基于光纤光栅传感器超低温环境下岩石变形及温度监测方法研究
发布时间：2021-10-16 06:07
探索岩石在液氮超低温环境（-196℃）下变形和温度的动态监测方法,对于液氮压裂及超低温环境下的岩石力学特性研究具有重要意义。岩石在超低温条件下因其组成成分、孔隙度以及微观骨架的不同,变形过程具有不同的特征,岩石在超低温环境下变形及温度数据的动态监测尚无成熟的试验方法。本文将光纤光栅应变传感器预置到岩石试件中,试验过程采用不同种类岩石试件、传感器不同预置方式、不同降温速率等处理方式,实现岩石试件在超低温环境下变形及温度数据的动态监测,并对数据结果进行分析。研究表明:在液氮超低温环境下,不同种类岩石试件会出现不同程度的收缩损伤;岩石试件变形具有明显的时间阶段性和空间局部性特征;岩石试件内部温度变化和试件变形存在固定的时间差;光纤光栅传感器能够完成超低温环境下岩石变形及温度数据的动态监测。
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
论文技术路线图
第2章光纤光栅传感器对超低温岩石变形监测的可行性分析-6-第2章光纤光栅传感器对超低温岩石变形监测的可行性分析重大结构的健康监测和诊断一直是社会各界广泛重视的课题，其核心是对工程结构进行实时监测并能提前预警。1990年，Mendez[31]等人首先提出把光纤传感器应用于混凝土结构检测，随着技术的进步，Bragg[32-33]父子发现研制出波长调制性非线性作用的光纤传感器，即光纤光栅传感器。光纤光栅传感器具有耐低温、灵敏度高、抗干扰能力强等诸多优点。1993年，Measures等人[34]在世界首座预应力碳纤高速公路桥上埋入光纤光栅应变传感器，Chan等人[35]利用布拉格光栅测量了被复合材料包裹的矩形截面混凝土的应变。本文将光纤光栅应变传感器应用于液氮超低温环境下岩石变形监测，首先需要对光纤光栅传感器做出进一步介绍。2.1光纤光栅应变传感器2.1.1光纤光栅应变传感器结构光纤光栅应变传感器主要由四个部分构成，分别是光纤纤芯、光纤布拉格光栅、光纤包层和光纤保护层[36]，如图2.1所示。光纤纤芯的主要成份是二氧化硅，直径在5~50微米之间，光线可在纤芯内部发生全反射以保证数据传输的准确性；光纤布拉格光栅也称栅区（传感栅区），是整根光纤光栅传感器中的一段（本文采用长度为10毫米的栅区），也是光纤光栅传感器的传感部分；包层的主要成分也是二氧化硅，直径为125微米。未加保护层的光纤称为裸光纤，本文中试验所用光纤即为裸光纤。图2.1光纤光栅应变传感器结构示意图Fig.2.1DiagramofFBGstrainsensorstructure
第2章光纤光栅传感器对超低温岩石变形监测的可行性分析-8-图2.2光纤光栅应变传感器工作原理Fig.2.2TheworkingprincipleoftheFBGstrainsensor光纤光栅应变传感器工作原理就是基于光栅的光波波长敏感性得到光栅的变形，从而对外场信息进行监测，实时的得到需要研究的外场信息。2.2超低温环境下岩石变形监测可行性上节介绍了光纤光栅应变传感器的结构和工作原理，光纤光栅应变传感器可以抵抗各种干扰，做到信号保真，提高试验数据的精度，同时因其特殊的组成成分，能够在液氮超低温环境下正常工作。2.2.1传统观测手段的不足传统岩石变形的观测手段主要包括电阻应变片、CT扫描技术、核磁共振技术等手段。电阻应变片是基于应变效应工作，即导体或半导体在外界环境作用下产生机械变形，其电阻值发生相应变化。电阻应变片一般是由金属类材料制成，超低温环境下金属收缩变形，使得应变片无法正常工作并准确记录试验数据。CT扫描技术和核磁共振技术需要专业的实验设备，这些设备体积大，结构复杂，可以实现对液氮处理前后的岩石成分测试分析以及观察岩石微观结构，但无法监测到超低温环境下岩石变形的动态数据。
【参考文献】：
期刊论文
[1]压裂过程中水力裂缝动态宽度实验研究[J]. 杨潇,张广清,刘志斌,董昊然,王元元. 岩石力学与工程学报. 2017(09)
[2]液氮温度下裸光纤布拉格光栅弹光系数实验测量[J]. 余顶,张东生,聂铭,张春峰. 大连理工大学学报. 2016(06)
[3]液氮冻结条件下岩石孔隙结构损伤试验研究[J]. 蔡承政,李根生,黄中伟,沈忠厚,王海柱,田守嶒,位江巍. 岩土力学. 2014(04)
[4]冻融岩石核磁共振检测及冻融损伤机制分析[J]. 许玉娟,周科平,李杰林,张亚民. 岩土力学. 2012(10)
[5]基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究[J]. 李杰林,周科平,张亚民,许玉娟. 岩石力学与工程学报. 2012(06)
[6]液氮温度光纤Bragg光栅的应变传感特性[J]. 黄国君,邵进益,王秋良,邓凡平,戴锋,冯遵安. 光电子.激光. 2007(07)
[7]光纤光栅在液氮温区温度传感性能的研究[J]. 蔡国利,简伟. 光通信研究. 2006(06)
[8]冻结温度对岩石细观损伤扩展特性影响研究初探[J]. 杨更社,张全胜,蒲毅彬. 岩土力学. 2004(09)
[9]光纤光栅温度传感理论与实验[J]. 乔学光,贾振安,傅海威,李明,周红. 物理学报. 2004(02)
[10]光纤光栅温度传感的非线性现象[J]. 贾振安,乔学光,李明,傅海威,刘颖刚. 光子学报. 2003(07)
硕士论文
[1]光纤Bragg光栅低温传感特性研究[D]. 付荣.武汉理工大学 2011
本文编号：3439297
【文章来源】：中国石油大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：56 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
论文技术路线图
第2章光纤光栅传感器对超低温岩石变形监测的可行性分析-6-第2章光纤光栅传感器对超低温岩石变形监测的可行性分析重大结构的健康监测和诊断一直是社会各界广泛重视的课题，其核心是对工程结构进行实时监测并能提前预警。1990年，Mendez[31]等人首先提出把光纤传感器应用于混凝土结构检测，随着技术的进步，Bragg[32-33]父子发现研制出波长调制性非线性作用的光纤传感器，即光纤光栅传感器。光纤光栅传感器具有耐低温、灵敏度高、抗干扰能力强等诸多优点。1993年，Measures等人[34]在世界首座预应力碳纤高速公路桥上埋入光纤光栅应变传感器，Chan等人[35]利用布拉格光栅测量了被复合材料包裹的矩形截面混凝土的应变。本文将光纤光栅应变传感器应用于液氮超低温环境下岩石变形监测，首先需要对光纤光栅传感器做出进一步介绍。2.1光纤光栅应变传感器2.1.1光纤光栅应变传感器结构光纤光栅应变传感器主要由四个部分构成，分别是光纤纤芯、光纤布拉格光栅、光纤包层和光纤保护层[36]，如图2.1所示。光纤纤芯的主要成份是二氧化硅，直径在5~50微米之间，光线可在纤芯内部发生全反射以保证数据传输的准确性；光纤布拉格光栅也称栅区（传感栅区），是整根光纤光栅传感器中的一段（本文采用长度为10毫米的栅区），也是光纤光栅传感器的传感部分；包层的主要成分也是二氧化硅，直径为125微米。未加保护层的光纤称为裸光纤，本文中试验所用光纤即为裸光纤。图2.1光纤光栅应变传感器结构示意图Fig.2.1DiagramofFBGstrainsensorstructure
第2章光纤光栅传感器对超低温岩石变形监测的可行性分析-8-图2.2光纤光栅应变传感器工作原理Fig.2.2TheworkingprincipleoftheFBGstrainsensor光纤光栅应变传感器工作原理就是基于光栅的光波波长敏感性得到光栅的变形，从而对外场信息进行监测，实时的得到需要研究的外场信息。2.2超低温环境下岩石变形监测可行性上节介绍了光纤光栅应变传感器的结构和工作原理，光纤光栅应变传感器可以抵抗各种干扰，做到信号保真，提高试验数据的精度，同时因其特殊的组成成分，能够在液氮超低温环境下正常工作。2.2.1传统观测手段的不足传统岩石变形的观测手段主要包括电阻应变片、CT扫描技术、核磁共振技术等手段。电阻应变片是基于应变效应工作，即导体或半导体在外界环境作用下产生机械变形，其电阻值发生相应变化。电阻应变片一般是由金属类材料制成，超低温环境下金属收缩变形，使得应变片无法正常工作并准确记录试验数据。CT扫描技术和核磁共振技术需要专业的实验设备，这些设备体积大，结构复杂，可以实现对液氮处理前后的岩石成分测试分析以及观察岩石微观结构，但无法监测到超低温环境下岩石变形的动态数据。
【参考文献】：
期刊论文
[1]压裂过程中水力裂缝动态宽度实验研究[J]. 杨潇,张广清,刘志斌,董昊然,王元元. 岩石力学与工程学报. 2017(09)
[2]液氮温度下裸光纤布拉格光栅弹光系数实验测量[J]. 余顶,张东生,聂铭,张春峰. 大连理工大学学报. 2016(06)
[3]液氮冻结条件下岩石孔隙结构损伤试验研究[J]. 蔡承政,李根生,黄中伟,沈忠厚,王海柱,田守嶒,位江巍. 岩土力学. 2014(04)
[4]冻融岩石核磁共振检测及冻融损伤机制分析[J]. 许玉娟,周科平,李杰林,张亚民. 岩土力学. 2012(10)
[5]基于核磁共振技术的岩石孔隙结构冻融损伤试验研究[J]. 李杰林,周科平,张亚民,许玉娟. 岩石力学与工程学报. 2012(06)
[6]液氮温度光纤Bragg光栅的应变传感特性[J]. 黄国君,邵进益,王秋良,邓凡平,戴锋,冯遵安. 光电子.激光. 2007(07)
[7]光纤光栅在液氮温区温度传感性能的研究[J]. 蔡国利,简伟. 光通信研究. 2006(06)
[8]冻结温度对岩石细观损伤扩展特性影响研究初探[J]. 杨更社,张全胜,蒲毅彬. 岩土力学. 2004(09)
[9]光纤光栅温度传感理论与实验[J]. 乔学光,贾振安,傅海威,李明,周红. 物理学报. 2004(02)
[10]光纤光栅温度传感的非线性现象[J]. 贾振安,乔学光,李明,傅海威,刘颖刚. 光子学报. 2003(07)
硕士论文
[1]光纤Bragg光栅低温传感特性研究[D]. 付荣.武汉理工大学 2011
本文编号：3439297
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