[发明专利]一种光纤光栅三维应力监测传感器的标定方法

说明书

本发明公开了一种光纤光栅三维应力传感器的标定方法，步骤是：1、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；2、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等参数建立模型；3、建立关系式[D]{σ}＝{ε}，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；4、通过求得的应变量求得应力应变关系矩阵中的各个量，得到了D矩阵；5：根据九个应变光栅的波长变化值得到九个应变量，从而得到六个应力分量，即传感器周围岩体的三维应力值。有效地得到三维应力传感器的标定系数，解决了现有技术无法保证传感器的测量精度的问题。

技术领域

本发明属于岩土工程、采矿工程、地下工程应力测试技术领域，尤其涉及一种光纤光栅三维应力监测传感器的标定方法，适用于隧道及煤矿围岩体的应力测量等方面。

背景技术

煤岩体的开采过程势必会对采场围岩应力造成扰动，导致应力场重新分布，采场出现应力集中。围岩三维应力是引起工程失稳、破坏的直接因素，因此对围岩三维应力的监测十分重要，尤其在采矿、岩土等地下工程领域。

开采前煤岩体处于三维应力平衡状态，开采活动打破了原有的应力平衡，引起上覆岩层大范围移动甚至断裂，导致采场三维空间中的宏观应力场重新分布，这种应力场的动态演化与发展必然为冲击地压的孕育、发生和发展创造条件；且冲击地压发生前期，煤岩中能量并未释放，内部的应力集中程度却有突然增高的现象。故灾害的发生首先体现在应力状态的变化上，应力变化是预测动力灾害的关键，应力状态的测量是实现动力灾害准确预报的基础。对煤矿开采来说，尤其要关注高地应力状态强烈扰动下的采动应力变化，研究采动应力分布的时空演化规律。因此，准确监测煤岩体三维应力对预测和防控冲击地压灾害具有重要意义。

相比传统的应变片式应力监测装置，光纤光栅三维应力监测传感器测量时间长、监测频率高、不受电磁干扰、耐腐蚀性较好，能够满足煤岩体三维应力的长期、动态监测的优点，但是目前使用的仍然是空心包体单层结构解析解，缺乏成熟的标定技术。

发明内容

鉴于现有的通过波长变化获得应力方法的缺陷或不足，本发明的目的是在于提供了一种光纤光栅三维应力监测传感器的标定方法，方法易行，操作简便，可以便捷、有效地得到三维应力传感器的标定系数，解决了现有技术无法保证传感器的测量精度的问题。

为实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种光纤光栅三维应力传感器的标定方法，其步骤是：

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，所述光纤光栅的栅区长度为5-10mm，栅区间隔大于10mm。

步骤1：在实验室进行，由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；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(20-25℃)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；

步骤2：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等参数建立模型；在步骤中，所述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，在所述立方体均质试样一个面的中心有以钻孔，钻孔垂直于所述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，那么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。