基于光纤光栅传感技术的准分布式三维孔壁应变计设计研究
发布时间：2022-01-10 21:16
基于套芯应力解除法的空心包体孔壁应变仪是工程实践中使用最广泛的地应力测量仪器之一,传统空心包体孔壁应变计是基于电阻式应变传感器的孔壁应变测量仪器,依然存在测量点少、易受到环境因素影响等不足。本文参考传统空心包体孔壁应变计结构设计出一种新型准分布式光纤光栅三维孔壁应变计,应变计使用光栅应变传感器作为应变测量元件,将26个光栅传感器按照双区域准分布缠绕的方法安装到应变计表面,提高了孔壁应变测量精度,实现了孔壁应变的准分布式测量。本文推导了与应变计光栅布设方案匹配的地应力反演方程,并设计出一种应力反演优化算法,通过多次剔除残差绝对值异常的光栅测量数据减少测量中光栅应变测量异常值对反演应力结果的影响。此外,通过光栅应变传感器标定试验确定了光栅应变传感器测量波长变化与光栅应变的线性关系（1000με以内）,并反演出光栅应变传感器测量波长数据转换为应变值所需的弹光系数Pα=0.4369。为了分析应变计在实际应力测量中的可行性,研究使用Abaqus数值模拟软件模拟了σ1、σ2、σ3分别为10MPa、5MPa、3M...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
准分布式光纤光栅三维孔壁应变计研究技术路线图
9第2章准分布式光纤光栅三维孔壁应变计结构设计2.1应变计主体结构设计2.1.1应变计结构组成参考传统空心包体孔壁应变计的主体结构，采用AutoCAD和SolidWorks对准分布式光纤光栅三维孔壁应变计的结构和尺寸进行设计，图2-1为应变计的三维示意图。图2-1准分布式光纤光栅三维孔壁应变计实体示意图应变仪主体结构由空心包体壳体和活塞导向部分两部分组成（如图2-2所示），安装前，活塞导向部分的尾部小段插入空心包体壳体内，空心包体壳体内部胶室10装填有调制好的环氧树脂胶结剂，活塞与壳体之间通过一个贯穿销钉孔11的铝丝相连。1传感光纤2定位销3安装杆4粘结剂挡圈5穿线孔6导线槽7壳体基体8环氧树脂包体9光纤光栅应变传感组件10胶室11销钉孔12活塞杆13出胶孔14导向器图2-2FBG孔壁应变计结构示意图
10活塞导向部分主体使用3D打印制成，端部是为了便于应变计置入钻孔而设计的锥形导向器14，活塞内部中央有一条中空通道，通道与径向均匀分布的6个出胶孔13连通，出胶孔下方为2片粘结剂挡圈4；空心包体壳体是光纤光栅传感器的承载部分，采用三层结构设计（如图2-3所示），内层为通过3D打印制成的基体，内部中空，是用来存储环氧树脂胶结剂的胶室10，室内临近尾端设置有4个径向分布的连通内部外部的穿线孔5，光纤的通过导线槽6，穿过这四个孔接入空心包体壳体内部，并封装起来从空心包体壳体尾部引出（部件1）接入光栅波长解调仪。第二层为套在空心包体壳体基体上的一层0.5mm厚度的PVC变形管，其上布置粘贴光纤光栅传感阵列9，测量段变形管与基体之间留有2mm的空隙，其作用是排除硬度较高的基体对环氧树脂的干扰。最外层封装有的环氧树脂包体8，用以保护光栅，同时起到应变耦合的作用。与活塞导向部分相同，空心包体壳体尾部设有两片粘结剂密封圈。胶室中充填的粘结剂为制作环氧树脂包体使用的未凝固的液态环氧树脂材料。图2-3空心包体壳体三层结构示意图2.1.2空心包体应变计测量原理蓄存在地下的岩石受到地应力的作用，当岩石从母岩脱离，岩石上所受到的应力便会消失并产生变形，这就是应力解除的过程，这个过程中岩石的变形可以在一定程度上反映出之前岩体所处地应力的情况。套芯解除法通过套孔的方法，解除岩芯上的应力作用，并测量岩芯孔壁上特定位置和方向上的应变，根据这些应变数据反演地应力大小与方向。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于光纤传感技术的三维地应力传感器[J]. 仲志成,赵斌,林君,刘玉娟. 光学精密工程. 2018(02)
[2]裂隙较发育岩体的地应力测量与研究[J]. 刘元坤,石安池,韩晓玉,许静. 长江科学院院报. 2017(12)
[3]地应力主要测试和估算方法回顾与展望[J]. 王成虎. 地质论评. 2014(05)
[4]三维地应力BWSRM测量新方法及其测井机器人在重大工程中的应用[J]. 葛修润,侯明勋. 岩石力学与工程学报. 2011(11)
[5]玲珑金矿深部地应力测量及矿区地应力场分布规律[J]. 蔡美峰,刘卫东,李远. 岩石力学与工程学报. 2010(02)
[6]光纤光栅传感器的原理及应用研究[J]. 杨兴,胡建明,戴特力. 重庆师范大学学报(自然科学版). 2009(04)
[7]深钻孔套芯应力解除法的测量技术和实例[J]. 刘允芳,尹健民,刘元坤. 长江科学院院报. 2008(05)
[8]光纤光栅传感技术研究现状及发展前景[J]. 曹晔,刘波,开桂云,董孝义. 传感器技术. 2005(12)
[9]深部开采岩体力学研究[J]. 何满潮,谢和平,彭苏萍,姜耀东. 岩石力学与工程学报. 2005(16)
[10]光纤光栅传感器技术及其应用[J]. 刘云红. 传感器世界. 2005(03)
本文编号：3581423
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
准分布式光纤光栅三维孔壁应变计研究技术路线图
9第2章准分布式光纤光栅三维孔壁应变计结构设计2.1应变计主体结构设计2.1.1应变计结构组成参考传统空心包体孔壁应变计的主体结构，采用AutoCAD和SolidWorks对准分布式光纤光栅三维孔壁应变计的结构和尺寸进行设计，图2-1为应变计的三维示意图。图2-1准分布式光纤光栅三维孔壁应变计实体示意图应变仪主体结构由空心包体壳体和活塞导向部分两部分组成（如图2-2所示），安装前，活塞导向部分的尾部小段插入空心包体壳体内，空心包体壳体内部胶室10装填有调制好的环氧树脂胶结剂，活塞与壳体之间通过一个贯穿销钉孔11的铝丝相连。1传感光纤2定位销3安装杆4粘结剂挡圈5穿线孔6导线槽7壳体基体8环氧树脂包体9光纤光栅应变传感组件10胶室11销钉孔12活塞杆13出胶孔14导向器图2-2FBG孔壁应变计结构示意图
10活塞导向部分主体使用3D打印制成，端部是为了便于应变计置入钻孔而设计的锥形导向器14，活塞内部中央有一条中空通道，通道与径向均匀分布的6个出胶孔13连通，出胶孔下方为2片粘结剂挡圈4；空心包体壳体是光纤光栅传感器的承载部分，采用三层结构设计（如图2-3所示），内层为通过3D打印制成的基体，内部中空，是用来存储环氧树脂胶结剂的胶室10，室内临近尾端设置有4个径向分布的连通内部外部的穿线孔5，光纤的通过导线槽6，穿过这四个孔接入空心包体壳体内部，并封装起来从空心包体壳体尾部引出（部件1）接入光栅波长解调仪。第二层为套在空心包体壳体基体上的一层0.5mm厚度的PVC变形管，其上布置粘贴光纤光栅传感阵列9，测量段变形管与基体之间留有2mm的空隙，其作用是排除硬度较高的基体对环氧树脂的干扰。最外层封装有的环氧树脂包体8，用以保护光栅，同时起到应变耦合的作用。与活塞导向部分相同，空心包体壳体尾部设有两片粘结剂密封圈。胶室中充填的粘结剂为制作环氧树脂包体使用的未凝固的液态环氧树脂材料。图2-3空心包体壳体三层结构示意图2.1.2空心包体应变计测量原理蓄存在地下的岩石受到地应力的作用，当岩石从母岩脱离，岩石上所受到的应力便会消失并产生变形，这就是应力解除的过程，这个过程中岩石的变形可以在一定程度上反映出之前岩体所处地应力的情况。套芯解除法通过套孔的方法，解除岩芯上的应力作用，并测量岩芯孔壁上特定位置和方向上的应变，根据这些应变数据反演地应力大小与方向。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于光纤传感技术的三维地应力传感器[J]. 仲志成,赵斌,林君,刘玉娟. 光学精密工程. 2018(02)
[2]裂隙较发育岩体的地应力测量与研究[J]. 刘元坤,石安池,韩晓玉,许静. 长江科学院院报. 2017(12)
[3]地应力主要测试和估算方法回顾与展望[J]. 王成虎. 地质论评. 2014(05)
[4]三维地应力BWSRM测量新方法及其测井机器人在重大工程中的应用[J]. 葛修润,侯明勋. 岩石力学与工程学报. 2011(11)
[5]玲珑金矿深部地应力测量及矿区地应力场分布规律[J]. 蔡美峰,刘卫东,李远. 岩石力学与工程学报. 2010(02)
[6]光纤光栅传感器的原理及应用研究[J]. 杨兴,胡建明,戴特力. 重庆师范大学学报(自然科学版). 2009(04)
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[8]光纤光栅传感技术研究现状及发展前景[J]. 曹晔,刘波,开桂云,董孝义. 传感器技术. 2005(12)
[9]深部开采岩体力学研究[J]. 何满潮,谢和平,彭苏萍,姜耀东. 岩石力学与工程学报. 2005(16)
[10]光纤光栅传感器技术及其应用[J]. 刘云红. 传感器世界. 2005(03)
本文编号：3581423
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