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专利号: 2013103584448
申请人: 中国矿业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监测系统,其特征在于:所述的系统包括:光纤光栅钻孔应力计、光纤连接头、光纤、矿用光缆、光纤光栅解调仪和计算机;在光纤光栅钻孔应力计的尾部连接有光纤连接头,光纤连接头通过光纤和矿用光缆与光纤光栅解调仪的输入端连接,光纤光栅解调仪的输出端与计算机连接;所述的光纤光栅钻孔应力计内包括有多组光纤光栅,每组光纤光栅由一个轴向应变光栅、一个横向应变光栅和一个温度光栅组成。

2.一种权利要求1所述的基于光纤光栅钻孔应力计的围岩应力在线监测系统的方法,其特征在于:所述的方法通过下列步骤实现:A、用钻孔机在巷道围岩中垂直巷道壁钻孔,钻孔直径比光纤光栅钻孔应力计的直径约大2-4mm,将锚固剂送入钻孔前端,把光纤光栅钻孔应力计按垂直或水平的方向安装在钻孔中,并与锚固剂充分锚固;将光纤连接头引出钻孔的外部并与光纤连接,将钻孔用水泥砂浆封孔;光纤接入矿用光缆,将光信号传递至地面光纤光栅解调仪,解调后信号传输至计算机系统,计算机系统得到轴向应变光栅、横向应变光栅和温度光栅的中心波长漂移量;

B、对轴向应变光栅和温度光栅的中心波长数据进行如下处理以得到轴向应变量:

式中, 分别为轴向应变光栅和温度光栅的中心波长漂移量, 分别为

轴向应变光栅和温度光栅的初始中心波长,εH为轴向应变光栅的轴向应变量,Kε为光纤光栅光弹效应下波长漂移轴向灵敏度系数,KT为光纤光栅相对温度灵敏度系数,ΔT为温度变化量;

C、得到轴向应变量后,根据下式得到一组轴向应变光栅位置处的围岩轴向应力:

σH=EεH

式中,σH为本组光栅位置处围岩轴向应力,E为光纤光栅钻孔应力计的弹性模量;

为避免光纤光栅钻孔应力计偏心造成的受力不均,对四组轴向应变光栅、横向应变光栅和温度光栅计算所得围岩轴向应力进行加权平均,得到修正后的围岩轴向应力:式中,σH'为修正后的围岩轴向应力, 分别为四组光纤光栅中轴

向应变光栅位置处的围岩轴向应力;

D、对横向应变光栅的中心波长数据进行如下处理以得到光栅横截面的水平及垂直应力:式中, 分别为横向应变光栅在水平方向和垂直方向的中心波长漂移量,λB0为横向应变光栅的初始中心波长,neff为横向应变光栅的初始有效折射率,E为光纤光栅的弹性模量,ν为光纤光栅的泊松系数,p11、p12分别为光纤光栅横向和轴向的光弹系数,σx、σy分别为光栅横截面中点的水平及垂直;

E、得到光栅横截面中点的水平及垂直应力后,在以下两式中选用一式得到光纤光栅钻孔应力计钻孔边缘围岩在本组光栅位置处沿横截面的径向应力:式中,σV为本组光栅位置处围岩径向应力,L为光纤光栅长度,D为光纤直径;

F、为避免光纤光栅钻孔应力计偏心造成的受力不均,对轴对称位置的每组光纤光栅计算值进行加权平均,由于光纤光栅钻孔应力计按垂直或水平的方向安装,垂直位置的光栅组计算值中径向应力为垂直应力,水平位置的光栅组计算值中径向应力为水平应力,可得到修正后的围岩水平应力和垂直应力:式中,σVx、σVy分别为修正后的光栅位置处围岩水平应力和垂直应力,σV1、σV3分别为水平方向的两组轴对称光纤光栅的围岩水平应力,σV2、σV4分别为垂直方向的两组轴对称光纤光栅的围岩垂直应力。