專利名稱：一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應(yīng)力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及巖土工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，更具體涉及一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應(yīng)力傳感器，可用于巖土體的應(yīng)力測(cè)試，尤其適用于軟巖和土的應(yīng)力測(cè)試。
背景技術(shù)：
土木工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域現(xiàn)有壓應(yīng)力傳感器大多只能測(cè)定一個(gè)方向的壓力，中國(guó)專利號(hào)為 ZL03212896. 7、ZL200810246302. I、ZL201120082368. 9 的三個(gè)專利公開(kāi)了幾種壓應(yīng)力傳感器，各具特色。但經(jīng)綜合比較與分析，現(xiàn)有壓應(yīng)力傳感器主要存在下列幾個(gè)問(wèn)題1)現(xiàn)有壓應(yīng)力傳感器的傳感原理大多是基于鋼弦式的，該類傳感器測(cè)試精度不夠高、傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性不夠好、易漂移、易受電磁干擾；或基于電阻應(yīng)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(zhǎng)期穩(wěn)定性也不夠好；2)現(xiàn)有壓應(yīng)力傳感器大多只能測(cè)得一個(gè)方向上的壓力，不能同時(shí)測(cè)得三個(gè)方向上的壓力；3)現(xiàn)有壓應(yīng)力傳感器大多是基于電信號(hào)或電相關(guān)信號(hào)的，不是本質(zhì)安全型的，不能在富含瓦斯的煤礦井下等惡劣環(huán)境中使用；4)現(xiàn)有壓應(yīng)力傳感器很難做到對(duì)壓力進(jìn)行長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。目前，土木工程巖體應(yīng)力測(cè)試領(lǐng)域最常用的方法，主要有水壓致裂法和應(yīng)力解除法。對(duì)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(duì)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(yīng)力測(cè)試。而且，該方法只能確定垂直于鉆孔平面內(nèi)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，鉆孔方向假設(shè)為一個(gè)主應(yīng)力方向，本質(zhì)上為二維應(yīng)力測(cè)量方法。對(duì)于應(yīng)力解除法來(lái)說(shuō)，為了計(jì)算應(yīng)力值，首先必須確定巖體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(如彈性模量E和泊松比μ等)以及所測(cè)物理量(應(yīng)變)和應(yīng)力的相互關(guān)系。對(duì)巖體，特別是對(duì)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(xué)參數(shù)的取值與巖體所受的應(yīng)力狀態(tài)和巖體試件大小及形狀密切相關(guān)，不同應(yīng)力狀態(tài)下不同大小的巖體試件通過(guò)試驗(yàn)得出的彈性模量E和泊松比μ的數(shù)值可相差數(shù)倍甚至十倍以上，這就要求采用應(yīng)力解除法測(cè)試地應(yīng)力時(shí)必須取得超過(guò)傳感器長(zhǎng)度(> 30cm)的完整巖芯，且在模擬應(yīng)力解除過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)(即厚壁圓筒外壁均勻受壓的應(yīng)力狀態(tài))下獲取巖芯的彈性模量。很顯然，這些要求過(guò)于苛刻，例如，煤礦深部松軟巖體多為泥質(zhì)膠結(jié)，經(jīng)受了高應(yīng)力的作用，取芯過(guò)程中受水流沖刷和應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用，多數(shù)情況下連長(zhǎng)度為IOcm的短巖芯也難以獲取，因而很難通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)得到準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)。因此，工程實(shí)踐中利用應(yīng)力解除法進(jìn)行巖體應(yīng)力測(cè)試并不理想。而其他的巖體地應(yīng)力測(cè)試方法，比如聲發(fā)射法等等，不僅無(wú)法勝任軟巖的地應(yīng)力測(cè)試，而且從原理上來(lái)說(shuō)無(wú)法測(cè)得原巖應(yīng)力。在土壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，壓力盒較多應(yīng)用，而現(xiàn)有壓力盒的不足之處在上文已敘述。綜上所述，現(xiàn)有巖土體應(yīng)力測(cè)試方法及裝置在工程實(shí)踐中的應(yīng)用效果并不理想，需要發(fā)明新的巖土體壓應(yīng)力測(cè)試裝置及方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是在于公開(kāi)一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應(yīng)力傳感器，該裝置本質(zhì)安全，不受電磁干擾，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，量程大，精度高；可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一點(diǎn)的三個(gè)正應(yīng)力分量。—種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應(yīng)力傳感器，包括立方體盒體，其特征在于立方體盒體有六個(gè)面，其中共頂點(diǎn)的三個(gè)面為受力面，受力面為平面；另外共頂點(diǎn)的三個(gè)面各有一個(gè)凹盤，在凹盤的中心處有一個(gè)光纖通道，在凹盤的四周有大小相同、分布均勻的緊固螺孔；在三個(gè)面的凹盤上各連接一個(gè)傳感膜，三個(gè)傳感膜為圓形，中間小圓薄板為有效承壓面，其內(nèi)表面粘貼有光纖光柵，傳感膜通過(guò)螺絲固定在盒體上；在受力面的頂點(diǎn)和凹盤所在面的頂點(diǎn)處分別有第一盒體貫穿口和第二盒體貫穿口，光纖通道與第一盒體貫穿口和第二盒體貫穿口相互相連。有效承壓面內(nèi)表面粘貼有光纖光柵，有效承壓面的四周為傳感膜支撐端。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，傳感膜通過(guò)螺絲與螺孔和緊固螺孔相連而固定在立方體盒體上，且傳感膜的外沿為磨圓端。光纖光柵的引出光纜從光纖通道引入到立方體盒體第一盒體貫穿口或第二盒體貫穿口中。將巖土三向壓應(yīng)力傳感器埋設(shè)于巖體或土中后，三向壓應(yīng)力傳感器開(kāi)始受到三向擠壓。傳感膜上的有效承壓面首先感知應(yīng)力，產(chǎn)生小撓度彈性彎曲，并產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。根據(jù)應(yīng)變傳遞理論，有效承壓面中心處產(chǎn)生的最大應(yīng)變將會(huì)傳遞給光纖光柵，于是光纖光柵被拉長(zhǎng)，從而其布拉格中心波長(zhǎng)發(fā)生漂移。根據(jù)光纖光柵傳感理論，由中心波長(zhǎng)漂移量可以計(jì)算出應(yīng)變量的大小。再根據(jù)彈性理論，可以計(jì)算出應(yīng)變量與有效承壓面受到的壓力之間的關(guān)系。從而通過(guò)一個(gè)巖土三向壓應(yīng)力傳感器即可測(cè)得三個(gè)正應(yīng)力。當(dāng)兩個(gè)巖土三向壓應(yīng)力傳感器通過(guò)特定方式組合在一起后，即可測(cè)得六個(gè)正應(yīng)力分量，根據(jù)應(yīng)力轉(zhuǎn)軸理論等即可解算出一點(diǎn)的空間應(yīng)力狀態(tài)。巖土三向壓應(yīng)力傳感器的工作原理傳感膜中間的小圓實(shí)際上為一個(gè)周邊固定的圓形薄板，根據(jù)彈性理論，在均布橫向荷載作用下，圓形薄板將產(chǎn)生小撓度彈性彎曲，圓形薄板中心處的最大應(yīng)變與橫向荷載的關(guān)系為
權(quán)利要求1.一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應(yīng)力傳感器，包括立方體盒體(I)，其特征在于立方體盒體(I)有六個(gè)面，其中共頂點(diǎn)的三個(gè)面為受力面(3)，受力面(3)為平面；另外共頂點(diǎn)的三個(gè)面各有一個(gè)凹盤(1-4),在凹盤(1-4)的中心處有一個(gè)光纖通道(1-5),在凹盤的四周有大小相同、分布均勻的緊固螺孔(1-3);在三個(gè)面的凹盤(1-4)上各連接一個(gè)傳感膜(2)，三個(gè)傳感膜(2)為圓形，中間小圓薄板為有效承壓面(2-5)，其內(nèi)表面粘貼有光纖光柵(2-2)，傳感膜(2)通過(guò)螺絲(2-6)固定在盒體(I)上；在受力面(3)的頂點(diǎn)和凹盤(1-4)所在面的頂點(diǎn)處分別有第一盒體貫穿口(1-2)和第二盒體貫穿口(3-2)，光纖通道(1-5)與第一盒體貫穿口(1-2)和第二盒體貫穿口(3-2)相互相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應(yīng)力傳感器，其特征在于所述的有效承壓面(2-5)內(nèi)表面粘貼有光纖光柵(2-2)，有效承壓面(2-5)的四周為傳感膜支撐端(2-3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應(yīng)力傳感器，其特征在于所述的傳感膜支撐端(2-3)外面為大小與緊固螺孔(1-3)相同且分布均勻的螺孔(2-1)，傳感膜(2)通過(guò)螺絲(2-6)與螺孔(2-1)和緊固螺孔(1-3)相連而固定在盒體(I)上，且傳感膜(2)的外沿為磨圓端(2-4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應(yīng)力傳感器，其特征在于所述光纖光柵(2-2)的引出光纜從光纖通道(1-5)引入到立方體盒體第一盒體貫穿口(1-2)或第二盒體貫穿口(3-2)中。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于光纖光柵傳感的巖土三向壓應(yīng)力傳感器，它包括立方體盒體，盒體有六個(gè)面，其中共頂點(diǎn)的三個(gè)面為受力面,另外共頂點(diǎn)的三個(gè)面各有一個(gè)凹盤，稱為凹盤面；凹盤的四周有大小相同、分布均勻的緊固螺孔，凹盤的中心處有一個(gè)光纖通道，凹盤上連接著傳感膜；傳感膜中間的小圓薄板為有效承壓面，其內(nèi)表面粘貼有光纖光柵，有效承壓面的四周為傳感膜支撐端，支撐端周圍有大小相同、分布均勻的螺孔；受力面頂點(diǎn)處與凹盤面頂點(diǎn)處均有盒體貫穿口，光纖通道與兩盒體貫穿口相互相連。該巖土三向壓應(yīng)力傳感器本質(zhì)安全，不受電磁干擾，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，量程大，精度高，密封性能好，耐壓，耐腐蝕等。
文檔編號(hào)G01L1/24GK202770568SQ201220139720
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者劉泉聲, 張芳, 張程遠(yuǎn), 薛俊華, 袁亮, 羅勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司