长期测量围岩应力的光纤光栅孔径变形传感器的制作方法

本发明属于地下工程应力测试技术领域，尤其涉及一种长期测量围岩应力的光纤光栅孔径变形传感器。

背景技术：

随着人类对地下空间的开发与运用，地下工程已成为人类生活不可或缺的重要组成部分。在地下工程建造过程中，围岩应力场直接影响到结构的受力与变形，是地下工程设计的基础资料；准确测量围岩初始地应力及扰动应力是工程安全的重要保证。

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。

但是，传统的孔径变形法，是通过胶体填充传感器与围岩之间的空隙，进而固定传感器。由于固结的胶体具有很强的流变性，一般的传感器加载一天之后，胶体就会产生较大的流变变形，如图8所示，因此传统的孔径变形法一般只能实现短期测试地应力，而无法实现地应力的长期监测。

技术实现要素：

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光纤光栅孔径变形传感器，解决上述的孔径变形测量只能短期监测的问题，从而实现孔径变形测量的长期监测。

一种长期测量围岩应力的光纤光栅孔径变形传感器，包括：

刚性基材，用以沿环向设置在钻孔内，可以随着围岩孔径的变形发生相应的变形；

刚性测力端，设置在刚性基材上，用以直接接触钻孔侧壁以测量钻孔的径向变形；

第一光纤光栅，固定在刚性基材的表面，其光栅波长随着刚性基材的变形而发生变化。根据位移标定获得刚性基材测力端的变形量与第一光纤光栅波长的对应关系，通过测量第一光纤光栅的波长情况，来测定测力端的变形量，进而测量围岩孔径的变形。

刚性基材为钢环，刚性基材、第一光纤光栅和测力端共同构成孔径测量传感器的测量部件，孔径测量传感器设有多个平行设置的测量部件，不同的测量部件的测力端错开设定角度，从而可以测量垂直于钻孔轴线的平面内的应力状态。

钢环采用65si2mnwa弹簧钢材质。

钢环的曲率半径为4.0-5.0mm，第一光纤光栅采用抗弯光纤光栅，能够适应变形后钢环的曲率，第一光纤光栅的栅区长度为2-4mm，大大提高了光纤光栅的成活率，其反射率不小于90％，第一光纤光栅的3db带宽0.2-0.4nm。

第一光纤光栅与钢环之间采用焊接。

孔径测量传感器设有四个测量部件，各个测量部件的测力端的错开角度沿环向均匀分布，可以测得垂直钻孔轴线平面内的主应力大小及方向，更准确的测量应力状态。

测力端为两个固定设于钢环外表面的传力帽，两个传力帽沿钢环的径向对置，传力帽的前端为用以与围岩直接接触的半球体，后端为直接与钢环接触的圆柱体。传力帽为硬质金属材质，如不锈钢。传力帽的结构简单，作为凸出的测力端，可以直接与围岩侧壁接触，由于传力帽和刚性基材均为硬质，其流变可以忽略不计，因此传力帽所测量的位移即为围岩的位移，可以实现围岩的长期应变的测量。

第一光纤光栅的固定位置相对于钢环的中心与传力帽具有90°夹角，且布设在钢环的外表面。这一位置下，传力帽发生位移时第一光纤光栅的波长变化最敏感，可以更准确的测量。

测量部件还包括一壳体，壳体具有圆筒部分，刚性基材固定在壳体的圆通部分内部，壳体上设有用以传力帽穿的过孔，以使传力帽伸出于壳体的外表面并直接接触围岩侧壁。这种壳体的设置可以保证传感器的使用寿命。

壳体采用不锈钢材质，壳体的前端为半球形，壳体的中部为圆筒部分，壳体的尾部具有截面逐渐增大的用以卡紧在钻孔中的扩张部。前端半球形在进钻孔时起导向作用，中部及后端开圆柱形空腔，中部空腔主要用以布置测量设置；后端锥形用于卡紧岩壁固定传感器。

钢环通过固定支座固定于壳体的内部，保证固定效果。

固定支座为厚壁圆筒形结构，固定于壳体的内部，固定支座具有用以限制钢环倾斜的限位槽，固定支座的中心部位作为光纤通道。固定支座的结构简单，成本低廉，同时能起到很好的固定效果。

传感器内还设有处于自由变形状态的用以作为温补光栅的第二光纤光栅，各个第一光纤光栅及第二光纤光栅在壳体的后端与铠装光缆熔接。通过温补光栅的设置可以消除温度变化对波长变化的影响，提高测量精度。

利用温补光栅消除温度变化对第一光纤光栅的波长变化的影响是本领域的常规技术手段，在此不再赘述。

根据本申请实施例提供的技术方案，在刚性基材上设置第一光纤光栅传感器，根据位移标定获得刚性基材测力端的变形量与第一光纤光栅波长的对应关系，通过测量第一光纤光栅的波长情况，来测定测力端的变形量，进而测量围岩孔径的变形。由于这种结构及相应原理的设计应用，使刚性基材通过刚性测力端直接与钻孔围岩接触，省略了胶体这一连接材料，大幅降低了长期监测过程中胶体连接材料的流变对监测精度与长期稳定性的影响，保证传感器监测结果的稳定性。

由此可见，本申请提供的技术方案具有能够实现孔径变形的长期监测的有益效果。从而解决了现有技术中地下工程围岩三维应力长期监测的技术难题，填补了业内在这一领域中的技术空白。

另外，根据本申请的某些实施例，钢环为高性能弹簧钢，具有良好的弹性性能与耐疲劳性。同时第一光纤光栅的采用抗弯光栅，能够适应小直径钢环变形的要求，解决了遇围岩钻孔大变形时光栅发生啁啾的问题，有效的提高了传感器的成活率。第一光纤光栅的与钢环间采用焊接，大幅降低了长期监测过程中基材及连接材料的流变对监测精度与长期稳定性的影响，保证了传感器监测结果的稳定性。

同时，根据本申请的某些实施例，第一光纤光栅具有抗电磁干扰、耐腐蚀的特点，克服了传统电阻式围岩应力传感器抗干扰差、易腐蚀等问题；配合温补光栅一起使用，具有精度高、温度稳定性好等特点，解决了传感电阻式孔径应变计用于长期监测时发生温度零点温度漂移与灵敏度温度漂移的技术难题。

附图说明

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为传感器结构俯视图；

图2为传感器结构正视图；

图3为钢环及光栅布置断面图；

图4为温度与温补光栅试验曲线及数学关系式；

图5为温度与1号第一光纤光栅的试验曲线及数学关系式；

图6为钢环变形与1号第一光纤光栅的试验曲线及数学关系式；

图7为0.6mm变形条件下1号第一光纤光栅波长随时间变化试验曲线；

图8为应力不变的条件下普通传感器变形随时间的试验曲线。

其中，1-不锈钢外壳，2-固定支座，3-钢环，4-传力帽，5-第一光纤光栅的，6-温补光栅，7-铠装光缆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。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。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1-图3，一种长期测量围岩应力的光纤光栅孔径变形传感器，主要包括钢环3、传力帽4、作为第一光纤光栅的的第一光纤光栅5。

钢环3采用65si2mnwa弹簧钢材质，外径24mm，厚度取1mm，宽度6mm。传力帽4采用不锈钢材质，前端与孔壁接触，为直径为5mm的半球形；后端与钢环3接触端为圆柱形，直径为5mm，长度取6.2mm。第一光纤光栅5及温补光栅6采用抗弯光纤光栅，能够适用曲率半径为4.6mm的弯曲，栅区长度为3mm，反射率不小于90％，3db带宽0.3nm。

钢环外设有外壳，优选的，采用不锈钢外壳1。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，球半径为3cm，半球形在进钻孔时起导向作用；中间为圆筒形，长12cm，外径取34mm，厚度取4mm；后端锥形段，壁厚4mm，长10cm，后端锥形用于卡紧岩壁固定传感器。中部及后端开圆柱形空腔，中部主要用以布置测量设置。

此外，外壳还可以采用更加简单的结构形式，只要能起到固定并保护钢环的作用即可，比如简单的圆筒形结构，在圆筒形结构的外侧设有用于固定的固定件等。

优选的，钢环通过固定支座固定在外壳内，固定支座通过螺栓固定在不锈钢外壳的空腔内。固定支座2采用pvc塑料材质，为厚壁圆筒形结构，外径取24mm，通过螺栓固定在不锈刚外壳1上，此处的厚壁是指壁厚为5到8mm；在钢环3位置处设置环形槽，用于固定钢环。钢环的数量可以为1个，也可以为多个，比如四个钢环，如图1、图2所示，以避免某个钢环发生故障而导致失效。四个钢环沿不锈钢外壳1的轴线平行布置，在垂直轴线平面内均匀布置(0°、45°、90°、135°)，钢环3的位移被固定支座2限定，钢环3只能发生径向变形而不能发生转动。

值得注意的是，钢环也可以通过其他方式固定在外壳内，比如通过类似卡环的固定件在与传力帽呈钝角角度的位置固定钢环，保证钢环可以发生径向变形，而不能发生偏移转动即可。

第一光纤光栅5通过焊接与钢环3相连，如图3所示，光栅位于钢环外侧，沿钢环的环线布置，与传力帽4成90度夹角。温补光栅6位于不锈钢外壳1后端，处于自由变形状态。4支第一光纤光栅及1支温补光栅在传感器后端与铠装光缆7熔接后与外界进行通讯。

光纤光栅孔径变形传感器的标定方法包括：

(1)光栅的温度标定：将传感器放置在可调节恒温箱内，然后将温度调至标定最低温度值，连接光纤解调仪。待温度恒定后，记录此时恒温箱温度、第一光纤光栅5与温补光栅的波长；然后增加恒温箱温度，待温度稳定后，再次记录对应温度及各光栅的波长；采用相同方法不断增加恒温箱温度直至达到最高标定温度。从而得到温补光栅波长与温度t的关系曲线λt-t(图4)，以及各第一光纤光栅5的波长与温度的关系曲线(i＝1,2,3,4)。(图5中给出1号第一光纤光栅的关系曲线)。通过数学拟合得到温补光栅波长与温度间关系表达式f(t)＝λt＝0.01054t-1550.192(图4)，以及各第一光纤光栅的波长与温度间的关系表达式如图5所示，1号第一光纤光栅的的关系表达式为：

(2)光栅的位移标定：将传感器放置在位移标定架上并连接光纤解调仪。读取温补光栅波长由步骤(1)中得到的f(t)＝λt＝0.01054t-1550.192，计算得到标定温度t0＝12.8℃。再根据步骤(1)中得到的计算得到该温度下4支第一光纤光栅的的初始波长例如，第1支第一光纤光栅的的初始波长为

根据现场预估的最大应力水平及岩石条件，孔径最大变形不超过0.6mm，因此，本次位移标定中最大位移取0.6mm。选取1号钢环，通过位移标定架对其两端的一对传力帽施加位移，施加的位移从零线性增长至0.6mm，然后从最大值再降至零；记录施加位移u及第一光纤光栅的对应的波长λ1，关系曲线如图6所示。将第一光纤光栅的的波长λ1减去初始波长得到了仅由位移引起的波长变化与位移的关系曲线通过数学拟合得到位移引起的第一光纤光栅的波长变化与位移间的关系表达式δλ1＝d¹(u)＝6.0686u-0.01314。采用同样方法对其余三个钢环进行标定，得到对应的关系表达式dⁱ(u)＝δλi。

(3)传感器精度校核：选取材质均匀、各向同性的有机玻璃块，尺寸为30cm*30cm*30cm，其中在一面的中心位置开直径为36mm的贯穿圆孔。将传感器放置在圆孔中，由于圆孔直径小于钢环两端传力帽间的距离，放入圆孔后，钢环有一定的初始压缩量。将传感器连接解调仪，通过电脑对各光栅的波长进行记录。将有机玻璃块放置在刚性伺服压力机上，在垂直于圆孔轴线平面内的两个方向分别施加压力p1＝10mpa与p2＝0mpa(两个方向的应力水平可以进行不同组合)。

待测量完成后，根据试验过程中记录的温补光栅波长再由步骤(1)中得到的f(t)＝λt，确定环境温度t1＝12.24℃(标定温度与试验温度相同)。根据环境温度t1及步骤(1)中得到的计算得到在该测试温度条件下各第一光纤光栅的的初始波长例如第1支光栅的初始波为：根据试验过程中记录的各第一光纤光栅的波长λi得到仅由外力引起的波长变化1号光栅的波长变化为δλ1＝2.012nm。再由步骤(2)中得到的dⁱ(u)＝δλi得到四支钢环传力帽间的位移ui，例如1号光栅的两端位移为u1＝0.334mm。

采用刚性伺服压力机进行有机玻璃的压缩试验，得到有机玻璃的弹性模量为2.7gpa，泊松比为0.3。

根据传力帽的位移及有机玻璃的弹性参数，利用弹性力学知识，计算得到平面内的两个主应力σ1＝9.2mpa与σ2＝0.0mpa及方向。与试验施加的p1＝10mpa与p2＝0mpa及方向进行比较，检验传感器的相对误差为4.7％，符合精度要求。

(4)传感器长期稳定性校核

对钢环两端施加0.6mm的位移，并稳定住，通过波长的变化检测传感器的长期稳定性。从图7可以看出，施加192个小时的时间里，光栅波长的几乎没有变化，证明该传感器具有良好的长期稳定性，能够适应长期监测的要求。图8是传统的胶体填充传感器，加载一天后的受力变形图，可见传统的胶体填充传感器，加载一天之后，就会产生较大的流变，根本无法适应长期的围岩应力测量。

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。