一種基於三維光纖地應力傳感器的應力敏感元件的製作方法

2023-12-09 07:42:46

本發明屬於巖土測量技術領域，具體地涉及一種基於三維光纖地應力傳感器的應力敏感元件，作為三維光纖地應力傳感器的核心部件，將傳感面感知應力變形轉化為光纖應變。

背景技術：

目前，全國國有重點煤礦巷道中，深部巷道佔有28％～30％，可以預見在未來10年內將會有越來越多的礦井進入超千米深部開拓開採階段，我國將成為世界上煤炭資源開採深度最大的國家。

然而深部圍巖軟弱破碎，常用的地應力測試方法和測試系統大多難以有效投入使用。例如水壓致裂法，其本身的測試特點決定其適用於完整性較好的巖體中，且本質上屬於二維地應力測試方法。而另一種常用的地應力測試方法套芯應力解除法，在使用前需要事先假定被測巖體的物理力學性質參數和相應本構關係，且在深部軟巖賦存條件下的實際操作過程中，符合要求的完整巖芯獲取成功率較低。因此傳統地應力測試方法在深部巷道的軟弱破碎圍巖中幾乎無法滿足工程上的使用要求。

為解決現有地應力測試方法無法勝任工程實際這一越來越突出的矛盾，三維光纖地應力傳感器應運而生。市場上現有數種應力傳感器，並不適用於深部圍巖或深埋隧道賦存條件。在此環境下實際應用中存在一些問題。常規的應力傳感器普遍只能實現一維應力的測量，無法同一時間得到被測地點的空間地應力狀態。此外現有傳感器大多是基於電信號作為信號傳輸工具，沒有考慮過井下對防爆防靜電的特殊要求，未取得防爆合格證與安全標識，無法在富含瓦斯等易燃易爆氣體的煤礦井下惡劣環境中投入正常使用。除此以外，中國專利中公開的幾種三維應力傳感器未形成成型產品批量投入市場，其公布的測試技術與裝置組件尚不完善。

應力無法直接通過任何測量工具測量。現有應力傳感器均是通過對應變的間接測量來感知應力。因此，應力敏感元件是三維光纖地應力傳感器的核心部件，它將傳感器感知到的應力通過光纖應變轉化為能夠直接獲取的光頻率信號，再通過後期調製解調系統進行解調，還原為被測地點的三維地應力數值。傳統應力敏感元件主要包括有：①彈性圓柱(分為實心和空心兩種)，該元件結構簡單，可承受很大載荷；但產生的位移很小，所以往往以應變作為輸出量；②懸臂梁，又分為等截面梁和等強度梁，它結構簡單，靈敏度高，多用於較小力的測量，以應變或自由端的位移作為輸出量；③扭轉棒，其主要應用於扭矩傳感器；④圓形膜片或圓形波紋膜片，期一般用於測量流體中的壓力差。由於三維光纖地應力傳感器內部空間窄小，既要滿足防爆要求傳輸光信號，又需克服光纖光柵自身存在的啁啾效應，可以看出，現有的應力敏感元件均不適用於該裝置。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的缺陷，提供一種基於三維光纖地應力傳感器的應力敏感元件，作為感知應力信號到光頻率數位訊號之間的轉化裝置，用於深部巷道或深埋隧道的破碎軟弱圍巖地應力測試之中。基於該應力敏感元件，傳感器可實現對測量對象圍巖內部應力值的間接獲取，同時可以即時長期監測圍巖應力值的變化。通過該元件傳輸的光頻率信號是數位訊號的一種，具有遠距離傳輸信號不失真的優點，信號值不受環境、溫度、電阻抗的幹擾的影響，具有很好的抗幹擾和耐環境的能力。

一種基於三維光纖地應力傳感器的應力敏感元件，包括傳感器承載板，還包括筒狀的傳感器外殼，傳感器外殼的上筒口與傳感器膜片連接，傳感器膜片的上表面通過圓柱形凸起與傳感器承載板連接，傳感器外殼的下筒口與傳感器底面連接，傳感器底面的上設置有應力敏感元件導線孔，傳感器底面上設置有環形的底座圓盤，底座圓盤的外環側與傳感器外殼內壁貼合，底座圓盤的內環側與懸臂梁型夾具連接，傳感器膜片的下表面與圓形截面鉤具一端連接，圓形截面鉤具另一端彎延至應力敏感元件導線孔內，光纖布拉格光柵頂端的連接光纖卡設在懸臂梁型夾具內，光纖布拉格光柵底端的連接光纖卡設在彎延至應力敏感元件導線孔內的圓形截面鉤具的端部上。

如上所述的傳感器承載板的中心軸線、圓柱形凸起的中心軸線、傳感器膜片的中心軸線、傳感器外殼的中心軸線、底座圓盤的中心軸線、應力敏感元件導線孔的中心軸線以及光纖布拉格光柵所在直線共線。

如上所述的懸臂梁型夾具包括端頭臺階和懸臂梁梁身，端頭臺階的外側與底座圓盤的內環側形狀適配，端頭臺階的內側與懸臂梁梁身一端連接，懸臂梁梁身另一端開設有夾頭切口。

如上所述的端頭臺階為弧形，懸臂梁梁身的高度小於端頭臺階的高度，懸臂梁梁身一端連接於端頭臺階的中部。

如上所述的圓形截面鉤具包括豎向短杆、上部橫向連接杆、縱向連接杆、下部橫向連接杆和矩形底板，豎向短杆頂部的圓形截面鉤具頂端與傳感器膜片連接，豎向短杆的底部與上部橫向連接杆一端連接，上部橫向連接杆另一端與縱向連接杆的頂端連接，縱向連接杆的底端與下部橫向連接杆一端連接，下部橫向連接杆另一端與矩形底板連接，矩形底板上開設有鉤具切口，光纖布拉格光柵頂端的連接光纖卡設在夾頭切口內，光纖布拉格光柵底端的連接光纖卡設在鉤具切口內。

如上所述的夾頭切口與光纖布拉格光柵頂端的連接光纖之間塗設有環氧樹脂膠；所述的鉤具切口與光纖布拉格光柵底端的連接光柵之間塗設有環氧樹脂膠。

本發明具有以下優點：

1、光波頻率信號屬於數位訊號，具有遠距離傳播的優勢。信號在長距離傳輸過程中不衰減，不失真。基於光纖特性，信號傳遞過程抗幹擾性良好，不易受電磁、溫度等環境影響。具有較好的耐環境性。

2、應力敏感元件體積小、質量輕，安裝使用方便。易於大規模投入市場化生產。取材容易，成本相對較低，且加工製作工藝較為簡單，具有一定的市場競爭力。

3、應力敏感元件靈敏度高。採用豎置拉伸式設計，完全克服傳統光纖應力敏感元件中光纖光柵由於受到不均勻應變而產生的啁啾效應。採用本方案設計的光纖布拉格光柵屬於在正常工作過程中發生等均勻應變，產生顯著良好的光波波形，易於後期解調。

4、應力敏感元件該裝置本質安全，長期使用耐久性和密封性良好，密封防鏽蝕。適用於井下和深埋隧道等地質條件複雜惡劣的環境中使用。

5、結合配套三維光纖地應力傳感器，應力敏感元件可以實現對孔周巖體地應力的實時長期跟蹤測量。在後期便於實現分布式測試，覆蓋監控整體圍巖應力場。

附圖說明

圖1為本發明的整體組裝結構主視圖。

圖2為本發明的底座圓盤的俯視圖。

圖3為本發明的懸臂梁型夾具的俯視圖。

圖4為本發明的圓形截面鉤具的立體圖。

圖5為本發明的圓形截面鉤具的俯視圖。

圖6為本發明的整體組裝結構俯視圖。

其中：

1-1-傳感器承載板，1-2-傳感器膜片，1-3-傳感器外殼內壁，1-4-傳感器底面，1-5-應力敏感元件導線孔；

2-底座圓盤，2-1-底座圓盤上表面，2-2-底座圓盤環內壁，2-3-底座圓盤環外壁，2-4-底座圓盤下表面；

3-懸臂梁型夾具，3-1-端頭臺階，3-2-第一臺階向外延伸部，3-3-第二臺階向外延伸部，3-4-懸臂梁梁身，3-5-夾頭切口，3-6-光纖材料粘結膠體；

4-圓形截面鉤具，4-1-圓形截面鉤具頂端，4-2-豎向短杆，4-3-上部橫向連接杆，4-4-縱向連接杆，4-5-下部橫向連接杆，4-6-矩形底板，4-7-鉤具切口；

5-光纖布拉格光柵。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步詳細的說明：

一種基於三維光纖地應力傳感器的應力敏感元件，包括傳感器承載板1-1，還包括筒狀的傳感器外殼，傳感器外殼的上筒口與傳感器膜片1-2連接，傳感器膜片1-2的上表面通過圓柱形凸起與傳感器承載板1-1連接，傳感器外殼的下筒口與傳感器底面1-4連接，傳感器底面1-4的上設置有應力敏感元件導線孔1-5，傳感器底面1-4上設置有環形的底座圓盤2，底座圓盤2的外環側與傳感器外殼內壁1-3貼合，底座圓盤2的內環側與懸臂梁型夾具3連接，傳感器膜片1-2的下表面與圓形截面鉤具4一端連接，圓形截面鉤具4另一端彎延至應力敏感元件導線孔1-5內，光纖布拉格光柵5頂端的連接光纖卡設在懸臂梁型夾具3內，光纖布拉格光柵5底端的連接光纖卡設在彎延至應力敏感元件導線孔1-5內的圓形截面鉤具4的端部上。

傳感器承載板1-1的中心軸線、圓柱形凸起的中心軸線、傳感器膜片1-2的中心軸線、傳感器外殼的中心軸線、底座圓盤2的中心軸線、應力敏感元件導線孔1-5的中心軸線以及光纖布拉格光柵5所在直線共線。

懸臂梁型夾具3包括端頭臺階3-1和懸臂梁梁身3-4，端頭臺階3-1的外側與底座圓盤2的內環側形狀適配，端頭臺階3-1的內側與懸臂梁梁身3-4一端連接，懸臂梁梁身3-4另一端開設有夾頭切口3-5。

端頭臺階3-1為弧形，懸臂梁梁身3-4的高度小於端頭臺階3-1的高度，懸臂梁梁身3-4一端連接於端頭臺階3-1的中部。

圓形截面鉤具4包括豎向短杆4-2、上部橫向連接杆4-3、縱向連接杆4-4、下部橫向連接杆4-5和矩形底板4-6，豎向短杆4-2頂部的圓形截面鉤具頂端4-1與傳感器膜片1-2連接，豎向短杆4-2的底部與上部橫向連接杆4-3一端連接，上部橫向連接杆4-3另一端與縱向連接杆4-4的頂端連接，縱向連接杆4-4的底端與下部橫向連接杆4-5一端連接，下部橫向連接杆4-5另一端與矩形底板4-6連接，矩形底板4-6上開設有鉤具切口4-7，光纖布拉格光柵5頂端的連接光纖卡設在夾頭切口3-5內，光纖布拉格光柵5底端的連接光纖卡設在鉤具切口4-7內。

夾頭切口3-5與光纖布拉格光柵5頂端的連接光纖之間塗設有環氧樹脂膠；所述的鉤具切口4-7與光纖布拉格光柵5底端的連接光纖之間塗設有環氧樹脂膠。

筒狀的傳感器外殼與應力敏感元件導線孔1-5同軸。

如圖1所示，傳感器膜片1-2上表面的中心點處設置有一圓柱形凸起，圓柱形凸起上表面中心點和傳感器承載板1-1下表面中心點對正後，採用點焊方式焊接牢固圓柱形凸起和傳感器承載板1-1。傳感器膜片1-2緊貼傳感器外殼的上筒口的傳感器外殼內壁1-3，傳感器膜片1-2和傳感器外殼內壁1-3之間採用過盈連接的方式，以達到緊密配合的效果。在傳感器外殼和應力敏感元件導線孔1-5構成的安置空腔內安置應力敏感元件。整體安置空腔可看作是兩個同軸的不同直徑的第一圓柱空腔(傳感器外殼構成的空腔)和第二圓柱空腔(應力敏感元件導線孔1-5構成的空腔)，第一圓柱空腔的直徑大於第二圓柱空腔。以上所述結構其作用在於提供足夠空間，以安置底座圓盤2、懸臂梁型夾具3和圓形截面鉤具4，並使得懸臂梁型夾具3和圓形截面鉤具4在受壓變形及位移後能夠在所處空間內自由靈活發生形變及位移而不會被其它構件幹擾。在加工過程中，尤其需要注意精度問題，測量精度很大程度上取決於其內部工作元件的加工工藝和安裝精度。此外，由於光纖柔軟，遇尖銳切角容易折斷的特性，在加工該安置空腔的過程中需要注意過渡區域圓滑處理，即加工好後在銳角轉折處稍加打磨，使銳角轉折平滑過渡。在安置空腔正下方，即傳感器底面1-4的上表面，安置底座圓盤2。底座圓盤2需要與傳感器外殼內壁1-3以及傳感器底面1-4緊貼密實安裝，採用預壓點焊的方式固定牢固，構築成型後，在傳感器底面1-4上形成臺階。懸臂梁型夾具3的端頭臺階3-1一端的形狀與底座圓盤環內壁2-2的形狀貼合。懸臂梁型夾具3是整體不鏽鋼製加工構件，如圖3所示，其左端的端頭臺階3-1近似於長方體形狀而稍帶弧度，其高度略高於懸臂梁梁身3-4，端頭臺階3-1包括有位於懸臂梁梁身3-4兩側的第一臺階向外延伸部3-2和第二臺階向外延伸部3-3，第一臺階向外延伸部3-2和第二臺階向外延伸部3-3的弧度和底座圓盤環內壁2-2的弧度保持一致。在具體安裝過程中，將端頭臺階3-1安放於傳感器底面1-4之上，端頭臺階3-1最左端與底座圓盤環內壁2-2貼合對齊。採用預壓點焊的方式，在兩處接觸面，即懸臂梁型夾具3底部和傳感器底面1-4上表面的接觸面上，與圖3中端頭臺階3-1左側弧形外壁和底座圓盤環內壁2-2的接觸面上分別焊接固定。

構築加工成型後，懸臂梁梁身3-4位於第一圓柱空腔的直徑上(即筒狀的傳感器外殼的直徑上)，且夾頭切口3-5正處於第二圓柱空腔的軸線(既應力敏感元件導線孔1-5的軸線)之上，如此設計是為了保證光纖布拉格光柵5受拉後產生均勻應變，且該變形理論上可看作為一維應變，即僅在圓柱形應力敏感元件導線孔1-5的軸線方向上才發生位移變化，通過該構築方式，光纖布拉格光柵的應變與應力敏感元件所測孔周巖體圍巖應力將呈一一對應的線性關係。藉此可通過解調設備直接通過光纖布拉格光柵波長改變量解算出三維地應力值。安裝要求上還需注意懸臂梁型夾具3之中的端頭臺階3-1的底部和懸臂梁梁身3-4的底部務須水平焊接於傳感器底面1-4的上表面上，使懸臂梁梁身3-4與傳感器底面1-4在空間上處於相互平行位置，且固定牢固，相互間不會發生位移及錯動，以保證懸臂梁型夾具3的線性應變的設計要求。待固定完成以後，於夾頭切口3-5處穿插事先準備的光纖布拉格光柵5，穿插過程需要注意光纖布拉格光柵5的連接光纖需要緊貼嵌入夾頭切口3-5中，然後在該位置使用環氧樹脂膠均勻塗抹並填充縫隙，待膠體凝固後，光纖布拉格光柵5頂端的連接光纖在夾頭切口3-5處連接固定，不再發生相對位移變化，以防在正常使用過程中因夾具夾頭切口3-5所夾光纖布拉格光柵5頂端的連接光纖鬆動而產生零點漂移。圓形截面鉤具頂端4-1上表面採用點焊的焊接方式固定在傳感器膜片1-2下表面中心點位置處，第二圓柱空腔(應力敏感元件導線孔1-5圍成的空腔)的軸線垂直於水平面，豎向短杆4-2、上部橫向連接杆4-3、縱向連接杆4-4、下部橫向連接杆4-5在水平面的投影位於同一投影直線上，投影直線位於第二圓柱空腔的直徑上，投影直線與懸臂梁梁身3-4沿長度方向上的中軸線同一直線。圓形截面鉤具4下方的矩形底板4-6橫置於應力敏感元件導線孔1-5中，且矩形底板4-6與四周保持一定空間距離，防止在工作位移過程中產生阻礙。最後將圖1中位於光纖布拉格光柵5底端的連接光纖通過鉤具切口4-7穿出。加工時先將位於圖1中光纖布拉格光柵5下方4mm點處的連接光纖卡入鉤具切口4-7中，再均勻塗覆光纖材料粘結膠體，使其緊密連接。因為一段長度的光纖布拉格光柵5已經提前預製在光纖之中，這樣便通過在光纖上選取適合位置加以固定的方式，將光纖布拉格光柵5固定在了懸臂梁型夾具3和圓形截面鉤具4之間。

底座圓盤2為中空設計，呈圓環形，緊貼於傳感器外殼內壁1-3下方，形成傳感器內殼臺階，便於下一步安裝及製作工藝。考慮其一次加工成型，不需拆卸的特性，採用預壓點焊的方式將其焊接固定在傳感器底面1-4。底座圓盤2為滿足材料對剛度上的要求，選取和製作傳感器外殼相同的材料即馬氏體沉澱硬化型不鏽鋼作為其加工原材料。後續部件大體安裝於底座圓盤2之上，因而底座圓盤2的剛度對應力敏感元件的準確性能會產生較大影響。

懸臂梁型夾具3，它是應力敏感元件整體構築中的重要一環。考慮到整體應力傳遞過程和信號轉化機制，懸臂梁型夾具3的製作材料同樣選取線彈性、熱膨脹係數及抗鏽蝕均較好的馬氏體沉澱硬化型不鏽鋼材料。懸臂梁型夾具3本身整體剛度較大，當其末端受到光纖產生的一定拉力作用時，其對應撓度可以忽略不計，保證了應力敏感元件測量的準確性。端頭臺階3-1抬升，且第一臺階向外延伸部3-2，第二臺階向外延伸部3-2對稱延伸，端頭臺階3-1的外側進行一定打磨使其形狀與底座圓盤2內壁完全契合不留空隙。懸臂梁梁身3-4在端部打磨出一個切口，形成夾頭切口3-5，此種末端夾具式設計便於在後續製作過程中夾住光纖布拉格光柵5。懸臂梁型夾具3採用預壓點焊方式將其焊接固定在底座圓盤2內側。焊接點分為兩處，一處為懸臂梁型夾具3與底座圓盤2接觸部位，另一處為懸臂梁型夾具3與傳感器底面1-4接觸部位。圓形截面鉤具4是應力敏感元件另一構築組成部分。除矩形底板4-6部分，圓形截面鉤具4通體由四段呈90°角彎折拼接的短杆(4-2、4-3、4-4、4-5)連接而成。為保證傳感器在實際使用過程中的精確性，採用馬氏體沉澱硬化型不鏽鋼材料作為圓形截面鉤具4的加工材料。起足夠大的剛度和良好的線彈性等性能使得光纖應變完全由傳感面位移造成，以消除誤差。在應力敏感元件構築組裝過程中，為簡化操作，將圓形截面鉤具頂端4-1採用預壓點焊方式焊接固定在傳感器膜片1-2底面中心點處，圓形截面鉤具4和傳感器膜片1-2連接成為統一整體，可看做相互之間不存在相對運動。安裝好後，夾頭切口3-5與鉤具切口4-7兩點連線與應力敏感元件導線孔1-5的中心軸線重合。應力敏感元件導線孔1-5隸屬於應力敏感元件的一部分。它在三維光纖地應力傳感器球體自身製作加工時期預先製作形成。應力敏感元件導線孔1-5整體呈圓柱形，應力敏感元件導線孔1-5內構成第二圓柱空腔，應力敏感元件導線孔1-5材料為430型不鏽鋼材料。

光纖布拉格光柵5是應力敏感元件的核心構築組成部件。在光纖傳感器領域，基於光纖布拉格光柵5的光纖傳感器已經經歷了長足的發展和應用，並得到市場的認可。故在此選用此種類型的光纖光柵實施應力敏感元件的信號採集功能。光纖布拉格光柵採用石英光纖作為其製作材料，其主要成分是二氧化矽(SiO2)，該材料具有有低耗、寬帶的特點，適用於作為應力敏感元件的信號採集和信號傳遞部件。下面介紹具體加工工藝即光纖布拉格光柵粘貼製作過程。對懸臂梁型夾具3及圓形截面鉤具4進行酒精清洗預處理，陰乾後，將導熱形環氧樹脂膠提前加熱使其融化。將光纖布拉格光柵頂端的連接光纖固定於夾頭切口3-5處，均勻塗抹環氧樹脂膠，並等待其冷卻固化。再將光纖布拉格光柵底端的連接光纖經由鉤具切口4-7、導線孔、傳感器接線口引出。在鉤具切口4-7處，採用上述同樣工藝用環氧樹脂膠將光纖布拉格光柵底端的連接光纖固定於鉤具切口4-7上。至此，光纖布拉格光柵5兩端的連接光纖分別被膠體固定於夾頭切口3-5和鉤具切口4-7之間，整套應力敏感元件製作完成。

應力敏感元件的工作原理：

當三維光纖地應力傳感器處於正常工作狀態下時，隨著時間推移，傳感器受到單調遞增的孔周圍巖擠壓應力的作用。應力通過傳感器表面覆蓋的承載板向下傳遞，使傳感器膜片1-2產生對稱變形。根據板殼力學理論，此時傳感器膜片1-2中心點產生向下的撓度變化。該位移帶動圓形截面鉤具4同時運動，產生相同大小的位移。而在此過程中懸臂梁型夾具3位置保持不變，因而光纖布拉格光柵5兩端受拉，隨著夾頭切口3-5和鉤具切口4-7之間相對位置的增大而產生對應拉應變。通過該變化，將傳感器感知到的外部圍巖應力變化內化為自身光纖布拉格光柵5的應變。隨著其應變的不斷增長，光柵間隔不斷增大。傳感器膜片1-2傳遞到光纖布拉格光柵5的單位應變所引起的光纖布拉格光柵5中心波長漂移量(pm/με)為定值，隨著該種波長的改變，光纖布拉格光柵5輸出的光波頻率或波長均會發生相應改變。由此可以建立並得到外界圍巖應力和自身光纖布拉格光柵5波長改變之間一一對應的輸入輸出關係。從而實現應力敏感元件的開發目的：將不可直接採集的應力信號轉化為可以輸出、讀取和傳遞的光波頻率或波長信號。由於圍巖應力和光纖布拉格光柵輸出波長一一對應，能夠通過後期解調裝置讀取波長值，反算求解出應力敏感元件所測地應力的大小。由於傳感器埋入深部巷道或深埋隧道中的原巖應力區中，其溫度一年四季保持恆定。因而該設計可以不用考慮溫度變化對其產生的影響。根據上述原理和簡化思想，應力敏感元件的工作過程可以用下式加以說明：

ΔλB＝αεε (1)

式中ΔλB表示對應孔周圍巖應力的光纖布拉格光柵中心波長漂移量，αε表示為光纖布拉格光柵應變傳感的靈敏度係數，即單位應變所引起的光纖布拉格光柵中心波長漂移量(pm/με)。ε表示光纖布拉格光柵應變。

ε＝ΔL/L (2)

式中ΔL表示光纖布拉格光柵伸長量，其值與傳感膜片中心點向下位移量保持一致，L表示懸臂梁型夾具3的夾頭切口3-5和圓形截面鉤具4的鉤具切口4-7之間的長度。

以上實例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，本領域的普通技術人員應當理解，本發明的技術方案進行修改或者同等替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，均應涵蓋在本發明的權利要求範圍中。