基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置及系统的制作方法

本实用新型涉及测试技术领域，具体而言，涉及一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置及系统。

背景技术：

岩石工程所赋存的地质环境复杂，大规模工程建设过程中发生的塌方、滑坡和岩爆灾害是影响工程施工安全和运行的最关键因素，工程失事常造成施工设备损坏和重大人员伤亡事故。这些灾害的发生首先反映在岩体中的位置和/或应力变化，通过位置和/或应力演化信息的现场直接获取和分析，可以有效实现灾害的预警和控制，因此，岩体的位置和应力变化测试成为岩石工程灾害研究的最重要内容之一。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置，通过设置具有锥形体、弹片、顶针、保护腔体、连接块、第一弹簧和传力杆，并在弹片的上表面和/或下表面设置光栅的位移测试装置，以及通过设置包括光纤光栅空心包体应力计的应力测试装置，实现了位移和应力的一体化测试。

本实用新型的另一目的在于提供一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试系统，通过设置位移测试装置，位移测试装置包括锥形体、弹片、顶针、保护腔体、连接块、第一弹簧和传力杆，并在弹片的上表面和/或下表面设置光栅的位移测试装置，及光纤光栅空心包体应力计的应力测试装置，实现了位移和应力同时测试。

为实现上述目的，本实用新型实施例采用如下技术方案：

一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置，包括位移测试装置和应力测试装置，所述位移测试装置与所述应力测试装置连接。

所述位移测试装置包括锥形体、弹片、顶针、保护腔体、连接块、第一弹簧、传力杆和保护管，所述锥形体通过所述连接块与所述传力杆连接，所述第一弹簧套设于所述传力杆，所述保护腔体具有限位部，所述传力杆穿过所述保护腔体且所述第一弹簧卡设于所述连接块与所述限位部之间，所述保护管套设于所述传力杆且一端与所述保护腔体连接另一端与所述连接块连接，所述保护腔体靠近所述锥形体处设置有开口，所述弹片设置于所述开口处，所述顶针设置于所述弹片与所述锥形体之间，所述弹片的上表面和/或下表面设置有光栅。

所述应力测试装置包括光纤光栅空心包体应力计，所述光纤光栅空心包体应力计通过连接件和钢架与所述传力杆相连，所述钢架连接于所述光纤光栅空心包体应力计与所述连接件的一端之间，所述连接件的另一端与所述传力杆连接。

可选的，在上述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置中，所述限位部包括第一限位部和第二限位部，所述第一限位部和第二限位部分别设置于所述保护腔体并位于所述连接块的两侧，所述第一限位部靠近所述传力杆，所述第一弹簧设置于所述第一限位部与所述连接块之间，所述位移测试装置还包括第二弹簧，所述第二弹簧设置于所述第二限位块与所述连接块之间，所述锥形体与所述第二弹簧靠近所述第二限位块的一端连接。

可选的，在上述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置中，所述位移测试装置还包括连接杆，所述连接杆连接于所述连接块与所述锥形体之间，所述第二弹簧套设于所述连接杆并设置于所述第二限位块与所述连接块之间。

可选的，在上述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置中，所述锥形体包括粗端和细端，所述锥形体的细端与所述连接块连接，所述锥形体的粗端延伸至所述保护腔体外。

可选的，在上述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置中，所述光栅为光栅片，所述弹片为金属弹片，所述光栅片贴合于所述金属弹片的上表面和下表面。

可选的，在上述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置中，所述保护腔体靠近所述开口一端设置有保护筒，所述保护筒套设于所述保护腔体，所述保护腔体和保护筒为中空圆柱状。

可选的，在上述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置中，所述传力杆穿过所述保护腔体，且所述传力杆的一端与所述连接块连接、另一端延伸至所述保护腔体外，所述传力杆延伸至保护腔体外的一端设置有螺纹，所述传力杆与所述连接件螺纹连接。

可选的，在上述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置中，所述光纤光栅空心包体应力计包括空心包体、连接环和光纤，所述空心包体外表面沿轴线方向开有三条互成120°的轴向凹槽、沿径向开有多个径向凹槽，所述空心包体的外表面还开设有顺时针螺旋凹槽和逆时针螺旋凹槽，所述光纤缠绕固定在所述轴向凹槽、顺时针螺旋凹槽、逆时针螺旋凹槽和各径向凹槽内，三条所述轴向凹槽、逆时针螺旋凹槽分别与三个所述径向凹槽形成三个交点，所述光纤在三个交点的出线端方向分别刻有轴向光栅、径向光栅和斜向光栅，所述光纤的出线端分别固定于连接环。

可选的，在上述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置中，所述空心包体外表面设有保护层，所述顺时针螺旋凹槽的螺距为12厘米，所述逆时针螺旋凹槽螺距为6厘米，相邻两条径向凹槽之间的距离为4厘米，所述轴向凹槽、径向凹槽、顺时针螺旋凹槽和逆时针螺旋凹槽的宽度为1.0毫米，深度为0.8毫米，所述轴向光栅、径向光栅和斜向光栅的长度为8毫米。

本实用新型还提供一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试系统，包括光纤光栅波长解调仪、终端设备以及上述的基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置，所述光纤光栅波长解调仪、终端设备分别与所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置连接。

本实用新型提供了一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置及系统。基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置通过设置位移测试装置及应力测试装置，位移测试装置通过设置锥形体、弹片、顶针、保护腔体、连接块、第一弹簧和传力杆，并在弹片的上表面和/或下表面设置光栅，应力测试装置通过设置光纤光栅空心包体应力计、连接件和钢架，且钢架于所述光纤光栅空心包体应力计与连接件的一端之间，连接件的另一端与传力杆连接，实现了位移和应力同时测试。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的部分实施例，因此不应被看作是对本实用新型保护范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置的结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的一种位移测试装置的结构示意图。

图3为本实用新型实施例提供的一种应力测试装置的结构示意图。

图4为本实用新型实施例提供的一种光纤光栅空心包体应力计的结构示意图。

图5为本实用新型实施例提供的一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试系统的结构框图。

图标：10-基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置；20-光纤光栅波长解调仪；30-终端设备；100-位移测试装置；110-锥形体；120-弹片；130-顶针；140-保护腔体；142-第一限位部；144-第二限位部；146-开口；150-连接块；160-第一弹簧；170-传力杆；180-第二弹簧；190-连接杆；210-保护筒；220-保护管；300-应力测试装置；310-光纤光栅空心包体应力计；312-空心包体；313-轴向凹槽；314-径向凹槽；315-顺时针螺旋凹槽；316-逆时针螺旋凹槽；322-连接环；324-保护层；330-连接件；350-钢架。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，本实用新型提供了一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10，所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10包括位移测试装置100和应力测试装置300，所述位移测试装置100与所述应力测试装置300连接。

请结合图2，所述位移测试装置100包括锥形体110、弹片120、顶针130、保护腔体140、连接块150、第一弹簧160、传力杆170、保护管220，所述锥形体110通过所述连接块150与所述传力杆170连接，所述第一弹簧160套设于所述传力杆170，所述保护腔体140具有限位部，所述传力杆170穿过所述保护腔体140且所述第一弹簧160卡设于所述连接块150与所述限位部之间，所述保护腔体140靠近所述锥形体110处设置有开口146，所述弹片120设置于所述开口146处，所述顶针130设置于所述弹片120与所述锥形体110之间，所述保护管220套设于所述传力杆170且一端与所述保护腔体140连接，另一端与所述连接块150连接，所述弹片120的上表面和/或下表面设置有光栅。

请结合图3，所述应力测试装置300包括光纤光栅空心包体应力计310，所述光纤光栅空心包体应力计310通过连接件330和钢架350与所述位传力杆170连接，所述钢架350连接于所述光纤光栅空心包体应力计310与所述连接件330的一端之间，所述连接件330的另一端与所述传力杆170连接。

在所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10进行应力和位移测试时，所述应力测试装置300用于测试岩体内三维扰动应力，所述位移测试装置100用于测试所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10的轴向位移。具体的，所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10用于测试岩体内的应力和位移时，所述应力测试装置300设置于岩体钻孔内，并通过水泥砂浆与岩体紧密锚固耦合，待水泥砂浆终凝后，所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10即可检测该光纤光栅空心包体应力计310处岩体的应力状态。当所述光纤光栅空心包体应力计310处的岩体发生破裂位移时，所述光纤光栅空心包体应力计310所受位移可以依次通过钢架350和连接件330传递给位移测试装置100。进而使所述传力杆170远离所述连接块150的一端在受力时，所述连接块150和锥形体110沿所述传力杆170受力方向移动，所述弹片120在所述顶针130相对于所述锥形体110移动时上下移动，光栅在弹片120上下移动时栅距发生改变，光栅栅距的变化使得光的反射波长发生改变，进而得到岩体位移的变化。

通过设置所述保护管220，所述传力杆170穿过所述保护腔体140，且所述传力杆170的一端与所述连接块150连接、另一端延伸至所述保护腔体140外，所述保护管220套设于所述传力杆170延伸至保护腔体140外的一端，并与所述保护腔体140连接，从而有效避免在注浆过程中，浆液粘结住传力杆170，造成光纤光栅空心包体应力计310的位移无法传递给测力部的问题。所述保护管220由塑料PVC材质制成，只要能使所述保护管220对所述传力杆170起到保护作用即可，在此不做具体限定。

需要说明的是，为使所述位移测试装置100测试的结果更加准确，在本实施例中，所述顶针130设置于靠近所述弹片120的中心位置处，且所述顶针130在所述锥形体110相对于所述保护腔体140移动时，所述顶针130不会沿所述锥形体110的移动方向移动。初始状态时，所述锥形体110的中部与所述顶针130接触，且所述弹片120与所述保护腔体140相离。

为使所述位移测试装置100在位移测试过程中，不易被损坏。在本实施例中，所述锥形体110、顶针130、保护腔体140、传力杆170以及连接件330可以由硬质金属材料制成。

可选的，所述光栅为光栅片，所述弹片120为金属弹片，所述光栅片贴合于所述金属弹片的上表面和下表面。通过同时测试光信号通过所述金属弹片的上表面和下表面的光栅后反射波长的变化，可使所述位移测试装置100的测试结果更加准确。

需要说明的是，通过设置所述第一弹簧160使得所述传力杆170在受到较大的力或者发生轴向突变时，所述传力杆170移动速度过快造成所述顶针130和/或弹片120因突然受力被损毁，进而损坏所述位移测试装置100。

为进一步避免所述位移测试装置100在所述传力杆170轴向位移时发生轴向突变，以使所述位移测试装置100的测试结果更加精确。在本实施例中，所述限位部包括第一限位部142和第二限位部144，所述第一限位部142和第二限位部144分别设置于所述保护腔体140并位于所述连接块150的两侧，所述第一限位部142靠近所述传力杆170，所述第一弹簧160设置于所述第一限位部142与所述连接块150之间，所述位移测试装置100还包括第二弹簧180，所述第二弹簧180设置于所述第二限位部144与所述连接块150之间，所述锥形体110与所述第二弹簧180靠近所述第二限位部144的一端连接。

可选的，所述位移测试装置100还包括连接杆190，所述连接杆190连接于所述连接块150与所述锥形体110之间，所述第二弹簧180套设于所述连接杆190并设置于所述第二限位部144与所述连接块150之间，所述连接杆190的长度大于所述第二弹簧180的长度。

所述锥形体110包括粗端和细端，所述锥形体110与所述连接块150连接的方式可以是：所述锥形体110的细端与所述连接块150连接，也可以是所述锥形体110的粗端与所述连接块150连接。在本实施例中，所述锥形体110的细端与所述连接块150连接，所述锥形体110的粗端延伸至所述保护腔体140外。具体的，所述锥形体110的细端通过所述连接杆190与所述连接块150连接。

为避免所述位移测试装置100在测试过程中，所述弹片120在上下移动过程中轴向位置发生变化，或者所述弹片120因受力发生形变造成测试结果不准确。在本实施例中，所述保护腔体140靠近所述开口146一端设置有保护筒210，所述保护筒210套设于所述保护腔体140，所述保护筒210为中空圆柱状。

所述保护筒210的长度可以与所述开口146的长度相同，也可以大于所述开口146的长度。在本实施例中，所述保护筒210的长度与所述开口146的长度相同。所述保护筒210的轴心线与所述保护腔体140的轴心线可以位于同一直线也可以位于不同直线。在本实施例中，所述保护筒210的轴心线与所述保护腔体140的轴心线位于同一直线。所述保护筒210的半径与所述保护腔体140的半径与所述顶针130的长度之和可以是任意关系，只要能使所述顶针130在上下移动时，所述弹片120与所述保护筒210之间存在间隙即可。在本实施例中，所述保护筒210的半径大于所述保护腔体140的半径与所述顶针130的长度之和。通过上述设置有效保证所述位移测试装置100测试位移的准确性。

所述传力杆170与所述连接件330的连接方式可以是但不限于卡扣连接、螺纹连接或焊接，只要能使所述传力杆170与所述连接件330相对固定即可。

请结合图4所示，在所述应力测试装置300中，所述光纤光栅空心包体应力计310包括空心包体312、连接环322和光纤，所述空心包体312外表面沿轴线方向开有三条互成120°的轴向凹槽313、沿径向开有多个径向凹槽314，所述空心包体312的外表面还开设有顺时针螺旋凹槽315和逆时针螺旋凹槽316，所述光纤缠绕固定在所述轴向凹槽313、顺时针螺旋凹槽315、逆时针螺旋凹槽316和各径向凹槽314内，三条所述轴向凹槽313、逆时针螺旋凹槽316分别与三个所述径向凹槽314形成三个交点，所述光纤在三个交点的出线端方向分别刻有轴向光栅、径向光栅和斜向光栅，所述光纤的出线端分别固定于连接环322。为避免所述轴向光栅、径向光栅和斜向光栅在所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10使用时被损坏，在本实施例中，所述空心包体312外表面设有保护层324。

具体的，所述径向凹槽314包括第一径向凹槽、第二径向凹槽、第三径向凹槽、第四径向凹槽和第五径向凹槽，所述第一径向凹槽位于所述空心包体312的轴线中点位置，所述第二径向凹槽和第三径向凹槽位于所述第一径向凹槽的一侧，所述第四径向凹槽和第五径向凹槽位于所述第一径向凹槽的另一侧，相邻两个径向凹槽314之间的间距为4厘米，所述顺时针螺旋凹槽315的螺距为12厘米，所述逆时针螺旋凹槽316螺距为6厘米。所述轴向凹槽313、径向凹槽314、顺时针螺旋凹槽315和逆时针螺旋凹槽316的宽度为1.0毫米，深度为0.8毫米，所述轴向光栅、径向光栅和斜向光栅的长度为8毫米。

所述三条所述轴向凹槽313、逆时针螺旋凹槽316分别与三个所述径向凹槽314形成三个交点为：三条轴向凹槽313、逆时针螺旋凹槽316分别与第一径向凹槽、第三径向凹槽、第四径向凹槽形成三个交叉点。

所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10在对岩体的位移和应力监测时，在岩体所需的测试的位置开出测试钻孔。在钻孔的孔口顺序连接光纤光栅空心包体应力计310、钢架350、连接件330和位移测试装置100，连接好后依次送入孔内所述光纤光栅空心包体应力计310中间安放注浆管，封堵测试钻孔的孔口后进行注浆。在岩体工程开挖运行过程中，所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10用于实施监测该光纤光栅空心包体应力计310处三维扰动应力和位移变化。

请结合图5，本实用新型还提供一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试系统，所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试系统包括光纤光栅波长解调仪20、终端设备30和多个上述的基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10，所述光纤光栅波长解调仪20与所述终端设备30和各所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10分别连接。所述终端设备30可以根据所述光纤光栅波长解调仪20中的数据计算出所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10的应力大小和位置变化。

通过采用所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试测试系统可以使所述光纤光栅波长解调仪20及终端设备30能同时得到多个所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10测得的应力大小和位移，各所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10可以设置于同一钻孔内不同深度实现组合测试，也可以设置于不同钻孔内以测试不同位置的应力大小和位移。

由于所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试系统包括所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10，因此所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试系统具有所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10的所有特征，在此不做具体赘述。

综上，本实用新型实施例提供的一种基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10及系统，基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试系统包括基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10。基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10通过设置锥形体110、弹片120、顶针130、保护腔体140、连接块150、传力杆170和保护管220，并在弹片120的上表面和/或下表面设置光栅的位移测试装置100，及光纤光栅空心包体应力计310、连接件330和钢架350的应力测试装置300，实现了位移和应力的同时测试。进一步的，通过设置第一弹簧160、第二弹簧180、保护筒210以及保护层324有效避免所述基于光纤光栅的岩体应力位移一体化测试装置10在使用过程中被损毁或影响测试结果。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”、“第二”和“第三”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。