[实用新型]一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程监测领域，更具体涉及一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器，可用于岩土体的应力测试，尤其适用于软岩和土的应力测试。 

背景技术

土木工程监测领域现有压应力传感器大多只能测定一个方向的压力，中国专利号为ZL03212896.7、ZL200810246302.1、ZL201120082368.9的三个专利公开了几种压应力传感器，各具特色。但经综合比较与分析，现有压应力传感器主要存在下列几个问题：1）现有压应力传感器的传感原理大多是基于钢弦式的，该类传感器测试精度不够高、传感器长期稳定性不够好、易漂移、易受电磁干扰；或基于电阻应变片式的，该类传感器精度比较高，但是易受电磁干扰、量程不够大、长期稳定性也不够好；2）现有压应力传感器大多只能测得一个方向上的压力，不能同时测得三个方向上的压力；3）现有压应力传感器大多是基于电信号或电相关信号的，不是本质安全型的，不能在富含瓦斯的煤矿井下等恶劣环境中使用；4）现有压应力传感器很难做到对压力进行长期、实时监测。 

目前，土木工程岩体应力测试领域最常用的方法，主要有水压致裂法和应力解除法。对于水压致裂法，其钻孔封隔器需要在高水压下具备良好的水密封性能，因而该方法对岩体的完整性提出了苛刻的要求，因此水压致裂法更适宜用于完整硬岩体的应力测试。而且，该方法只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力，钻孔方向假设为一个主应力方向，本质上为二维应力测量方法。对于应力解除法来说，为了计算应力值，首先必须确定岩体的物理力学性质参数（如弹性模量E和泊松比μ等）以及所测物理量(应变)和应力的相互关系。对岩体，特别是对含有大量裂隙的松软岩体而言，其弹性模量E和泊松比μ等物理力学参数的取值与岩体所受的应力状态和岩体试件大小及形状密切相关，不同应力状态下不同大小的岩体试件通过试验得出的弹性模量E和泊松比μ的数值可相差数倍甚至十倍以上，这就要求采用应力解除法测试地应力时必须取得超过传感器长度（＞30cm）的完整岩芯，且在模拟应力解除过程中的应力状态（即厚壁圆筒外壁均匀受压的应力状态）下获取岩芯的弹性模量。很显然， 这些要求过于苛刻，例如，煤矿深部松软岩体多为泥质胶结，经受了高应力的作用，取芯过程中受水流冲刷和应力强卸荷作用，多数情况下连长度为10cm的短岩芯也难以获取，因而很难通过单轴压缩实验得到准确的岩体力学参数。因此，工程实践中利用应力解除法进行岩体应力测试并不理想。而其他的岩体地应力测试方法，比如声发射法等等，不仅无法胜任软岩的地应力测试，而且从原理上来说无法测得原岩应力。在土压应力监测领域，压力盒较多应用，而现有压力盒的不足之处在上文已叙述。 

综上所述，现有岩土体应力测试方法及装置在工程实践中的应用效果并不理想，需要发明新的岩土体压应力测试装置及方法。 

发明内容

本发明的目的是在于公开一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器，该装置本质安全，不受电磁干扰，长期稳定性好，量程大，精度高；可以实时监测一点的三个正应力分量。 

一种基于光纤光栅传感的岩土三向压应力传感器，包括立方体盒体，其特征在于：立方体盒体有六个面，其中共顶点的三个面为受力面，受力面为平面；另外共顶点的三个面各有一个凹盘，在凹盘的中心处有一个光纤通道，在凹盘的四周有大小相同、分布均匀的紧固螺孔；在三个面的凹盘上各连接一个传感膜，三个传感膜为圆形，中间小圆薄板为有效承压面，其内表面粘贴有光纤光栅，传感膜通过螺丝固定在盒体上；在受力面的顶点和凹盘所在面的顶点处分别有第一盒体贯穿口和第二盒体贯穿口,光纤通道与第一盒体贯穿口和第二盒体贯穿口相互相连。有效承压面内表面粘贴有光纤光栅，有效承压面的四周为传感膜支撑端。传感膜支撑端外面为大小与紧固螺孔相同且分布均匀的螺孔，传感膜通过螺丝与螺孔和紧固螺孔相连而固定在立方体盒体上，且传感膜的外沿为磨圆端。光纤光栅的引出光缆从光纤通道引入到立方体盒体第一盒体贯穿口或第二盒体贯穿口中。 

将岩土三向压应力传感器埋设于岩体或土中后，三向压应力传感器开始受到三向挤压。传感膜上的有效承压面首先感知应力，产生小挠度弹性弯曲，并产生相应的应变。根据应变传递理论，有效承压面中心处产生的最大应变将会传递给光纤光栅，于是光纤光栅被拉长，从而其布拉格中心波长发生漂移。根据光纤光栅传感理论，由中心波长漂移量可以计算出应变量的大小。再根据弹性理论，可以计算出应变量与有效承压面受到的压力之间的关系。从而通过一个岩土三向压应力传感器即可测得三个正应力。