CN109141271A - 多点式光纤光栅孔底应变计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点式光纤光栅孔底应变计，包括测量锥体部分、储胶腔体和活塞杆部分；测量锥体部分包括光纤光栅应变传感器、出胶孔和粘结剂挡圈、储胶腔体和销钉孔，光纤光栅应变传感器粘贴在圆锥形橡胶帽外壁上，其引线布设在引线槽中；通过活塞杆向储胶腔体方向运动将储胶腔体中的胶从下端出胶孔挤出，将光纤光栅应变传感器转贴到锥形孔底岩体上，与周围岩体一起变形，获得应力解除过程中岩体应变信息。本发明具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性好、体积小精度高、测量范围大、引线数量少、传输距离长等优点，且结构简单，尺寸较小，对岩体完整性要求低，安装与测量流程快速方便，可以实现在Φ76mm安装子孔中的孔底应变测量。

Description

多点式光纤光栅孔底应变计

技术领域

本发明涉及地球物理岩体应力测量领域，具体地说，涉及一种多点式光纤光栅孔底应变计。主要应用于基于套芯应力解除方法的地应力测量领域，其功能是采用布设在圆锥头上的多个带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器，测量套芯过程由于应力解除引起的子孔孔底应变及其变化，通过孔底应变测量应力计算原理及公式求出小孔周围的原地应力状态。

背景技术

地应力测量是测量固体地球物理现象背后物理机制的力学基本参数，在地下隧道、铁路、公路、采矿工程围岩、高边坡及岩土开挖等地质工程中应用十分广泛。随着人类对能源和矿产资源需求量的增加和开采强度的不断加大，浅部矿产资源日益减少，国内外矿山都相继进入深部资源开发状态，而深部开采中遇到的“三高”问题（高地应力、高地温、高水压）将成为深部开采岩体力学研究中的焦点和难点问题（何满潮等，2005）。准确确定深部开发空间区域的地应力时空分布特征和规律是解决以上难题的必要途径之一，也是地质工程问题稳定性研究和设计分析、实现岩土工程决策科学化的必要前提，因此地应力测量理论、方法及技术的研究，具有重要的科学意义。

深部地壳应力状态的观测与估算是地应力实测工作的一个重要难点问题，从地应力概念提出至今，各国科学家提出的数十种地应力测试方法按照其数据来源归类，大概可以分为五大类：基于岩芯的方法、基于钻孔的方法、地质学方法、地球物理方法（或地震学方法）、基于地下空间的方法（Hill et al.，1994；Amadei and Stephasson，1997）。在这些地应力测量方法中，只有套芯应力解除法和水压致裂法能提供水平应力的主应力大小和方向，其余地应力测量方法仅能提供主应力方向，不能提供主应力大小。套芯应力解除法作为一种基于钻孔的地应力测量常用方法，通过监测岩芯从母岩解除下来过程中的应变和变形，进而反演原地应力场。该方法能通过一个钻孔中的一次测量，就可以确定岩体的三维应力状态，而无需三孔交汇应力测量，是公认的最有效的三维应力测量方法。

套芯应力解除法是基于平面应变解除法发展起来的，1958年Hast第一次公布了他于1952-1953年期间在瑞典拉依斯瓦尔(Laiswall)铅矿和斯堪的纳维亚半岛四个矿区利用压磁电感法地应力测量仪所得的钻孔应力测量结果，引起了人们的震惊。从Hast 1958年公布其研究成果后，世界各国都大力研制和发展钻孔应力测量技术。经过国内外学者数十年的研究，目前已形成一套标准化的测量程序，使用和测量过程相对与别的测试方法较为方便，且测量设备重量体积较小，成为适用性最强和可靠性最高的地应力测量方法之一。

根据测量元件安装和测量的物理量不同，套芯应力解除测量法又可分为钻孔孔壁应变测量法、钻孔孔径变形测量法和钻孔孔底应变测量法三种(蔡美峰，2000)，分别通过监测解除过程中孔壁应变、孔径变形和孔底应变来计算原地应力场。钻孔孔壁应变测量法将测量元件电阻式应变片直接粘贴在钻孔岩壁上，或者将测量元件电阻式应变片包裹在环氧树脂壳体内再粘贴到钻孔岩壁上，进行钻孔三向应变测量，实现单孔测试全应力张量。该方法测量精度高，但操作复杂，对被测岩体完整性要求高，测量成功率较低。钻孔孔径变形测量法原理是应力解除后钻孔的孔径会发生改变，通过记录这一改变量，应用某个基本理论推导得到表示各有关变量之间的物理数学关系式进行求解，从而得到了岩石应力的测量方法。这类的测量设备有很多，但是钻孔孔径变形测量法只能测量平面应力状态，无法得到真实三维应力状态。

孔底应变法的原理是把电阻式应变片粘贴在孔底某位置的平面，然后套孔解除岩芯应力，测量应变，从而得到了钻孔周边三维应力的测量方法。这类测量仪器的典型代表有南非的Leeman研制的“CSIR门塞式”孔底应变计（Leeman，1964）、日本Sugawara等人研制的半球形孔底应变计(Sugawara and Obara, 1986)和圆锥形孔底应变计(Sugawara等，1999)。特别是Sugawara等人研制的16个或24个应变片圆锥形孔底应变计—CCBO孔底应变计，可以通过16到24个应变片组合单元，可以准确有效的测试钻孔锥形底部表面应变进而获得原地应力，有效减少测试时间、精力和测试费用。该方法优点是它对岩体完整性要求低，不需要很长的套孔岩芯，只要孔底那一段完整就可以使用，在高地应力条件下有优势，特别是受饼状岩芯影响的区域，该方法优势非常明显，因而能够用于比较破碎的岩体中。

然而由于现有孔底应变计都是基于传统电阻式应变片为测量元件，而电阻式应变片测量中普遍存在易受测试环境尤其是温度因素的干扰，具体主要存在以下问题：

1. 孔底应变仪的主要应变测量元件，电阻式应变片的电阻值容易受外界温度的变化而产生非线性变化，且大应变下其电阻值具有较大非线性，因而其受环境影响较大，抗潮湿和抗干扰能力较差；

2. 由于应变信号是通过电阻变化来反映，在传输过程中损耗大，不易长距离采集和传输，因而测量深度有限，不适宜深孔测量。

3. 16个应变片需要32根引线，引线数量较多、引线粗，不便于安装及小孔测量。

鉴于以上客观技术原因，非常有必要基于新的传感器技术研发新一代的孔底应变仪。

光纤光栅（FBG：Fiber Bragg Grating）传感技术是20世纪90年代以来新兴的基于光纤无源敏感器件的传感技术，由于其敏感变化参量为光的波长，因而不受光源、传输线路损耗等因素的干扰，具有优良的温度和应变响应特性，有着广泛应用前景，FBG是利用掺杂（如锗、磷等）光纤的光敏性，该技术通过紫外写入的方法使外界入射光子和纤芯内的掺杂粒子相互作用，导致光纤纤芯的折射率发生轴向周期性或非周期性的永久性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。FBG传感的基本原理如图1所示，当一束宽谱的入射光入射到FBG时，根据光栅理论，在满足Bragg条件的情况下，就会发生全反射，其反射光谱在Bragg波长λ _B处出现峰值，且有λ _B=2n _effΛ，其中n _eff为纤芯的有效折射率，Λ为折射率变化的周期（即栅距），光纤光栅的反射谱与透射光谱特性如图1所示。

当光纤光栅外部物理场（如应力应变、温度等）发生变化时，其栅距Λ随之发生变化，从而改变了光栅后向反射光的波长。根据此原理制成的光纤光栅应变传感器的波长变化与应变之间的表达式有：∆λ _B=(1-P _ε)ε•λ _B，其中P _ε为弹光系数，由光纤光栅的材料确定。因此，只有检测到反射信号中光栅Bragg波长的变化∆λ _B，即可检测到待测应变变化。

光纤光栅技术除了具备一般光纤传感技术的优点外，还具有以下优点：

1. 抗干扰能力强、耐腐蚀性好、体积小，有很高的可靠性和稳定性；

2. 测量灵敏度高、分辨率高、精度高，具有良好的重复性；

3. 动态范围大、线性好，能自定标，可用于对外界参量的绝对测量；

4. 能在一根光纤内集成多个传感器，可重复使用，便于构成各种形式的光纤传感器网络，实现分布式测量；

5. 便于远距离监测，可做成智能传感器，应用广泛；

6. 结构简单、寿命长，便于维修保养、扩展与安装等。

该技术在岩土工程健康监测领域已经有较为广泛的应用，但是在地应力变化观测方面涉及较少，仅有一些基于光纤传感技术的应力应变传感器，缺乏基于该技术的地应力孔底应变监测方法研究。光纤光栅的上述特性特别适应于套芯应力解除法中的孔底应变测量领域，因而本发明基于光纤光栅技术发展了地应力测试中的孔底应变测量技术，研发基于带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器的多点式孔底应变计，实现对套芯应力解除法中孔底应变的高精度检测。

发明内容

本发明正是为了解决上述技术问题而设计的一种多点式光纤光栅孔底应变计。通过发明多点式光纤光栅（FBG）孔底应变计来开展基于套芯应力解除法的孔底应变测试工作，其最大外径为50mm的锥体，满足在76mm钻孔中的测量要求，其测量精度达到0.5%FS。采用多点式带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器，将其固定在锥形壁上，通过环氧树脂胶将传感器粘贴到孔底，结合孔口光纤光栅解调仪将传感器数据记录并存储，实现套芯应力解除过程中孔底应变测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、多点式光纤光栅（FBG）孔底应变计主体结构设计

本发明所述多点式光纤光栅（FBG）孔底应变计主体结构由三部分组成，分别是测量锥体部分、储胶腔体和活塞杆部分。多点式光纤光栅（FBG）孔底应变计的结构组成示意图如图2所示。测量锥体部分包括光纤光栅应变传感器、出胶孔和粘结剂挡圈、储胶腔体和销钉孔，光纤光栅应变传感器粘贴在圆锥形橡胶帽外壁上，光纤缠绕在上下凹槽内，其引线布设在引线槽中；活塞杆上端有与定向器、安装杆的连接装置，其上端设有安装定位销钉孔和引线槽，通过转动安装杆实现安装杆与活塞杆的连接与分离；通过活塞杆向储胶腔体方向运动将储胶腔体中的胶从下端出胶孔挤出并压实，将光纤光栅应变传感器转贴到锥形孔底岩体上，与周围岩体一起变形，获得应力解除过程中岩体应变信息。

、传感器布设方案

光纤光栅应变传感器采用多点式安装方式，如图3所示，在测量锥体上共8组光纤光栅应变传感器，沿测量锥体圆周均匀分布，即相邻间隔45°，每组有2个光纤光栅应变传感器，其与ρ轴的夹角分别为0°，90°。

光纤光栅应变传感器的布设和连接方式如图4和图5：利用2根传感光纤将16个光纤光栅应变传感器分2组进行串联连接，其中垂直ρ轴方向即周向的光纤光栅应变传感器为A组，每安装1个光纤光栅应变传感器在其上面凹槽缠绕一圈，然后安装下一个光纤光栅应变传感器；其中沿着ρ轴方向的光纤光栅应变传感器为B组，每个光纤光栅应变传感器根据引线位置分别从上、下部凹槽交替缠绕一圈，2组光纤光栅应变传感器分别测量周向ε_θ和轴向ε_ρ应变，便于进行数据分析。

、传感器温度补偿

光纤光栅应变传感器为具有温度补偿单元的应变传感器，其温度标定与补偿方法是：在光纤光栅应变传感器安装在测量筒体之前，先将光纤光栅应变传感器单元放置于恒温水域箱中进行温度标定实验，对波长随温度变化的实验数据进行拟合、处理和分析，通过温度标定实验得到应变传感单元的温度灵敏度系数，进而在套芯应力解除实测中对应变传感单元温度进行补偿；带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器内部有一个不受应变影响的感温光栅，其作用为监测环境温度变化ΔT，有ΔT=(λ _t1 -λ _t0)/R ₁，式中：λ _t0为感温光栅的初始波长；λ _t1为t ₁时刻的波长；R ₁为感温光栅的温度灵敏度；环境温度ΔT引起光纤光栅应变传感器波长改变，变化量Δλ _s为：Δλ _s=R _sΔT，式中R _s为应变传感单元的温度灵敏度；将解调仪解调出的波长λ减去温度引起的波长变化，最终得到光纤光栅应变传感器在套芯应力解除过程中的波长为：λ _s=λ-Δλ _s，其中λ为t ₁时刻波长解调仪解调出的光纤光栅应变传感器波长。

本发明的有益效果是：一种多点式光纤光栅孔底应变计针对电阻式应变片抗干扰能力和长距离传输损耗等不足之处，提出基于多点式带温度补偿的光纤光栅应变传感器的地应力孔底应变检测方法，并研制光纤光栅孔底应变计。本发明具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性好、体积小精度高、测量范围大、引线数量少、传输距离长等优点，且结构简单，尺寸较小，对岩体完整性要求低，安装与测量流程快速方便，可以实现在Φ76mm安装子孔中的孔底应变测量。

附图说明

图1为光栅的反射谱与透射光谱图。

图2 多点式光纤光栅孔底应变计结构组成示意图。

图3光纤光栅应变传感器安装方式示意图。

图4光纤光栅应变传感器布设示意图。

图5光纤光栅应变传感器布设示意图二-展开图

图6为套芯应力解除孔底应变法地应力测量步骤示意图之一-套芯大孔。

图7为套芯应力解除孔底应变法地应力测量步骤示意图之二-安装小孔。

图8为套芯应力解除孔底应变法地应力测量步骤示意图之三-应变传感器安装。

图9为套芯应力解除孔底应变法地应力测量步骤示意图之四-套钻岩芯。

图10为多点式光纤光栅孔底应变计应变测试结果之一。

图11为多点式光纤光栅孔底应变计应变测试结果之二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

参见图2，本发明所述多点式光纤光栅（FBG）孔底应变计结构组成示意图，图中1是圆锥形橡胶帽，2是光纤光栅应变传感器，3是出胶小孔，4是光纤缠绕凹槽，5是粘结剂挡圈，6是储胶腔体，7是销钉孔，8是活塞杆，9是引线槽，10是安装定位销钉孔。分别是测量锥体部分1-5、储胶腔体6和活塞杆8部分。光纤光栅应变传感器2预粘贴在圆锥形橡胶帽1外壁上，光纤缠绕在上下凹槽4内，其引线布设在引线槽9中；粘结剂储存在胶室6内，通过活塞杆8向储胶腔体6方向运动将储胶腔体6中的胶从下端出胶孔3挤出并压实，将光纤光栅应变传感器2转贴到锥形孔底岩体上；活塞杆8上端设有安装定位销钉孔10和引线槽9，通过转动安装杆实现安装杆与活塞杆的连接与分离；当粘结剂固化后（一般需要4~12h），光纤光栅应变传感器2和孔底牢固胶结，取出安装杆，开始套芯解除，光纤光栅应变传感器2与周围岩体一起变形，获得应力解除过程中岩体应变信息。

光纤光栅应变传感器2采用多点式安装方式，空间布置如图3所示，在测量锥体上共8组光纤光栅应变传感器2，沿测量锥体圆周均匀分布，即相邻间隔45°，每组有2个光纤光栅应变传感器2，其与ρ轴的夹角分别为0°，90°。

所述的多点式光纤光栅孔底应变计，光纤光栅应变传感器(2)的连接方式：是按照与ρ轴的夹角分为A、B两组（如图4、图5），利用2根传感光纤将16个光纤光栅应变传感器2分2组进行串联连接，其中垂直ρ轴方向即周向的光纤光栅应变传感器为A组，每安装1个光纤光栅应变传感器2在其上面凹槽4缠绕一圈，然后安装下一个光纤光栅应变传感器；其中沿着ρ轴方向的光纤光栅应变传感器2为B组，每个光纤光栅应变传感器2根据引线位置分别从上、下部凹槽4交替缠绕一圈，2组光纤光栅应变传感器2分别测量周向ε_θ和轴向ε_ρ应变，便于进行数据分析。

所述多点式光纤光栅孔底应变计，光纤光栅应变传感器2为具有温度补偿单元的应变传感器，其温度标定与补偿方法是：在光纤光栅应变传感器2安装在测量筒体之前，先将光纤光栅应变传感器2单元放置于恒温水域箱中进行温度标定实验，对波长随温度变化的实验数据进行拟合、处理和分析，通过温度标定实验得到应变传感单元的温度灵敏度系数，进而在套芯应力解除实测中对应变传感单元温度进行补偿；带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器内部有一个不受应变影响的感温光栅，其作用为监测环境温度变化ΔT，有ΔT=(λ _t1 -λ _t0)/R ₁，式中：λ _t0为感温光栅的初始波长；λ _t1为t ₁时刻的波长；R ₁为感温光栅的温度灵敏度；环境温度ΔT引起光纤光栅应变传感器波长改变，变化量Δλ _s为：Δλ _s=R _sΔT，式中R _s为应变传感单元的温度灵敏度；将解调仪解调出的波长λ减去温度引起的波长变化，最终得到光纤光栅应变传感器在套芯应力解除过程中的波长为：λ _s=λ-Δλ _s，其中λ为t ₁时刻波长解调仪解调出的光纤光栅应变传感器波长。

实施例：

本发明多点式光纤光栅孔底应变计借鉴CCBO孔底应变测试仪的主体结构，其最大外径为50 mm，整体长度100mm。其进行套芯应力解除孔底应变测量法测量地应力时，测量步骤如图6-9所示。首先在测点处钻取一钻孔至预定深度（一般大于巷道直径）（如图6），然后用特制圆锥形钻头钻深度为280mm左右的小孔（如图7）。钻孔上倾5～10°以便于岩粉和泥浆排出。用清水、棉纱和丙酮清洗和擦拭小孔，将孔内清洁干净。

在测量钻孔、子孔成孔及准备工作就绪后，将搅拌好的粘结剂注入胶室内，将测量锥体与活塞部分由销钉固定好，记录多点光纤光栅应变传感器的第一次初值。用带有定向装置的安装杆将光纤光栅孔底应变计送入测量子孔（如图8）。

应变计送达预定位置后，用力推进安装杆并慢慢前进，此时粘结剂从空腔小孔流进测孔和元件的孔隙之间，再次记录多点光纤光栅应变传感器的第二次初值。

待粘结剂固化后（一般需要4~12h），使元件和孔底牢固胶结，并记录FBG传感器的角度，然后取出定向仪，将传感光纤依次从岩心管、钻杆及其后部的三通管穿出，连接孔口光纤光栅解调仪，并记录光栅应变传感器的最终初值。冲水数分钟，待应变读数稳定后，即可进行套芯解除（如图9），在套芯过程中进行光栅应变传感器的测量，套芯每隔0.5cm读数一次，记录光纤光栅解调仪读数，待读数不随进尺变化时(进尺约100mm到200mm)停止套芯。套芯结束后，取出带有应变计的岩芯。进行平面二维标定，最后利用专用软件将测量读数转换为地应力。

本套设备在实验室中的原地应力测试实验进行了测试，应用效果良好。多点式光纤光栅（FBG）孔底应变计的所测量和记录的应变曲线。由图10和11可知，图中显示的16个通道信号，平稳光滑，抗干扰能力强，十分理想。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下得出的其他任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多点式光纤光栅孔底应变计，包括测量锥体部分、储胶腔体(6)和活塞杆(8)部分，活塞杆(8)上端有与定向器、安装杆的连接装置，其上端设有安装定位销钉孔(10)和引线槽(9)，通过转动安装杆实现安装杆与活塞杆的连接与分离；其特征在于：测量锥体部分包括光纤光栅应变传感器(2)、出胶孔(3)和粘结剂挡圈(5)、储胶腔体(6)和销钉孔(7)，光纤光栅应变传感器(2)粘贴在圆锥形橡胶帽(1)外壁上，光纤缠绕在上下凹槽(4)内，其引线布设在引线槽(9)中；通过活塞杆(8)向储胶腔体(6)方向运动将储胶腔体(6)中的胶从下端出胶孔(3)挤出，将光纤光栅应变传感器(2)转贴到锥形孔底岩体上，与周围岩体一起变形，获得应力解除过程中岩体应变信息。

2.根据权利要求1所述的多点式光纤光栅孔底应变计，其特征在于：光纤光栅应变传感器(2)采用单截面多点式安装方式，在测量锥体上共8组光纤光栅应变传感器(2)，沿测量锥体圆周均匀分布，即相邻间隔45°，每组有2个光纤光栅应变传感器(2)，其与ρ轴的夹角分别为0°，90°。

3.根据权利要求2所述的多点式光纤光栅孔底应变计，其特征在于：光纤光栅应变传感器(2)的连接方式：利用2根传感光纤将16个光纤光栅应变传感器(2)分2组进行串联连接，其中垂直ρ轴方向即周向的光纤光栅应变传感器为A组，每安装1个光纤光栅应变传感器(2)在其上面凹槽(4)缠绕一圈，然后安装下一个光纤光栅应变传感器；其中沿着ρ轴方向的光纤光栅应变传感器(2)为B组，每个光纤光栅应变传感器(2)根据引线位置分别从上、下部凹槽(4)交替缠绕一圈，2组光纤光栅应变传感器(2)分别测量周向ε_θ和轴向ε_ρ应变，便于进行数据分析。

4.根据权利要求1、2或3所述的多点式光纤光栅孔底应变计，其特征在于：光纤光栅应变传感器(2)为具有温度补偿单元的应变传感器，其温度标定与补偿方法是：在光纤光栅应变传感器(2)安装在测量筒体之前，先将光纤光栅应变传感器(2)单元放置于恒温水域箱中进行温度标定实验，对波长随温度变化的实验数据进行拟合、处理和分析，通过温度标定实验得到应变传感单元的温度灵敏度系数，进而在套芯应力解除实测中对应变传感单元温度进行补偿；带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器内部有一个不受应变影响的感温光栅，其作用为监测环境温度变化ΔT，有ΔT=(λ _t1 -λ _t0)/R ₁，式中：λ _t0为感温光栅的初始波长；λ _t1为t ₁时刻的波长；R ₁为感温光栅的温度灵敏度；环境温度ΔT引起光纤光栅应变传感器波长改变，变化量Δλ _s为：Δλ _s=R _sΔT，式中R _s为应变传感单元的温度灵敏度；将解调仪解调出的波长λ减去温度引起的波长变化，最终得到光纤光栅应变传感器在套芯应力解除过程中的波长为：λ _s=λ-Δλ _s，其中λ为t ₁时刻波长解调仪解调出的光纤光栅应变传感器波长。