一种免光弹仪观测的光弹性应力计的制作方法

本实用新型属于金属矿山开采地压监测的技术领域，具体涉及一种免光弹仪观测的光弹性应力计。

背景技术：

矿山地压监测是研究地压变化的重要环节之一，其是揭示矿山地压活动规律的重要技术手段；而作为光测弹性力学应力分析方法的应用，光弹性应力计是目前监测矿岩体应力变化最常见的一种设备，利用光弹性应力计可有效地实现简便实用的检测。光测弹性力学应力分析方法是由μ.m.frocht提出，后经平松良雄、barron、roberts及dhir等人的改进和完善，使其在理论和实践中得到进一步发展和完善；与其它应力测试方法相比，该方法具有性能稳定可靠、价格便宜、观测直观方便、安装简单便捷等优点，并且可以不受矿井下恶劣环境条件的影响，能长期稳定持续观测，同时其还可广泛地埋设于巷道、矿柱、矿壁及采场内，对矿岩体稳定性进行长期监测和记录，进而通过对监测数据的计算分析，实现对地压变化规律进行预判和预测，因此已成为现今最为常用的金属矿山岩体应力变化监测传感装置。

光弹性应力计作为围岩应力的一种传感转换器，在实际使用中，会将光弹性应力计嵌入岩体钻孔内，并用适当的粘结剂(常用水泥砂浆)使之与岩体粘结在一起，由于光弹性应力计材料的弹性模量值比被测岩体对象的弹性模量值高若干倍，故光弹性应力计可视为一刚性包体，当粘结层很薄时，可忽略其影响；利用光测弹性力学基本理论和弹性介质中的刚性包体理论为基础，当光弹性应力计周围岩体的应力变化时,光弹性应力计在圆偏振光场中的光学效应发生相应变化，根据应力光学定律即可得出岩体该点的主应力和方向，即其能根据地压的不同变化呈现出不同颜色不同级数的彩色应力条纹；此外，现今的矿山用光弹性应力计是由双折射材料制成的刚性应力传感器，其外形是实心短圆柱体或厚壁空心短圆柱体，其背面有反光镀层者为反射式，目前矿山应用最广泛的是反射式双轴应力计，其尺寸及材料视研究对象的需要而异，目前金属矿山较通用的是r-50型玻璃光弹性应力计。

但现今的光弹性应力计在实际应力中也存在一定的缺点，其在不同的受力状态和受力时间等条件下，需要辅以外部引入的光源，并依靠光弹仪对光路转换，才能观察到不同级数不同颜色的彩色应力条纹，即其呈现的彩色应力条纹必须配套使用光弹仪才能进行观测或拍摄记录，这对观察和摄录条纹图数据带来了一定的障碍和不便，同时增加了观测成本，并且不利于拍摄清晰的图像。

技术实现要素：

(1)要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种免光弹仪观测的光弹性应力计，本实用新型的技术方案旨在解决现今光弹性应力计在使用中必须配套使用光弹仪才能进行观测或拍摄记录，这对观察和摄录条纹图数据带来了一定的障碍和不便，同时增加了观测成本，并且不利于拍摄清晰图像的技术问题；通过本实用新型的光弹性应力计省略了观测用的光弹仪，在外部光源下可直接利用肉眼观察到因应力变化而导致的彩色条纹图或者利用高清数码摄像设备直接摄录更加清晰的条纹图，从而提高了人工观测的便利性和提升了数码摄录设备拍摄条纹图像的质量和清晰度，为后续分析计算处理提供了更便于获取信息、图像质量更好的条纹图数据。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了这样一种免光弹仪观测的光弹性应力计，该光弹性应力计包括有定位陀螺、保护密封层、光弹玻璃测片、反射镀层和封装层，所述光弹玻璃测片中心开有测片中心孔，所述测片中心孔内设置有封装层，所述光弹玻璃测片底部镀有反射镀层，所述反射镀层下方固定粘结有定位陀螺，所述反射镀层与定位陀螺之间设置有保护密封层；其中，所述光弹玻璃测片顶部固定粘结有透射式的圆偏振片，所述圆偏振片中心开有偏振中心孔，所述偏振中心孔与测片中心孔同轴心且半径相等，所述圆偏振片的厚度小于0.2mm、偏振角度为45°和135°、偏振波长为500-700nm。

优选地，所述偏振中心孔和测片中心孔的直径等于所述光弹玻璃测片厚度的一半；这样可以最大限度地保证圆偏振片功能的有效性。

在现有技术下，基于光弹仪对光弹性应力计是通过改变光的圆偏振效应的原理进行观测或拍摄记录，因此在使用中必须配套使用光弹仪才能进行观测或拍摄记录；而在本实用新型的技术方案中，突破性地将圆偏振片直接粘贴在光弹性应力计的表面，从而直接通过圆偏振片来改变入射光路并进行光的偏振效应转变，利用圆偏振片贴片实现原有光弹仪中偏振片加四分之一波片双光路的效果，从而达到光的圆偏振效果，进而简化或省略了观测设备光弹仪，实现了直接利用白色外部光源，通过调整其入射光路角度和观察角度，即在外部光源下可直接利用肉眼观察到因应力变化而导致的彩色条纹图或者利用高清数码摄像设备直接摄录更加清晰的条纹图。

其中，本实用新型的光弹性应力计适用于地压变化不剧烈的金属岩石矿山区域，用以检测金属矿山岩体的应力变化，并预测地压的演变和发展，此外，圆偏振片为利用圆偏振光原理放入偏振光学专用型部件，其偏光率较为适宜的为99.99％。

(3)有益效果

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：本技术方案的光弹性应力计突破性地将圆偏振片直接粘贴在光弹性应力计的表面，并结合圆偏振片最适宜区间的厚度、偏振角度和偏振波长，通过其特殊的光路偏振，从而达到了光的圆偏振效果，进而简化或省略了观测设备光弹仪，实现了直接利用白色外部光源，通过调整其入射光路角度和观察角度，即在外部光源下可直接利用肉眼观察到因应力变化而导致的彩色条纹图或者利用高清数码摄像设备直接摄录更加清晰的条纹图，从而提高了人工观测的便利性和提升了数码摄录设备拍摄条纹图像的质量和清晰度，为后续分析计算处理提供了更便于获取信息、图像质量更好的条纹图数据，对推广和扩大矿山光弹性应力计的进一步应用具有重要意义和实践价值。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术中描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一种实施方式，对于本领域普通技术人员来说，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的附图。

图1为本实用新型光弹性应力计一种实施方式的结构示意图。

附图中的标记为：1-定位陀螺，2-保护密封层，3-光弹玻璃测片，31-测片中心孔，4-反射镀层，5-封装层，6-圆偏振片，61-偏振中心孔。

具体实施方式

为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本实用新型具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本实用新型，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本实用新型的一部分实施方式，而不是全部的样式。

本具体实施案例为光弹性应力计，如图1所示，图1为本具体实施案例的结构示意图，该光弹性应力计在观测或拍摄记录中可免除光弹仪，其与现有的光弹性应力计在结构上基本一致，包括有定位陀螺、保护密封层、光弹玻璃测片、反射镀层和封装层，光弹玻璃测片中心开有测片中心孔，测片中心孔内设置有封装层，光弹玻璃测片底部镀有反射镀层，反射镀层下方固定粘结有定位陀螺，反射镀层与定位陀螺之间设置有保护密封层；其特别之处在于，该光弹玻璃测片顶部固定粘结有透射式的圆偏振片，并且圆偏振片中心开有偏振中心孔，而且圆偏振片的厚度为0.18mm、偏振角度为45°和135°、偏振波长为500-700nm，同时，偏振中心孔和测片中心孔的直径等于光弹玻璃测片厚度的一半，偏振中心孔与测片中心孔同轴心且半径相等。

本实用新型具体实施例的光弹性应力计具体加工过程与现有的光弹性应力计基本一致，基本为先制作光弹玻璃测片，即对其裁剪、滚圆、钻孔、研磨和抛光，并对其进行涂覆镀层，之后再对其加工保护密封层、封装层、圆偏振片加工和定位陀螺，其后再进行组装，并粘贴圆偏振片，最后封装即可。

目前，传统的光弹性应力计，其埋设的深度取决于观测仪器(即光弹仪)，其采用传统的透反射式光弹仪时，孔深宜取1.2-1.5m，孔壁间隙应尽量小，以减小粘结剂引起的观测误差；埋设时，光弹性应力计的中心孔应与钻孔轴线保持一致，反光镀层应有良好的防潮性能；观测时，偏振镜对准光弹性应力计，通过白光源照射，光弹性应力计中将呈现彩色应力条纹图；根据彩色应力条纹图的对称轴，确定主应力方向，并读取中心孔附近四个灵敏区内的干涉条纹级数，按事先率定的拟条纹值计算应力值，或读取光弹性应力计上预先刻划的各观测点的条纹级数，用相应各点率定的拟定纹值计算应力值。

而采用本实施例的光弹性应力计时，其埋设的孔深度可适度增加，以1.5-2米为宜，安装要求及步骤基本类似，主要是保证圆偏振片的清洁度，并采用专用安装装置，避免少量溢出的水泥沙浆对圆偏振片的污染和损害，之后便可免除光弹仪，直接对其观测或拍摄记录即可。

以上描述了本实用新型的主要技术特征和基本原理及相关优点,对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性具体实施方式的细节，而且在不背离本实用新型的构思或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将上述具体实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照各实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。