[发明专利]一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程测量领域，具体地涉及一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器。

背景技术

在岩土工程领域，通过应力测量获得土体或岩体的应力状态是实现工程稳定性分析与安全性评价的重要条件之一。

目前，土体应力测量主要是通过在土体中埋设土压力盒(或称土压力计)的方式实现。常用的土压力盒大多为单向压力传感，其只能测得某一方向的正应力。根据弹性力学理论可知，一点的完全应力状态包含六个独立的应力分量，这就意味着获取土体应力状态需要埋设六个不同角度的土压力盒。很显然，这种方法不仅埋设繁琐，而且由于土压力盒的分散布置，很难测得同一点的应力状态。对于岩体应力测量，常用的刚性包体应力计大多也只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，而不能用于岩体应力状态测量。因此，不论在土体还是岩体应力测量中，均需研发一种能够直接测量应力状态的压力传感器。

发明内容

本发明的目的在于公开一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，可以实现土体或深部软岩完全应力状态的实时监测及测量信号远距传输。

一种用于岩土完全应力测量的光纤光栅式压力传感器，包括球形壳体，球形壳体的上半部分设置有三个圆柱形孔，球形壳体的下半部分设置有三个圆柱形孔，每个圆柱形孔的中心线过球形壳体的球心且各个圆柱形孔在球形壳体的球心相通，圆柱形孔包括从球形壳体表面到球心依次减小且共中心线的第一直径安装孔、第二直径安装孔、第三直径安装孔，第一直径安装孔内设置承载板、传力柱和感应膜，第二直径安装孔内设置立柱和光纤光栅应变计，第三直径安装孔设置光纤，承载板与传力柱一端连接，传力柱另一端与感应膜一面连接，感应膜另一面通过两个立柱与光纤光栅应变计连接，光纤光栅应变计与光纤连接。

如上所述的承载板与第一直径安装孔之间通过密封圈密封。

如上所述的感应膜一面上固定的两个立柱的间距大于感应膜另一面连接的传力柱的直径，感应膜上与传力柱连接的部分位于两个立柱之间。

如上所述的承载板与传力柱之间、传力柱与感应膜之间以及感应膜与立柱之间均为刚性连接，承载板与密封圈之间、感应膜与第一安装孔之间以及光纤光栅应变计与立柱之间均采用胶结剂粘结。

如上所述的球形壳体的底部设置有圆柱形出线孔，圆柱形出线孔通过螺纹设置有空心螺栓，空心螺栓的栓头与圆柱形出线孔之间设置有密封垫圈。

如上所述的球形壳体的上半部分设置的三个圆柱形孔的中心线与水平面呈45°，球形壳体的下半部分设置的三个圆柱形孔的中心线与水平面呈30°，球形壳体的上半部分设置的三个圆柱形孔的中心线在水平面的投影呈120°；球形壳体的下半部分设置的三个圆柱形孔的中心线在水平面的投影呈120°，球形壳体的上半部分设置的三个圆柱形孔的中心线在水平面的投影与球形壳体的下半部分设置的三个圆柱形孔的中心线在水平面的投影呈60°。

压力传感单元的工作原理如下：

承载板在外力P作用下通过立柱将力传递到感应膜表面，形成一个集中力。根据弹性力学理论，在集中应力作用下，承载板任意点处的挠度w为：

其中，

F＝Pπd²/4(2)

D＝E·T³/12(1-ν²)(3)

式中，d为承载板直径(mm)；L为感应膜直径(mm)；E为感应膜弹性模量(MPa)；ν为感应膜泊松比；T为感应膜厚度；r为承载板任意点距离感应膜中心距离。

进而，可以得到立柱处感应膜的转角θ为：

其中，l为两个立柱的间距。根据转角θ可以计算得到光纤光栅应变计的应变：

其中，H为立柱高度。结合光纤光栅传感理论，可以得到下面的关系式：

其中，α_ε为光纤光栅应变的灵敏度系数(pm/με)，由标定试验得到；α_T为受力光纤光栅温度的灵敏度系数(pm/℃)、α_T’为参照光纤光栅温度的灵敏度系数(pm/℃)，由标定试验得到；Δλ_B表示受力的光纤光栅布拉格中心波长漂移量(pm)、Δλ_B’表示参照光纤光栅布拉格中心波长漂移量(pm)。