分布式光纤光栅孔壁应变计的制作方法

本发明涉及，具体地说，涉及一种本发明创造的名称为“分布式光纤光栅(fbg)孔壁应变计”，主要应用于基于孔壁套芯应力解除法的地应力测量领域，其功能是：通过设计分布式光纤光栅应变传感组件，并将其缠绕并固定在在弹性模量已知的空心管壁上，测量在套芯应力解除过程中子孔孔壁的应变量，结合孔口光纤光栅解调仪将传感器应变数据记录并存储到计算机，通过孔壁应变测量应力计算理论和空心包体应变测量应力计算理论及公式(蔡美峰，1999)求出小孔周围的原岩应力状态。

背景技术：

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(hilletal.，1994；amadeiandstephasson，1997)。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或变形，进而反演原地应力场。套芯应力解除法在测定原岩应力(绝对应力)的适用性和可靠性方面，经过国内外学者数十年的研究(o.j.olson，1949；n.hast，1974)，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，成为适用性强和可靠性高的地应力测量方法之一。套芯应力解除法的测量步骤示意图如图1-4所示：其中：81为套芯大孔，82为安装子孔，83为应变传感器探头，84为套孔岩芯。

套芯应力解除法中的钻孔孔壁应变测量法能通过一个钻孔中的一次测量，就可确定岩体的三维应力状态，被公认为最有效的测量方法之一。钻孔孔壁应变测量法所采用的应变计，目前常用的有两种型式：一种是常见的钻孔三向应变计，它是把测量元件电阻丝应变片直接粘贴在钻孔岩壁上。这种应变计测量精度高，但操作复杂，对被测岩体完整性要求高，测量成功率较低。另一种是空心包体式钻孔三向应变计，它是把应变片粘贴在预制的环氧树脂薄筒上，再浇注一层薄的环氧树脂层制成应变计，当进行地应力测量时，再用环氧树脂粘结剂充填应变计与钻孔岩壁之间的空隙。空心包体式孔壁应变仪采用带温度补偿的多组电阻应变片花作为传感器件测量孔壁应变进而反演原地应力，通过包裹在电阻应变片外部的环氧树脂壳体更好的与钻孔孔壁进行粘贴耦合，能单孔测试全应力张量。国内外对于钻孔孔壁应变测量仪器已有大量的相关研究。钻孔孔壁应变测量仪器包括瑞典国家电力局研制的borre三轴孔壁应变计、澳大利亚联邦科学和工业研究组织的(csiro)hi型空心包体应变计(andklasson，2003)。国内有长江科学院研制的新型空心包体式钻孔三向应变计、地质力学研究所研究的kx2000型空心包体式钻孔三向应变计(刘允芳等，2011)和北京科技大学蔡美峰院士发明的采用完全温度补偿技术的改进型空心包体应变计(蔡美峰等，2001)。意大利的iabichino(2014)等人利用csirohidcell数字式空心包体应变计，完成评估在单元csiro取心点附近的岩体中的完整应力状态。刘允芳等人(2008)采用瑞典深钻孔水下三向应变计在三峡工程船闸区进行地应力测量，该设备具有三向电阻应变计、定向罗盘和触发装置，其外径为70mm，其整体长度约1.7m，在76mm的钻孔中进行了突破300m深度的地应力测量。目前广泛应用的空心包体应变计主体是由环氧树脂制成的空心圆筒，采用的是单截面多点式安装方式，在圆筒中间层沿同一圆周等距离嵌入3组电阻式应变花，沿圆周均匀分布，即相邻间隔120°，每组应变花由4支应变片组成，互相间隔45°，其与z轴的夹角分别为90°(周向)，0°(周向)，45°和135°。应变花安装布设方案如图5-9所示。

根据国内外研究现状调研可以发现空心包体式孔壁应变计都是基于传统电阻式应变片的电学测试仪器，其测量原理是将电阻应变计安装在测量筒体表面，采用的是单截面多点式安装方式，测量筒体在受载荷后表面产生的微小变形“ε”会使应变计的电阻值就发生线性变化，利用电桥电路测出此电阻值的变化，即可按公式算出该构件布设应变花表面的应变。而应变片的电阻值易受外界温度的变化而产生非线性变化，测量电路不能过长影响其电阻值的测量精度，且对于大应变其电阻值具有较大的非线性，因此它们普遍存在易受测试环境尤其是温度因素的干扰，深孔测量中不宜长距离电信号的采集与传输，不易实现分布式测量等不足之处，现阶段还没有更加先进的应变片式孔壁应变计的改进方法。且单截面多点式安装方式只能测量空心圆筒单一截面的应变变化情况，测量区域有限，不能对应变计安设处的岩芯整体应变进行测量，不易反映在套芯应力解除过程中被测基体整体的形变与受力分布情况。

光纤光栅传感技术是20世纪90年代以来新兴的一种性能优良，有着广泛应用前景的无源敏感元件，是通过一定方法利用光纤材料的光敏性使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，其谐振波长对温度、应变、折射率等外界环境的变化比较敏感，其工作原理如下：光敏光纤在紫外光照射下，纤芯的折射率发生有规律的变化，形成周期性的折射率分布结构，即构成了光纤光栅。当宽谱的入射光入射到光纤光栅上，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λb处出现峰值，且有λb＝2neffλ，其中neff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10所示。

当光纤光栅周围应力场等发生变化时，通过此光栅反射的特定波长随之发生改变，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δλb＝(1-pε)ε·λb，其中pε为弹光系数，由光纤光栅的材料确定，因此通过解调波长得出波长变化量进而计算出光纤应变传感单元的应变值。

光纤光栅技术具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性好、体积小精度高、测量范围大等优点，该技术在岩土工程应变和位移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极少，仅有一些基于光纤传感技术的应力应变传感器，且多为单点式单截面的应变测量，缺乏基于该技术的地应力孔壁分布式应变监测技术的系统研究。光纤光栅的上述特性特别适用于套芯应力解除法中的孔壁应变测量领域，因而本发明创造采用光纤光栅技术研发地应力测试中的孔壁分布式应变测量技术，研发基于带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器的分布式孔壁应变计，设计分布式光纤光栅应变传感组件，实现对套芯应力解除法中孔壁应变的高精度检测。

技术实现要素：

本发明正是为了解决上述技术问题而设计的一种分布式光纤光栅孔壁应变计，通过分布式光纤光栅(fbg)孔壁应变计来开展基于套芯应力解除法的孔壁应变测试工作，其外径为36mm，满足在38～40mm安装子孔中的测量要求，测量精度达到0.5％fs。采用带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器，利用单模光纤作为传感介质，将光纤光栅应变传感器串联构建分布式传感组件，并按照一定角度(与空心管体的横截面呈45°夹角)缠绕固定在在弹性模量已知空心管壁上，外面覆盖一层环氧树脂外壳以便更好的与孔壁耦合，利用孔口光纤光栅解调仪将传感器数据记录并存储，实现应力解除过程中孔壁应变的分布式测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种分布式光纤光栅孔壁应变计，包括测量筒体部分和活塞导向部分，借鉴电阻应变片空心包体孔壁应变测试仪的主体结构，测量筒体外径为36mm，长度为336mm，活塞导向部分长度为308mm；测量筒体部分包括传感光纤、定位销、安装杆、粘结剂挡圈、测量筒体、胶室、分布式光纤光栅应变传感器组件、环氧树脂外壳和销钉孔；活塞导向部分包括活塞杆、出胶孔、粘结剂挡圈和导向器；粘结剂挡圈与粘结剂挡圈之间部分为测量段，传感光纤从安装杆的中间孔进入测量筒体内腔并与分布式光纤光栅应变传感器组件串联，定位销插在安装杆上，粘结剂挡圈的作用是防止粘结剂水漏出，胶室注满调制粘结剂，将分布式光纤光栅应变传感器封装在弹性模量已知的测量筒体内腔管壁上，外面覆盖一层环氧树脂外壳以便与测量子孔孔壁的耦合，销钉孔的作用是插入销钉将测量筒体部分与活塞导向部分连接；活塞导向部分中，活塞杆的尾部有多个出胶孔，粘结剂挡圈的作用是防止粘结剂漏出，导向器的作用是将孔壁应变计装入测量子孔的指定位置中。

所述分布式光纤光栅孔壁应变计，根据多个光纤光栅应变传感器能够在一根光纤上串联集成的特点，分布式光纤光栅应变传感器采用多组分布式缠绕的安装方式，包括a，b，c和d四组共计32个光纤光栅应变传感器，四组传感器缠绕在测量筒体内腔表面，均与空心管体的横截面呈45°夹角；通过四根传感光纤分别连接a，b，c和d四组32个光纤光栅应变传感器，其中，l1号传感光纤连接a组的41、44、53、56、57、60、69和72号共8个光纤光栅应变传感器，l2号传感光纤连接b组的43、42、55、54、59、58、71和70号共8个光纤光栅应变传感器，l3号传感光纤连接c组的45、48、49、52、61、64、65和68号共8个光纤光栅应变传感器，l4号传感光纤连接d组的47、46、51、50、63、62、67和66号共8个光纤光栅应变传感器，在每根光纤上按照等间距布设光纤光栅应变传感器；其中41、43、45和47号传感器沿圆周均匀分布，相邻传感器之间夹角均90°；同理42、44、46和48号传感器也是相同分布情况，且41号与42号与z轴的夹角分别为135°和45°，43号与44号，45号与46号，47号与48号也是相同位置关系；因此41、43、45和47号传感器与42、44、46和48号传感器构成一组测量单元，通过空心包体应变测量应力计算公式利用8个传感器的应变量计算出该区域的应力分布情况；同理，49、51、53和55，57、59、61和63，65、67、69和71与41、43、45和47号传感器分布和排列方向一致，而50、52、54和56，58、60、62和64，66、68、70和72与42、44、46和48号传感器分布和排列方向一致，因此49、51、53和55号传感器与50、52、54和56号传感器构成一组测量单元，57、59、61和63号传感器与58、60、62和64号传感器构成一组测量单元，65、67、69和71号传感器与66、68、70和72号传感器构成一组测量单元；利用上述四组测量单元计算出测量管体各区域的应力分布情况，实现测量管体表面应变的分布式检测。

所述多点式光纤光栅孔壁应变计，光纤光栅应变传感器为具有温度补偿的应变传感器，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内腔外壁之前，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，进而在压力加载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(27)内部有一个不受应变影响的感温光栅，其作用为测量环境温度变化δt，有式中：λt0为感温光栅的初始波长；λt1为t1时刻的波长；r1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δλs为：δλs＝rs·t，式中rs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加载压力下的波长为：λs＝λ-δλs，其中λ为t1时刻波长解调仪解调出的波长。

目前，基于套芯应力解除法的空心包体式孔壁应变计都是基于传统电阻式应变片的电学测试仪器，它们普遍存在易受测试环境尤其是温度因素的干扰、深孔测量中不宜长距离电信号的采集与传输、测量面积小且不易实现分布式测量等不足之处，现阶段还没有更先进的钻孔孔壁应变变化观测方法。针对上述不足之处，提出基于带温度补偿的光纤光栅应变传感器的孔壁应变分布式检测方法，并研制分布式光纤光栅孔壁应变计。

本发明的有益效果是：本发明具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀性好、体积小精度高、测量面积大等优点，且结构简单，尺寸较小，安装与测量流程快速方便，可以实现在φ38～40mm安装子孔中的孔壁应变测量。

附图说明

图1为套芯应力解除地应力测量步骤示意图之一。

图2为套芯应力解除地应力测量步骤示意图之二。

图3为套芯应力解除地应力测量步骤示意图之三。

图4为套芯应力解除地应力测量步骤示意图之四。

图5为空心包体应变计应变花安装布设示意图。

图6为空心包体应变计应变花安装布设示意图局部放大图之一。

图7为空心包体应变计应变花安装布设示意图局部放大图之二。

图8为空心包体应变计应变花安装布设示意图局部放大图之三。

图9为空心包体应变计应变花安装布设示意图局部放大图之四。

图10为光栅的反射谱与透射光谱图。

图11为本发明分布式光纤光栅孔壁应变计结构组成示意图。

图12为本发明光纤光栅应变传感器布设连接方式示意图。

图13为本发明分布式光纤光栅孔壁应变计入孔示意图。

图14为本发明分布式光纤光栅孔壁应变计到孔底出胶凝结示意图。

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。

如图1所示，本发明一种分布式光纤光栅孔壁应变计，包括测量筒体25部分和活塞导向部分，测量筒体25外径为36mm，长度为336mm，活塞导向部分长度为308mm；测量筒体部分包括传感光纤21、定位销22、安装杆23、粘结剂挡圈24、测量筒体25、胶室26、分布式光纤光栅应变传感器27组件、环氧树脂外壳28和销钉孔29；活塞导向部分包括活塞杆30、出胶孔31、粘结剂挡圈24'和导向器32；粘结剂挡圈24与粘结剂挡圈24'之间部分为测量段，传感光纤21从安装杆23的中间孔进入测量筒体25内腔并与分布式光纤光栅应变传感器27组件串联，定位销22插在安装杆23上，粘结剂挡圈24的作用是防止粘结剂水漏出，胶室26注满调制粘结剂，将分布式光纤光栅应变传感器27封装在弹性模量已知的测量筒体25内腔管壁上，外面覆盖一层环氧树脂外壳28以便与测量子孔38孔壁的耦合，销钉孔29的作用是插入销钉39将测量筒体部分与活塞导向部分连接；活塞导向部分中，活塞杆30的尾部有多个出胶孔31，粘结剂挡圈24'的作用是防止粘结剂漏出，导向器32的作用是将孔壁应变计装入测量子孔38的指定位置中。

所述分布式光纤光栅孔壁应变计，根据多个光纤光栅应变传感器能够在一根光纤上串联集成的特点，分布式光纤光栅应变传感器27采用多组分布式缠绕的安装方式，包括a，b，c和d四组共计32个光纤光栅应变传感器，四组传感器缠绕在测量筒体25内腔表面，均与空心管体的横截面呈45°夹角；通过四根传感光纤21分别连接a，b，c和d四组32个光纤光栅应变传感器，其中，l1号传感光纤连接a组的41、44、53、56、57、60、69和72号共8个光纤光栅应变传感器27，l2号传感光纤连接b组的43、42、55、54、59、58、71和70号共8个光纤光栅应变传感器27，l3号传感光纤连接c组的45、48、49、52、61、64、65和68号共8个光纤光栅应变传感器27，l4号传感光纤连接d组的47、46、51、50、63、62、67和66号共8个光纤光栅应变传感器27，在每根光纤上按照等间距布设光纤光栅应变传感器27；其中41、43、45和47号传感器沿圆周均匀分布，相邻传感器之间夹角均90°；同理42、44、46和48号传感器也是相同分布情况，且41号与42号与z轴的夹角分别为135°和45°，43号与44号，45号与46号，47号与48号也是相同位置关系；因此41、43、45和47号传感器与42、44、46和48号传感器构成一组测量单元，通过空心包体应变测量应力计算公式利用8个传感器的应变量计算出该区域的应力分布情况；同理，49、51、53和55，57、59、61和63，65、67、69和71与41、43、45和47号传感器分布和排列方向一致，而50、52、54和56，58、60、62和64，66、68、70和72与42、44、46和48号传感器分布和排列方向一致，因此49、51、53和55号传感器与50、52、54和56号传感器构成一组测量单元，57、59、61和63号传感器与58、60、62和64号传感器构成一组测量单元，65、67、69和71号传感器与66、68、70和72号传感器构成一组测量单元；利用上述四组测量单元计算出测量管体各区域的应力分布情况，实现测量管体表面应变的分布式检测。

所述多点式光纤光栅孔壁应变计，其光纤光栅应变传感器27为具有温度补偿的应变传感器，其温度标定与补偿方法是：在光纤光栅应变传感器27安装在测量筒体25内腔外壁之前，先将光纤光栅应变传感器27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，进而在压力加载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27内部有一个不受应变影响的感温光栅，其作用为测量环境温度变化δt，有式中：λt0为感温光栅的初始波长；λt1为t1时刻的波长；r1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δλs为：δλs＝rs·t，式中rs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加载压力下的波长为：λs＝λ-δλs，其中λ为t1时刻波长解调仪解调出的波长。

实施例

分布式光纤光栅(fbg)孔壁应变计的安装流程如下：

(1)在测量钻孔、子孔成孔及准备工作就绪后，将粘结剂注入测量基体的胶室内，将测量基体和活塞导向部分由销钉固定好，记录多点光纤光栅应变传感器的第一次初值。如图13所示，用带有定向器的安装杆将光纤光栅孔壁应变计送入测量子孔。

(2)应变计到达测量位置后，剪断固定销钉，使粘结剂从胶室挤出，经活塞的中间孔由出胶孔挤出，进入两组粘结剂挡圈之间的区域胶结，再次记录多点光纤光栅应变传感器的第二次初值。如图14所示。

(3)待粘结剂固化后(一般需要8-16小时左右)，即可进行应力解除试验，将传感光纤依次从岩心管、钻杆及其后部的保护管穿出，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。在套芯过程中进行光栅应变传感器的测量，套芯钻进解除作业每隔2cm读数一次，利用光纤光栅解调仪读取所有传感器波长数据一次，并记录光纤光栅解调仪读数，直到读数不随进尺变化时停止套芯。套芯结束后，取出带有应变计的岩芯。

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。