[发明专利]一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器

说明书

技术领域

本发明属于地应力测量领域，具体地涉及一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器。

背景技术

获取准确的地应力测量数据是确定工程岩体力学性质，进行围岩稳定性分析以及实现岩土工程开挖设计和决策科学化的重要前提。目前常用的地应力测量方法，如水压致裂法和应力解除法一般适用于完整硬岩，碰到深部破碎软弱的岩体，其测试成功率非常低。

流变应力恢复法是专门针对深部破碎软弱围岩而提出的一种地应力测量新方法，该方法利用深部破碎软弱围岩的强流变力学行为，采用在被测地点埋设多向压力传感器的方法来获取围岩的初始应力和扰动应力。根据连续介质力学理论，一点的应力状态包含六个独立的应力分量，即需要获取六个独立方向的正应力才能计算确定一点的应力状态，因此需要发明一种可以同时测量六个方向正应力的压力传感器才能保证流变应力恢复法地应力测量技术的成功实施。目前岩土工程中常见的压力传感器大多用于土压力测量，其测量量程较小，而且为单向压力测量，难以满足流变应力恢复法地应力测试的多方向及大量程要求。

发明内容

本发明的目的在于公开一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器，可以实现深部软岩原岩应力和扰动应力分布的长期监测。具有量程大、灵敏度高、长期稳定性好等特点，而且在实际的制造过程中能够保证光纤走线简单、牢固、不易折断。

一种用于深部软岩应力测量的光纤光栅式六向压力传感器，包括实心球体，实心球体上半部设置有三个压力传感单元安装槽，实心球体下半部设置有三个压力传感单元安装槽，实心球体下半部还设置有圆柱形光纤槽，压力传感单元安装槽内设置有光纤光栅压力传感单元，与光纤光栅压力传感单元连接的光纤沿开设在实心球体外表面上的光纤走线槽汇聚于圆柱形光纤槽中，实心球体外罩设有球形外壳，球形外壳上与圆柱形光纤槽位置对应的部分开设有圆柱形出线孔，球形外壳上与压力传感单元安装槽位置对应的部分开设有圆柱形安装孔。

如上所述的光纤光栅压力传感单元包括压头、密封环、拱形梁式光纤光栅应变计、底座垫圈、第一圆垫片和第二圆垫片，第二圆垫片设置在压力传感单元安装槽槽底，第二圆垫片上设置有底座垫圈，底座垫圈底部内壁设置有底座垫圈卡环，第一圆垫片卡设在底座垫圈卡环内且放置在第二圆垫片上，拱形梁式光纤光栅应变计包括拱形梁中心拱和设置在拱形梁中心拱两端的拱形梁伸长端，实心球体外表面上位于压力传感单元安装槽两侧的部分均开设有伸长端安装槽，伸长端安装槽与光纤走线槽连通，拱形梁中心拱位于底座垫圈内，拱形梁中心拱两端的拱形梁伸长端分别嵌设在压力传感单元安装槽两侧的伸长端安装槽中，且拱形梁中心拱两端的拱形梁伸长端卡设在底座垫圈上的底座垫圈卡槽中，密封环的外环面和底座垫圈顶部的内环面通过螺纹连接，压头一端贯穿密封环与拱形梁中心拱相抵，压头另一端伸出圆柱形安装孔，压头伸出圆柱形安装孔的一端的端面为传感面，压头与拱形梁中心拱相抵的一端设置有限位挡环，开设在拱形梁中心拱上的光纤安装刻槽和开设在拱形梁伸长端上的光纤安装刻槽连通，光纤光栅的中部设置在拱形梁中心拱的光纤安装刻槽中，光纤光栅两端固定在拱形梁伸长端上的光纤安装刻槽内，与光纤光栅两端连接的光纤通过光纤走线槽汇聚于圆柱形光纤槽中。

如上所述的球形外壳由第一半球形外壳和第二半球形外壳扣合而成。

如上所述的实心球体上半部设置的三个光纤光栅压力传感单元的压头的传感面的法线与水平面的夹角均为45度，且实心球体上半部设置的三个光纤光栅压力传感单元的压头的传感面的法线在水平面上的投影直线之间的相邻夹角为60度；所述的实心球体下半部设置的三个光纤光栅压力传感单元的压头的传感面的法线与水平面的夹角均为60度，且实心球体下半部设置的三个光纤光栅压力传感单元的压头的传感面的法线在水平面上的投影直线之间的相邻夹角为60度。

本发明相对于现有技术，具有以下优点：

1、本发明包含六个独立方向的压力传感器面，可以确定被测试地点的应力状态，实现了传统压力传感器由单向压力测量向完全应力状态测量的转变，使得岩体应力测量更加全面、准确。

2、采用光纤光栅压力传感单元，大大缩小了压力传感单元安装所需的内部空间，进而保证拱形梁式光纤光栅应变计的外径不超过80mm，满足了深部巷道围岩内钻孔埋设压力传感器的小型化要求。

3、采用光纤传感能够对测量信号进行远距离传输，便于实现岩体应力状态的实时跟踪监测，配合多点分布和波分复用技术，可以使多个压力传感器在测量工作中并联同1条光纤，大大提高了地应力的测量效率。