[发明专利]一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体

说明书

一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体，它由立方体空心外壳、支撑柱、三个光纤布拉格光栅、铠装光缆和光纤接头组成。三个光纤布拉格光栅两端分别粘贴固定在对应的支撑柱的凹槽中用以测量各个轴向应变，当立方体空心外壳受压变形时会带动支撑柱在轴向上移动，若X轴方向受压则会使光纤布拉格光栅1收缩，而其余两个光纤布拉格光栅在各自轴向上伸张，导致光纤布拉格光栅1特征波长变化的方向与其余两个光纤布拉格光栅的特征波长变化方向相反，从而形成两组差动结构，提高了应变灵敏度，此外这种支撑柱传递外部应力的方法，提高了应变传递效率。

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体。

背景技术

受地质构造、岩性特征及原岩应力场等因素影响，岩体多处于多向应力共同作用的复杂应力状态下。顶板垮落、巷道变形、冲击地压及煤与瓦斯突出等煤矿常见灾害事故的发生多是由于对这些力学信息难以获取或获取不及时所致，通过一定围岩应力检测方法，及时掌握煤岩体内部三维应力状态及其变化规律，是减少此类事故发生的有效手段之一。

光纤光栅传感元件是一种以光学信号为传输载体的高精度测试元件，具有极强的抗电磁干扰、抗腐蚀、防水防潮、耐久性长等优点，已被广泛应用于土木工程、水利工程、复合材料、医学、电力及航空航天等领域，并取得显著的研究成果。在岩石及地下工程领域，凭借其高精度监测的特点可实现变形过程的精确测量，这也使得借助光纤光栅传感技术监测煤岩内部复杂应力状态成为可能。但是，裸光纤光栅的压力灵敏系数非常低，为了使光纤光栅的压力测量能够用于实际中，人们对光纤光栅压力增敏进行了大量的研究。因此本发明提供了一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体，该结构体体积小、结构简单、灵敏度高，且适用于许多电类传感器无法使用的场合。

发明内容

本发明对于围岩体内部三维应力的检测，提供了一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体。

一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体，它由立方体空心外壳、支撑柱、三个光纤布拉格光栅、铠装光缆和光纤接头组成，其特征在于：所述的立方体空心外壳的边长为28mm，壁厚为3mm；所述的光纤接头用于将铠装光缆连接在立方体空心外壳上；所述的支撑柱由柱1、柱2、柱3、柱4、柱5和柱6组成，它们依次位于立方体空心外壳的六个内平面的中心点，以立方体空心外壳的体中心点作为三维坐标系的原点，其中柱1和柱2同在X轴线上且它们在Z轴方向的上表面开有凹槽，柱3和柱4同在Y轴线上且它们在Z轴方向的下表面开有凹槽，柱5和柱6同在Z轴线上且它们在Y轴方向的下表面开有凹槽；所述的三个光纤布拉格光栅由光纤布拉格光栅1、光纤布拉格光栅2和光纤布拉格光栅3组成，它们依次串联且特征波长分别为λ1、λ2和λ3，光纤布拉格光栅1的两端分别粘贴固定在柱1和柱2的凹槽内用以测量X轴方向的应变，光纤布拉格光栅2两端分别粘贴固定在柱3和柱4的凹槽内用以测量Y轴方向的应变，光纤布拉格光栅3两端分别粘贴固定在柱5和柱6的凹槽内用以测量Z轴方向的应变；所述的三个光纤布拉格光栅粘贴所用的胶粘剂为353ND胶，这三个光纤布拉格光栅在空间上相互正交且在粘贴前需进行预拉伸；当立方体空心外壳受压变形时会带动支撑柱在轴向上移动，若X轴方向受压则会使光纤布拉格光栅1收缩，而光纤布拉格光栅2和光纤布拉格光栅3会在各自轴向上伸张，导致光纤布拉格光栅1特征波长变化的方向与其余两个光纤布拉格光栅的特征波长变化方向相反，从而形成两组差动结构，提高了应变灵敏度，此外这种支撑柱传递外部应力的方法，提高了应变传递效率。

所述的支撑柱的长度为1.4mm，宽度为1.4mm，高度为4mm。

所述的凹槽的宽度为2mm，深度为1.5mm。

附图说明

图1是一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体的俯视图。

图2是一种基于光纤光栅空间正交的高灵敏度三维应变检测结构体的主视图。