兩端的拱形梁伸長端，實心球體外表面上位于壓力傳感單元安裝槽兩側的部分均開設有伸長端安裝槽，伸長端安裝槽與光纖走線槽連通，拱形梁中心拱位于底座墊圈內，拱形梁中心拱兩端的拱形梁伸長端分別嵌設在壓力傳感單元安裝槽兩側的伸長端安裝槽中，且拱形梁中心拱兩端的拱形梁伸長端卡設在底座墊圈上的底座墊圈卡槽中，密封環的外環面和底座墊圈頂部的內環面通過螺紋連接，壓頭一端貫穿密封環與拱形梁中心拱相抵，壓頭另一端伸出圓柱形安裝孔，壓頭伸出圓柱形安裝孔的一端的端面為傳感面，壓頭與拱形梁中心拱相抵的一端設置有限位擋環，開設在拱形梁中心拱上的光纖安裝刻槽和開設在拱形梁伸長端上的光纖安裝刻槽連通，光纖光柵的中部設置在拱形梁中心拱的光纖安裝刻槽中，光纖光柵兩端固定在拱形梁伸長端上的光纖安裝刻槽內，與光纖光柵兩端連接的光纖通過光纖走線槽匯聚于圓柱形光纖槽中。

如上所述的球形外殼由第一半球形外殼和第二半球形外殼扣合而成。

如上所述的實心球體上半部設置的三個光纖光柵壓力傳感單元的壓頭的傳感面的法線與水平面的夾角均為45度，且實心球體上半部設置的三個光纖光柵壓力傳感單元的壓頭的傳感面的法線在水平面上的投影直線之間的相鄰夾角為60度；所述的實心球體下半部設置的三個光纖光柵壓力傳感單元的壓頭的傳感面的法線與水平面的夾角均為60度，且實心球體下半部設置的三個光纖光柵壓力傳感單元的壓頭的傳感面的法線在水平面上的投影直線之間的相鄰夾角為60度。

本發明相對于現有技術，具有以下優點：

1、本發明包含六個獨立方向的壓力傳感器面，可以確定被測試地點的應力狀態，實現了傳統壓力傳感器由單向壓力測量向完全應力狀態測量的轉變，使得巖體應力測量更加全面、準確。

2、采用光纖光柵壓力傳感單元，大大縮小了壓力傳感單元安裝所需的內部空間，進而保證拱形梁式光纖光柵應變計的外徑不超過80mm，滿足了深部巷道圍巖內鉆孔埋設壓力傳感器的小型化要求。

3、采用光纖傳感能夠對測量信號進行遠距離傳輸，便于實現巖體應力狀態的實時跟蹤監測，配合多點分布和波分復用技術，可以使多個壓力傳感器在測量工作中并聯同1條光纖，大大提高了地應力的測量效率。