[发明专利]一种光纤光栅三维应力监测传感器的标定方法

权利要求书

1.一种光纤光栅三维应力传感器的标定方法，所述三维应力传感器为空心包体式传感器，其测量元件为光纤布拉格光栅，其中至少六个方向互不相同，布设在空心包体内外层之间，其特征在于，包括以下步骤：

A、在实验室进行，实验获取仅由变形影响的光栅波长变化与应变间的关系ε_i＝kΔλ_i，式中，Δλ_i为第i个光栅的反射光中心波长变化量，k为光栅应变灵敏度系数，ε_i为第i个光栅对应的应变量；

B、根据传感器尺寸、围岩体尺寸、弹性钢弹性模量及泊松比、岩石弹性模量及泊松比、环氧树脂弹性模量及泊松比参数建立模型；

C、建立关系式[D]{σ}＝{ε}，式中，{ε}为应变量列矩阵，包含传感器九个应变光栅的应变值，{σ}为应力分量列矩阵，包含六个三维应力分量，[D]为岩体三维应力和光纤光栅三维传感器应变测量值之间的关系矩阵，分别施加三维应力中六个应力分量的单位力，获得单位应力条件下的应变量式中，σ_j为六个应力分量，分别是三个正应力σ_x、σ_y、σ_z和三个剪应力τ_xy、τ_yz、τ_zx，ε_i(1≤i≤9)为应变值；

D、通过上述步骤(C)求得的应变量求得应力应变关系矩阵中的各个量d_ij＝ε_i/σ_j，得到D矩阵；

E、获得{σ}＝[E]{ε}关系式中的[E]矩阵，根据九个光栅的波长变化值就得到围岩体的六个应力分量，通过转换得到[E]矩阵，根据九个应变光栅的波长变化值得到九个应变量，[E]矩阵与应变值的乘积便得到六个应力分量值，六个应力分量值便为传感器周围岩体的三维应力值。

2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅三维应力传感器的标定方法，其特征在于：所述的步骤A中，将连接解调仪的光纤光栅固定到施力件中，对施力件施加设定荷载，在保持温度恒定的情况下，测量光纤光栅的波长，并通过加载机采集系统得到与被测试光纤光栅对应的位移，应变量，通过光栅中心波长与应变量的变化情况光栅波长变化与应变间的关系。

3.根据权利要求1所述的一种光纤光栅三维应力传感器的标定方法，其特征在于：所述的步骤B中的模型为一均质立方体试样，用来模拟应力传感器安装位置围岩体，围岩体弹性模量根据安装位置实际情况而定，立方体边长为300mm，在立方体均质试样一个面的中心有一钻孔，钻孔垂直于立方体均质试样表面，长度为空心包体长度，直径为空心包体内径，圆孔外层依次是厚1.5mm的弹性钢和厚2mm的环氧树脂，整个模型由三种材料组成，整体为一个带有圆孔的立方体试件。

4.根据权利要求1所述的一种光纤光栅三维应力传感器的标定方法，其特征在于：所述的步骤C和步骤D中，{ε}有9个量，分别代表传感器中9个测量光纤光栅对应的应变值，{σ}为围岩体的6个三维应力分量，[D]为标定系数矩阵，如下：