基于光纤光栅的岩石力学测试装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种基于光纤光栅的岩石力学测试装置，属于岩石分析技术领域。


背景技术：

2.节理在天然岩体中广泛存在，作为岩体的一部分，这些节理极易影响岩体强度和变形行为，研究岩体节理变形特征对提高井壁稳定性具有重要意义。岩石节理以剪切破坏为主要形式，研究岩石节理剪切破坏过程中的剪切变形特征对岩石节理剪切破坏预测和破坏后岩石节理力学状态估计都有一定帮助，剪力/剪切变形监测是必不可少的一项重要技术手段。通过对振动结构进行剪力/剪切变形实时监测，能及时了解到岩石状态，防止安全事故的发生。传统的电类振动传感器容易受到外界电磁干扰并且接线繁琐，存在零漂、温漂等缺陷，无法满足它们在恶劣环境中长期、远距离实时监测中的具体应用。光纤光栅因其能够抗电磁干扰、体积小、易组网等优点被广泛应用在结构健康监测中，以光纤光栅作为敏感元件的剪力/剪切变形传感器在振动检测应用中拥有广阔的前景。现有剪力/剪切变形传感器测量精度不高，灵敏性也较差，难以达到测量要求，因此，提高剪力/剪切变形传感器的灵敏度具有重要的研究意义。大多数基于柔性铰链结构的光纤光栅传感器都是基于柔性铰链的转动特性，导致传感器的灵敏度较低。


技术实现要素：

3.针对上述技术问题，本实用新型提供一种基于光纤光栅的岩石力学测试装置，该测试装置通过在连接块的上下端对称的设置相同的光纤光栅，两根光纤光栅的中心波长漂移量大小相等、方向相反，将两者差分即可消除温度变化的影响，同时提高了传感器的灵敏度。
4.为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：
5.一种基于光纤光栅的岩石力学测试装置，包括：
6.基底，所述基底为框架结构；
7.连接块；
8.第一光纤光栅和第二光纤光栅，所述第一光纤光栅的第一端和第二光纤光栅的第一端对称固定在所述连接块的第一端和第二端，二者的第二端分别与所述基底连接；
9.第一平动式铰链结构和第二平动式铰链结构，所述第一平动式铰链结构和第二平动式铰链结构的第一端对称固定在所述连接块的第三端和第四端，二者的第二端分别与所述基底连接。
10.所述的岩石力学测试装置，优选地，所述第一平动式铰链结构为单杆双铰链结构，包括第一连接杆以及设置于所述第一连接杆两端的第一铰链和第二铰链，所述第一铰链的另一端连接所述基底，所述第二铰链的另一端连接所述连接块。
11.所述的岩石力学测试装置，优选地，所述第二平动式铰链结构为单杆双铰链结构，
包括第二连接杆以及设置于所述第二连接杆两端的第三铰链和第四铰链，所述第三铰链的另一端连接所述连接块，所述第四铰链的另一端连接所述基底。
12.所述的岩石力学测试装置，优选地，所述基底的边框表面与所述连接块的表面位于同一平面上。
13.所述的岩石力学测试装置，优选地，所述第一光纤光栅和第二光纤光栅通过结构胶固定在所述基底和所述连接块之间。
14.所述的岩石力学测试装置，优选地，所述基底为方形框架结构，所述第一光纤光栅、所述连接块、所述第二光纤光栅、所述第一平动式铰链结构以及所述第二平动式铰链结构共同组成十字形结构。
15.基于上述岩石力学测试装置，本实用新型还提供改装置的测试方法，包括如下步骤：
16.把所述岩石力学测试装置固定在被测结构上,在被测结构的外界激励作用下, 所述连接块在剪力的作用下只产生平动，从而使得所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅发生轴向拉伸和轴向压缩,导致所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅产生大小相等、方向相反的波长漂移，将两者差分，以便将所述岩石力学测试装置的灵敏度提高一倍，同时可以进行温度补偿，将被测结构的剪力/剪切变形信号转化为所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅中心波长的漂移量,通过对所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的波长漂移量的测量便可获得剪力/剪切变形的大小。
17.本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
18.1、本实用新型所述提供的岩石力学测试装置由两个连接杆和四个柔性铰链组成的平动式多铰链机构创新性地应用于测试装置中，剪力/剪切变形使得连接块只发生平动，这样光纤光栅不会产生弯曲变形，提高了光纤光栅的疲劳强度，从而增加了光纤光栅剪力/剪切变形测试装置的使用寿命。
19.2、本实用新型所提供的岩石力学测试装置通过在连接块的上下端对称设置相同的光纤光栅，两根光纤光栅的中心波长漂移量大小相等、方向相反，将两者差分即可消除温度变化的影响，同时提高了测试装置的灵敏度。
20.3、本实用新型所述的剪力/剪切变形测试装置根据测试装置的数学模型可以对测试装置中的铰链尺寸进行优化设计，以能够满足不同应用场合对测试装置灵敏度的需求，该测试装置具有良好的应用前景。
附图说明
21.图1为本实用新型一实施例提供的基于光纤光栅的岩石力学测试装置的示意图；
22.图2本实用新型该实施例提供的岩石力学测试装置中平动式多铰链结构的示意图；
23.图中附图标记如下：
24.1-第一平动式铰链结构；2-第一光纤光栅；3-第二光纤光栅；4-基底；5-连接块；6-第二平动式铰链结构；
25.1-1-第一铰链，1-2-第一连接杆，1-3-第二铰链；
26.6-1-第三铰链，6-2-第二连接杆，6-3-第四铰链。
具体实施方式
27.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型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。基于本实用新型中的实施例，本领域普通人员在没有做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。
28.本实用新型基于大多数基于柔性铰链结构的光纤光栅传感器都是基于柔性铰链的转动特性，导致传感器的灵敏度较低的问题，而提出的基于平动式多铰链的光纤光栅剪力/剪切变形测试装置,剪力/剪切变形使得连接块只发生平动，从而使光纤光栅不会发生弯曲变形，提高了光纤光栅的疲劳强度，增加了光纤光栅剪力/剪切变形测试装置的使用寿命。同时使光纤光栅能最大程度地感知剪力/剪切变形，提高了剪力/剪切变形测试装置的灵敏度。
29.如图1所示，本实用新型所涉及的基于光纤光栅的岩石力学测试装置包括第一平动式铰链结构1、第二平动式铰链结构6、基底4、第一光纤光栅2、第二光纤光栅3、连接块5；第一平动式铰链结构1、第二平动式铰链结构6为单杆双铰链结构；第一光纤光栅2和第二光纤光栅3固定于基底4与连接块5上，组成光纤光栅剪力/剪切变形岩石力学测试装置。连接块5的表面和基底4的左右边框表面在同一平面上，使用时，将这三个表面粘贴在被测物体的侧面上，即可实现剪力/剪切变形的测量。
30.如图2所示，第一平动式铰链结构1包括包括第一连接杆1-2以及设置于所述第一连接杆1-2两端的第一铰链1-1和第二铰链1-3，所述第一铰链1-1的另一端连接所述基底4，所述第二铰链1-3的另一端连接所述连接块5。
31.进一步地，第二平动式铰链结构6包括第二连接杆6-2以及设置于所述第二连接杆6-2两端的第三铰链6-1和第四铰链6-3，所述第三铰链6-1的另一端连接所述连接块5，所述第四铰链6-3的另一端连接所述基底4。
32.进一步地，第一光纤光栅2和第二光纤光栅3通过结构胶固定在基底4的上下边框和连接块5之间。第一光纤光栅2、第二光纤光栅3固定前需要进行预拉伸，通过预拉伸，可以有效感知负应变。
33.进一步地，4个铰链均为柔性铰链，4个铰链之间通过连接杆连接；第一铰链 1-1与第二铰链1-3通过第一连接杆1-2连接，第一铰链1-1的另一端连接在基底 4左边框上，第二铰链1-3的另一端连接在连接块5上；第三铰链6-1与第四铰链 6-3通过第二连接杆6-2连接，第三铰链6-1的另一端连接在连接块5上，第四铰链6-3的另一端连接在基底4的右边框上。
34.本技术测试装置整体构件为不锈钢材料，通过线切割加工一体成型，工艺简单。
35.本实用新型所提供的基于平动式多柔性铰链的光纤光栅剪力/剪切变形岩石力学测试装置在测量剪力/剪切变形时需要将该装置固定在被测结构上，固定方式包括但不限于：
36.第一种方式是通过在光纤光栅剪力/剪切变形岩石力学测试装置的基底4左右边框表面和连接块5的表面涂覆结构胶粘贴在待测结构上；第二方式是通过激光焊接的方式,将光纤光栅剪力/剪切变形岩石力学测试装置的基底4焊接在待测结构上；第三种方式是通过在光纤光栅剪力/剪切变形岩石力学测试装置的基底4左右边框设置螺孔,通过螺钉将其
固定在被测结构上。
37.本实用新型所涉及的基于平动式多铰链的光纤光栅剪力/剪切变形岩石力学测试装置的工作原理是:把岩石力学测试装置固定在被测结构上,在被测结构的外界激励作用下,使得连接块5在剪力的作用下只产生平动，从而使得受到预拉伸应力的第一光纤光栅2和第二光纤光栅3发生轴向拉伸和轴向压缩,导致第一光纤光栅 2和第二光纤光栅3产生大小相等、方向相反的波长漂移，将两者差分，便可以将测试装置的灵敏度提高一倍，同时可以进行温度补偿，将被测结构的剪力/剪切变形信号转化为光纤光栅中心波长的漂移量，通过对光纤光栅的波长漂移量的测量便可获得剪力/剪切变形的大小。
38.剪力/剪切变形岩石力学测试装置可以根据以下理论模型对岩石力学测试装置的灵敏度进行设计。
39.剪力/剪切变形岩石力学测试装置的灵敏度分析：
40.当被测结构产生的剪力f作用在岩石力学测试装置的敏感方向时，由于是对称结构，取结构左半部分来研究，系统在力作用下达到力矩平衡，得到平衡方程：
41.fd-2kfδlfd-2kθ＝0
42.其中，d为连接块质心(同时也是光纤光栅竖直拉伸方向)和第一铰链1-1中心之间的距离；δlf为第一光纤光栅2或者第二光纤光栅3的拉伸或者压缩距离； kf为光纤的弹性系数；k为铰链的转动刚度；θ为铰链的转动角度(也用于衡量剪切变形程度)。
43.上式d可以表示为：
44.d＝4r+l+b/2
45.当θ很微小时：
46.θ≈tanθ＝δlf/d
47.上式中，l为连接杆的长度，b为连接块的长度，r为直圆柔性铰链的半径。
48.通过测量θ值的大小，即可衡量剪切变形程度的大小。
49.第一光纤光2和第二光纤光栅3产生的应变等大反向，即ε＝ε1＝-ε2，并且处于相同的温度场下，将两个光纤光栅的波长变化量差分后得：
50.δλ＝δλ
1-δλ2＝k
ε
(ε
1-ε2)＝2k
ε
ε
51.式中k
ε
为光纤光栅的应变系数，光纤光栅的中心波长为1500nm波段时，k
ε
＝ 1.2pm/με；ε为第一光栅介电常数；ε1为介电常数；ε2为第二光栅介电常数；δλ为光谱分辨率；δλ1为第一光栅光谱分辨率；δλ2为第二光栅光谱分辨率。
52.岩石力学测试装置的灵敏度s为光纤光栅中心波长变化量δλ和剪力f之比，即：
[0053][0054]
光纤的弹性系数kf为：
[0055][0056]
式中，af为光纤横截面积；ef为光纤弹性模量；lf为光纤光栅初始长度。
[0057]
铰链刚度k为：
[0058][0059]
式中，e为材料的弹性模量；w为铰链的厚度。
[0060]
灵敏度s为：
[0061][0062]
式中，t为铰链间的最小厚度。
[0063]
通过上述灵敏度分析可知，本实用新型的测试装置可以提高精度。本技术的技术方案具有抗电磁干扰性能好、电绝缘性好、耐腐蚀性质稳定、寿命时间长等优点,柔性铰链是硬连接结构具有无摩擦、灵敏度高的特点，柔性铰链相较于弹簧结构有着较高的刚度稳定性。不需要使用弹簧，精度高，结构紧凑。
[0064]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。