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申请/专利权人：中国科学院武汉岩土力学研究所

摘要：本申请公开了一种大量程光纤光栅孔径变形计及其校核方法，变形计包括：壳体；设于所述壳体内部的固定基材，其包括一对沿轴向布置且相对于变形计的轴心对称设置的悬臂梁、和连接两个所述悬臂梁的仅可沿径向刚性移动的刚性连接件；刚性传力件，其设于所述悬臂梁上，具有朝向外侧且突出于所述壳体的用以与钻孔侧壁接触的突出部，当所述钻孔侧壁发生变形时，所述突出部带动所述悬臂梁发生相应的挠度变形；设于所述悬臂梁上的测量光纤光栅，其光栅波长随着所述悬臂梁挠度的变化而发生变化。

主权项：1.一种长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，其特征在于，包括：壳体；设于所述壳体内部的固定基材，其包括至少一对沿轴向布置且相对于变形计的轴心对称设置的悬臂梁、和连接两个所述悬臂梁的仅可沿径向刚性移动的刚性连接件；刚性传力件，其设于所述悬臂梁上，具有朝向外侧且突出于所述壳体的用以与钻孔侧壁接触的突出部，当所述钻孔侧壁发生变形时，所述突出部带动所述悬臂梁发生相应的挠度变形；设于所述悬臂梁上的测量光纤光栅，其光栅波长随着所述悬臂梁挠度的变化而发生变化；所述悬臂梁包括等强度梁区，所述光纤光栅设在所述等强度梁区处；所述变形计还包括用以设置所述固定基材的固定支座；所述固定支座包括与壳体固定连接的支座连接部和用以设置所述固定基材的基材固定部；所述基材固定部为圆柱体结构，其上设有用以所述刚性连接件穿过的贯通孔，所述贯通孔的尺寸与所述刚性连接件的截面尺寸相匹配，并仅允许所述刚性连接件发生沿径向的刚性移动。

全文数据：一种大量程光纤光栅孔径变形计及其校核方法技术领域[0001]本公开一般涉及地下工程围岩应力测试领域，具体涉及一种长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计及其校核方法。背景技术[0002]随着煤炭开采深度的增加，地质条件越来越复杂，围岩应力不断增加，冲击地压灾害倾向性不断增强，严重威胁着井下人员与设备的安全。围岩应力场直接影响到岩煤体的受力、变形与破坏，是预测冲击地压灾害的基础资料；因此，长期准确监测围岩应力对预测冲击地压灾害具有较高的指导作用。[0003]孔径变形法是发展时间最长，技术比较成熟的一种围岩应力测试方法。具有广泛的适用性及较高的可靠性。传统孔径变形法是通过测量钻孔直径的变形而计算出垂直于钻孔轴线的平面内的应力状态，并通过三个互不平等钻孔的测量确定一点的三维应力状态。由于孔径变形法无需通过胶将传感器与岩壁粘在一起，其安装过程简单、影响因素少、测量精度高。但目前采用的孔径变形计是通过应变片来计算孔径变形及相应围岩应力。由于电阻式应变片的耐腐蚀及抗电磁干扰性差，难于运用在井下复杂电磁场地条件。同时，由于电阻应变片在温度变化时易发生漂移且输出信号衰减快，无法适应温度变化明显、长距离采集与传输等条件。因此，目前采用的孔径变形计仅用于围岩原岩应力的短期测量中而不能运用于围岩应力的长期监测。[0004]光纤光栅传感是一种新型传感技术，它将光纤光栅粘附在基材上，当基材受外力变形时，光栅的波长会发生变化，通过光栅波长的变化计算基材的变形及应力。公开文件[公开号：CN107328370A、CN206818160U]基于光纤光栅传感原理，将光纤光栅固定在钢环上，解决了长期监测围岩应力的技术问题;但由于结构形式的限制，其最大量程不超过1.0mm。当遇相对较软围岩且应力变化较大的情况时，钻孔孔径变形较大，该公开传感器光纤光栅会发生啁嗽现象，无法准确监测围岩应力变化。因此，急需研制一种能够长期监测围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，以解决不同围岩类型中应力长期监测的技术问题。发明内容[0005]鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计及其校核方法。[0006]第一方面，本申请实施例提供了一种长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，包括：壳体；设于所述壳体内部的固定基材，其包括至少一对沿轴向布置且相对于变形计的轴心对称设置的悬臂梁、和连接两个所述悬臂梁的仅可沿径向刚性移动的刚性连接件；刚性传力件，其设于所述悬臂梁上，具有朝向外侧且突出于所述壳体的用以与钻孔侧壁接触的突出部，当所述钻孔侧壁发生变形时，所述突出部带动所述悬臂梁发生相应的挠度变形；设于所述悬臂梁上的测量光纤光栅，其光栅波长随着所述悬臂梁挠度的变化而发生变化。[0007]本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。[0008]所述悬臂梁包括等强度梁区，所述光纤光栅设在所述等强度梁区处，即使两个测量光纤光栅沿悬臂梁的安装位置有差异，也能保证每对悬臂梁对应的两支光纤光栅测得的波长变化相等，即，确保监测数值的准确性和稳定性。[0009]所述测量光纤光栅至少设置四对，四对所述测量光纤光栅在所述壳体沿横截面的圆形投影中均匀分布。即四对测量光纤光栅在垂直轴线平面的投影内均匀布置，局部坐标系下分别对应〇°、45°、90°、135°。[0010]根据弹性力学理论，各测量光纤光栅的波长变化存在如下关系,在实际监测过程中，可采用上述关系对结果进行检验与校核，可及时剔除不合理结果，大幅提高了监测精度。[0011]所述悬臂梁采用弹簧钢制成。[0012]变形计还包括用以设置所述固定基材的固定支座。[0013]所述固定支座包括与壳体固定连接的支座连接部和用以设置所述固定基材的基材固定部。[0014]所述基材固定部为圆筒形结构，其上设有用以所述刚性连接件穿过的过孔，所述过孔的尺寸与所述刚性连接件的截面尺寸相匹配，并限制所述刚性连接件的转动，以保证刚性连接件仅可沿径向出现刚性移动。[0015]所述固定支座包括用以固定同一个刚性连接件的第一固定支座部件和第二固定支座，所述第一和第二固定支座均固定设于所述壳体内，所述第一固定支座上设有第一过孔，所述第二固定支座上设有第二过孔，所述第一和第二过孔用以穿过所述刚性连接件并仅允许所述刚性连接件发生沿径向的刚性移动。[0016]变形计还包括设于所述壳体后端的处于自由变形状态的温补光纤光栅。[0017]第二方面，本申请实施例还提供了一种长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计的校核方法，包括以下步骤：将变形计设于有机玻璃块的中心贯穿圆孔中，所述有机玻璃块的材质均匀、各向同性；对所述有机玻璃块施加压力，所述压力的方向与平行于所述圆孔轴线方向的平面垂直，检验不同方位上的测量光纤光栅波长变化与压力变化是否呈良好的线性关系，若否，则变形计校核不合格；检验每对悬臂梁上相应的两只光纤光栅波长变化是否相等，若否，则所述变形计校核不合格；检验彼此错开的两队光纤光栅波长变化值的和与另两对光纤光栅波长变化值的和是否相等，若否，则所述变形计校核不合格。[0018]本申请实施例提供的光纤光栅孔径变形计，基于光纤光栅传感原理，并将光纤光栅焊接在由弹簧钢制作的悬臂梁上，并且成对的悬臂梁可沿径向发生刚性移动，可以保证测量的准确性。上述结构保证了变形计具有抗电磁干扰、耐腐蚀、精度高、长期稳定性好等特点。同时，本申请实施例采用悬臂梁为光纤光栅基材，可通过调整梁的长度来调整变形计的量程，能够适应不同岩性、不同应力水平条件下的围岩应力长期监测，提高了变形计的适用范围，从而解决了复杂环境下围岩三维应力长期监测的难题。[0019]附图说明[0020]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1示出了本申请实施例中变形计结构示意图；图2示出了本申请实施例中固定支座结构示意图；图3示出了本申请实施例中悬臂梁分布图；图4示出了本申请实施例中悬臂梁正视图；图5示出了本申请实施例中悬臂梁俯视图；图6示出了本申请实施例中悬臂梁左视图；图7示出了本申请实施例中孔壁变形与测量光纤光栅波长变化曲线；图8示出了本申请实施例中精度标定试验施加压力与各光纤光栅波长变化关系曲线；图9示出了本申请实施例中精度标定试验每对悬臂梁上两支光纤光栅波长变化曲线；图10示出了本申请实施例中精度标定试验不同方位光纤光栅变化曲线；图11示出了本申请实施例中不同变形量条件下测量光纤光栅波长变化曲线；图12示出了本申请实施例中悬臂梁式孔径应变计应力计算误差结果；图13示出了本申请另一实施例中固定支座结构正视图。[0021]其中，卜不锈钢外壳，2-固定支座，3-悬臂梁，4-测量光纤光栅，5-传力帽，6-温补光纤光栅，7-铠装光缆，8-刚性连接件，9-支座连接部，10-基材固定部，11-第一固定支座，12-第二固定支座。[0022]具体实施方式[0023]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分而不是全部的实施例。为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。[0024]需要说明的是，在不冲突的情况下，通常在此附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0025]在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“轴向”、“横向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。[0026]在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，属于“设置”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0027]请参考图1，其示出了一种长期测量围岩应力的光纤光栅孔径变形传感器，主要包括不锈钢外壳1、固定支座2、悬臂梁3、测量光纤光栅4、传力帽5、温补光纤光栅6、销装光缆7〇[0028]不锈钢外壳1采用不锈钢材质，沿轴线分为三段，前段为半球形，在进钻孔时起导向作用，球半径为3cm;中部及后端开圆柱形空腔，中部主要用以布置测量设置，其为圆筒形，长12cm，外径取34mm，厚度取4mm;后端为锥形段，用于卡紧岩壁固定传感器，其壁厚4mm，长10cm。[0029]固定支座通过螺栓固定在不锈钢外壳的空腔内，采用不锈钢材质，由三部分组成，前端为用以作为支座连接部9的圆盘、与不锈钢外壳固定，中部为作为基材固定部10的圆柱体，其用于固定悬臂梁，后端为带有穿线孔的圆盘，作为光纤的通道。固定支座2的前后端均采用外径为28mm的圆盘，高度5mm;中间为外径为20mm的圆柱体，高度取8cm。悬臂梁成对设置，每对悬臂梁之间通过刚性连接件8连接，如图4所示。圆柱体上设有沿直径方向设置的用以刚性连接件穿过的贯通孔，贯通孔的截面形状尺寸与刚性连接件的截面尺寸大致相同，从而使刚性连接件穿过轴心、能沿径向自由运动，并约束刚性连接件的转动和沿其他方向的移动。悬臂梁与刚性连接件连接的固定端的位移被固定支座限定，因此悬臂梁只能发生径向移动而不能发生转动或环向位移。悬臂梁为由弹簧钢制作成的等强度梁，即当悬臂梁变形时梁表面任一位置的应变相同；其采用60Si2MnA弹簧钢材质，长35_，厚度取I_，宽度3-6mm线性变化）。[0030]在本实施例中，设置四对悬臂梁。值得注意的是，即使设置少于四对、甚至是设置一对悬臂梁，由于其也能测量某一个或某几个直径方向的变形量，也在本申请的保护范围之内。[0031]本申请实施例中，四对悬臂梁沿变形计轴线方向等间距排列（相邻间隔7mm，在垂直轴线平面内均匀布置如图3所示，局部坐标系下分别对应0°、45°、90°、135°。测量光纤光栅4焊接在悬臂梁3内侧等强度区域，如图4所示，光纤光栅测量悬臂梁弯曲方向应变。[0032]可以理解的是，上述固定支座还可以采用其他的具体形式来实现相应功能。比如用以固定一个刚性连接件的基材固定部10也可以是沿轴向对称设置的两个部件，每个部件可以是整体结构，也可以是可拆卸的结构。只要固定支座包括用以和壳体固定连接的支座连接部，和用以刚性连接件穿过的过孔，该过孔仅允许刚性连接件发生沿径向的刚性移动，均在本申请的保护范围之内。如图13,其示出了某一个具体的实施例，图中仅标出一对基材固定部和一对悬臂梁的情况:基材固定部10包括用以固定同一个刚性连接件的第一固定支座11和第二固定支座12,所述第一和第二固定支座均固定设于所述壳体内，所述第一固定支座上设有第一过孔，所述第二固定支座上设有第二过孔，所述第一和第二过孔用以穿过所述刚性连接件8并仅允许所述刚性连接件发生沿径向的刚性移动。在这种实施例中，同一个刚性连接件的固定在两个相对设置的具有过孔的固定件上，如果需要四对悬臂梁，则需要对应的四对固定支座。[0033]作为刚性传力件的传力帽5采用不锈钢材质，前端与孔壁接触，为直径为5mm的半球形;后端为与悬臂梁接触的圆柱形，其直径为5mm。[0034]可以理解的是，刚性传力件不限定于上述特定的结构形式，只要满足“设于所述悬臂梁上，具有朝向外侧且突出于所述壳体的用以与钻孔侧壁接触的突出部，当所述钻孔侧壁发生变形时，所述突出部带动所述悬臂梁发生相应的挠度变形均”，均在本申请的保护范围之内。[0035]测量光纤光栅4及温补光栅6栅区长度6mm，中心波长变化范围为±3nm。[0036]温补光纤光栅6位于不锈钢外壳1后端，处于自由变形状态，用于测量温度变化。4对测量光纤光栅及1支温补光纤光栅在传感器后端与铠装光缆7熔接后与光纤解调仪进行通讯。[0037]试验过程中将围岩变形传递至悬臂梁上。每个悬臂梁上有1支测量光纤光栅，位于悬臂梁的内表面等强度区，用于测量悬臂梁表面应变。通过光纤解调仪读取各测量光纤光栅与温补光纤光栅的波长变化，进而计算得到孔壁变形及围岩应力。[0038]为对该发明的精度进行检验，特设定以下标定试验：[0039]1悬臂梁变形-波长变化标定:将变形计放置在位移标定架上并连接光纤解调仪。通过对悬臂梁施加不同的变形，得到不同变形条件下的测量光纤光栅波长变化。如图7所示，从图中可以看出，随着悬臂梁加载端变形量不断增加，光栅波长变化不断增加，两者接近线性关系:ιι=1λ。同时，变形计最大变形量达到3mm，较现有变形计的量程有大幅提尚。[0040]2传感器精度校核：[0041]第一步:安装变形计。选取材质均匀、各向同性的有机玻璃块，尺寸为30cmX30cmX30cm，其中在有机玻璃块一面的中心位置开直径为38mm的贯穿圆孔。将传感器安装在圆孔中，通过调整传力帽长度使悬臂梁有一定的初始压缩量。将变形计后端的铠装光缆7连接解调仪，通过电脑对各光纤光栅的波长进行记录。[0042]第二步:加载。将有机玻璃块放置在刚性伺服压力机上，在平行于圆孔轴线方向的平面上施加压力。图8为不同方位光纤光栅波长变化随压力变化曲线。从图中可以看出，不同方位上光纤光栅波长变化与压力变化具有良好的线性关系。[0043]第三步:检验校核。首先，检验每对悬臂梁上两支光纤光栅波长变化是否相等。如图9所示，从图中可以看出，0°方位的两支光纤光栅波长变化基本相等，其余三对也具有相似规律。其次，检验4个不同方位波长变化两两相加是否相等，从图10中可以看出，0°+90°与45°+135°基本相等。能过上述检验表明，试验结果可靠。第四步:应力计算。根据图8中不同方位光纤光栅波长变化量，根据波长变化量与悬臂梁变形孔壁变形）间的关系-u=dA，即可得到不同方位的孔壁变形;然后采用弹性力学理论，已知有机玻璃的弹性模量为2.7GPa，泊松比为0.3计算得到有机玻璃块在垂直钻孔平面内的三个应力分量，如图12所示。对比计算值与实际实施的压力值，计算得到相应误差。从图12中可以看出，该变形计测得的压力值最大误差约为7%。由此证明该变形计具有良好的精度。3变形计长期稳定性校核采用位移标定架对悬壁梁两端施加不同的位移，并保证位移恒定，通过波长的变化检测变形计的长期稳定性。从图11可以看出，施加14天的时间里，光纤光栅波长的几乎没有变化，证明该变形计具有良好的长期稳定性，能够适应长期监测的要求。[0044]本申请实施例与现有技术相比，具有以下优点和效果：本申请实施例基于光纤光栅传感技术，克服了传统电阻式围岩应力传感器抗干扰差、易腐蚀、温度漂移等问题;采用等强度梁为光栅基材，大幅提高了变形计的适用范围；从而解决了复杂环境下围岩三维应力长期监测的难题。[0045]本申请实施例中基于光纤光栅传感原理，并将光纤光栅焊接在由弹簧钢制作的悬臂梁上。上述结构保证了变形计具有抗电磁干扰、耐腐蚀、精度高、长期稳定性好等特点。同时，本申请实施例采用于悬臂梁为光纤光栅基材，可通过调整梁的长度来调整变形计的量程，能够适应不同岩性、不同应力水平条件下的围岩应力长期监测，提高了变形计的适用范围。[0046]本申请实施例中悬臂梁采用等强度梁，光纤光栅固定在悬臂梁的等强度区，且每对悬臂梁可沿径向移动；从而保证了每对悬臂梁对应的两支光纤光栅测得的波长变化相等，g卩，同时，四对悬臂梁在垂直变形计轴线方向的平面内均匀分布（即分别对应局部坐标系下的〇°，45°，90°，135°，根据弹性力学理论存在如下关系在实际监测过程中，可采用上述两个关系对结果进行检验与校核，可及时剔除不合理结果，大幅提高了监测精度。[0047]以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的但不限于具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

权利要求：1.一种长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，其特征在于，包括：壳体；设于所述壳体内部的固定基材，其包括至少一对沿轴向布置且相对于变形计的轴心对称设置的悬臂梁、和连接两个所述悬臂梁的仅可沿径向刚性移动的刚性连接件；刚性传力件，其设于所述悬臂梁上，具有朝向外侧且突出于所述壳体的用以与钻孔侧壁接触的突出部，当所述钻孔侧壁发生变形时，所述突出部带动所述悬臂梁发生相应的挠度变形；设于所述悬臂梁上的测量光纤光栅，其光栅波长随着所述悬臂梁挠度的变化而发生变化。2.根据权利要求1所述的长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，其特征在于，所述悬臂梁包括等强度梁区，所述光纤光栅设在所述等强度梁区处。3.根据权利要求2所述的长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，其特征在于，所述测量光纤光栅至少设置四对，四对所述测量光纤光栅在所述壳体沿横截面的圆形投影中均匀分布。4.根据权利要求1所述的长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，其特征在于，所述悬臂梁采用弹簧钢制成。5.根据权利要求1所述的长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，其特征在于，所述变形计还包括用以设置所述固定基材的固定支座。6.根据权利要求5所述的长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，其特征在于，所述固定支座包括与壳体固定连接的支座连接部和用以设置所述固定基材的基材固定部。7.根据权利要求6所述的长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，其特征在于，所述基材固定部为圆柱体结构，其上设有用以所述刚性连接件穿过的贯通孔，所述贯通孔的尺寸与所述刚性连接件的截面尺寸相匹配，并仅允许所述刚性连接件发生沿径向的刚性移动。8.根据权利要求5所述的长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，其特征在于，所述固定支座包括用以固定同一个刚性连接件的第一固定支座和第二固定支座，所述第一和第二固定支座均固定设于所述壳体内，所述第一固定支座上设有第一过孔，所述第二固定支座上设有第二过孔，所述第一和第二过孔用以穿过所述刚性连接件、并仅允许所述刚性连接件发生沿径向的刚性移动。9.根据权利要求1所述的长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计，其特征在于，变形计还包括设于所述壳体后端的处于自由变形状态的温补光纤光栅。10.—种长期测量围岩应力的大量程光纤光栅孔径变形计的校核方法，其特征在于，包括以下步骤：将变形计设于有机玻璃块的中心贯穿圆孔中，所述有机玻璃块的材质均匀、各向同性；对所述有机玻璃块施加压力，所述压力的方向与平行于所述圆孔轴线方向的平面垂直，检验不同方位上的测量光纤光栅波长变化与压力变化是否呈良好的线性关系，若否，则变形计校核不合格；检验每对悬臂梁上相应的两只光纤光栅波长变化是否相等，若否，则所述变形计校核不合格；检验彼此错开的两队光纤光栅波长变化值的和与另两对光纤光栅波长变化值的和是否相等，若否，则所述变形计校核不合格。

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