基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置及系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明涉及測試技術(shù)領域，具體而言，涉及一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

巖石工程所賦存的地質(zhì)環(huán)境復雜，大規(guī)模工程建設過程中發(fā)生的塌方、滑坡和巖爆災害是影響工程施工安全和運行的最關鍵因素，工程失事常造成施工設備損壞和重大人員傷亡事故。這些災害的發(fā)生首先反映在巖體中的位置和/或應力變化，通過位置和/或應力演化信息的現(xiàn)場直接獲取和分析，可以有效實現(xiàn)災害的預警和控制，因此，巖體的位置和應力變化測試成為巖石工程災害研究的最重要內(nèi)容之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置，通過設置具有錐形體、彈片、頂針、保護腔體、連接塊、第一彈簧和傳力桿，并在彈片的上表面和/或下表面設置光柵的位移測試裝置，以及通過設置包括光纖光柵空心包體應力計的應力測試裝置，實現(xiàn)了位移和應力的一體化測試。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試系統(tǒng)，通過設置位移測試裝置，位移測試裝置包括錐形體、彈片、頂針、保護腔體、連接塊、第一彈簧和傳力桿，并在彈片的上表面和/或下表面設置光柵的位移測試裝置，及光纖光柵空心包體應力計的應力測試裝置，實現(xiàn)了位移和應力同時測試。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例采用如下技術(shù)方案：

一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置，包括位移測試裝置和應力測試裝置，所述位移測試裝置與所述應力測試裝置連接。

所述位移測試裝置包括錐形體、彈片、頂針、保護腔體、連接塊、第一彈簧、傳力桿和保護管，所述錐形體通過所述連接塊與所述傳力桿連接，所述第一彈簧套設于所述傳力桿，所述保護腔體具有限位部，所述傳力桿穿過所述保護腔體且所述第一彈簧卡設于所述連接塊與所述限位部之間，所述保護管套設于所述傳力桿且一端與所述保護腔體連接另一端與所述連接塊連接，所述保護腔體靠近所述錐形體處設置有開口，所述彈片設置于所述開口處，所述頂針設置于所述彈片與所述錐形體之間，所述彈片的上表面和/或下表面設置有光柵。

所述應力測試裝置包括光纖光柵空心包體應力計，所述光纖光柵空心包體應力計通過連接件和鋼架與所述傳力桿相連，所述鋼架連接于所述光纖光柵空心包體應力計與所述連接件的一端之間，所述連接件的另一端與所述傳力桿連接。

可選的，在上述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置中，所述限位部包括第一限位部和第二限位部，所述第一限位部和第二限位部分別設置于所述保護腔體并位于所述連接塊的兩側(cè)，所述第一限位部靠近所述傳力桿，所述第一彈簧設置于所述第一限位部與所述連接塊之間，所述位移測試裝置還包括第二彈簧，所述第二彈簧設置于所述第二限位塊與所述連接塊之間，所述錐形體與所述第二彈簧靠近所述第二限位塊的一端連接。

可選的，在上述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置中，所述位移測試裝置還包括連接桿，所述連接桿連接于所述連接塊與所述錐形體之間，所述第二彈簧套設于所述連接桿并設置于所述第二限位塊與所述連接塊之間。

可選的，在上述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置中，所述錐形體包括粗端和細端，所述錐形體的細端與所述連接塊連接，所述錐形體的粗端延伸至所述保護腔體外。

可選的，在上述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置中，所述光柵為光柵片，所述彈片為金屬彈片，所述光柵片貼合于所述金屬彈片的上表面和下表面。

可選的，在上述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置中，所述保護腔體靠近所述開口一端設置有保護筒，所述保護筒套設于所述保護腔體，所述保護腔體和保護筒為中空圓柱狀。

可選的，在上述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置中，所述傳力桿穿過所述保護腔體，且所述傳力桿的一端與所述連接塊連接、另一端延伸至所述保護腔體外，所述傳力桿延伸至保護腔體外的一端設置有螺紋，所述傳力桿與所述連接件螺紋連接。

可選的，在上述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置中，所述光纖光柵空心包體應力計包括空心包體、連接環(huán)和光纖，所述空心包體外表面沿軸線方向開有三條互成120°的軸向凹槽、沿徑向開有多個徑向凹槽，所述空心包體的外表面還開設有順時針螺旋凹槽和逆時針螺旋凹槽，所述光纖纏繞固定在所述軸向凹槽、順時針螺旋凹槽、逆時針螺旋凹槽和各徑向凹槽內(nèi)，三條所述軸向凹槽、逆時針螺旋凹槽分別與三個所述徑向凹槽形成三個交點，所述光纖在三個交點的出線端方向分別刻有軸向光柵、徑向光柵和斜向光柵，所述光纖的出線端分別固定于連接環(huán)。

可選的，在上述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置中，所述空心包體外表面設有保護層，所述順時針螺旋凹槽的螺距為12厘米，所述逆時針螺旋凹槽螺距為6厘米，相鄰兩條徑向凹槽之間的距離為4厘米，所述軸向凹槽、徑向凹槽、順時針螺旋凹槽和逆時針螺旋凹槽的寬度為1.0毫米，深度為0.8毫米，所述軸向光柵、徑向光柵和斜向光柵的長度為8毫米。

本發(fā)明還提供一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試系統(tǒng)，包括光纖光柵波長解調(diào)儀、終端設備以及上述的基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置，所述光纖光柵波長解調(diào)儀、終端設備分別與所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置連接。

本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置及系統(tǒng)。基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置通過設置位移測試裝置及應力測試裝置，位移測試裝置通過設置錐形體、彈片、頂針、保護腔體、連接塊、第一彈簧和傳力桿，并在彈片的上表面和/或下表面設置光柵，應力測試裝置通過設置光纖光柵空心包體應力計、連接件和鋼架，且鋼架于所述光纖光柵空心包體應力計與連接件的一端之間，連接件的另一端與傳力桿連接，實現(xiàn)了位移和應力同時測試。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的部分實施例，因此不應被看作是對本發(fā)明保護范圍的限定，對于本領域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種位移測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種應力測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明實施例提供的一種光纖光柵空心包體應力計的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明實施例提供的一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖標：10-基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置；20-光纖光柵波長解調(diào)儀；30-終端設備；100-位移測試裝置；110-錐形體；120-彈片；130-頂針；140-保護腔體；142-第一限位部；144-第二限位部；146-開口；150-連接塊；160-第一彈簧；170-傳力桿；180-第二彈簧；190-連接桿；210-保護筒；220-保護管；300-應力測試裝置；310-光纖光柵空心包體應力計；312-空心包體；313-軸向凹槽；314-徑向凹槽；315-順時針螺旋凹槽；316-逆時針螺旋凹槽；322-連接環(huán)；324-保護層；330-連接件；350-鋼架。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設置”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10，所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10包括位移測試裝置100和應力測試裝置300，所述位移測試裝置100與所述應力測試裝置300連接。

請結(jié)合圖2，所述位移測試裝置100包括錐形體110、彈片120、頂針130、保護腔體140、連接塊150、第一彈簧160、傳力桿170、保護管220，所述錐形體110通過所述連接塊150與所述傳力桿170連接，所述第一彈簧160套設于所述傳力桿170，所述保護腔體140具有限位部，所述傳力桿170穿過所述保護腔體140且所述第一彈簧160卡設于所述連接塊150與所述限位部之間，所述保護腔體140靠近所述錐形體110處設置有開口146，所述彈片120設置于所述開口146處，所述頂針130設置于所述彈片120與所述錐形體110之間，所述保護管220套設于所述傳力桿170且一端與所述保護腔體140連接，另一端與所述連接塊150連接，所述彈片120的上表面和/或下表面設置有光柵。

請結(jié)合圖3，所述應力測試裝置300包括光纖光柵空心包體應力計310，所述光纖光柵空心包體應力計310通過連接件330和鋼架350與所述位傳力桿170連接，所述鋼架350連接于所述光纖光柵空心包體應力計310與所述連接件330的一端之間，所述連接件330的另一端與所述傳力桿170連接。

在所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10進行應力和位移測試時，所述應力測試裝置300用于測試巖體內(nèi)三維擾動應力，所述位移測試裝置100用于測試所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10的軸向位移。具體的，所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10用于測試巖體內(nèi)的應力和位移時，所述應力測試裝置300設置于巖體鉆孔內(nèi)，并通過水泥砂漿與巖體緊密錨固耦合，待水泥砂漿終凝后，所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10即可檢測該光纖光柵空心包體應力計310處巖體的應力狀態(tài)。當所述光纖光柵空心包體應力計310處的巖體發(fā)生破裂位移時，所述光纖光柵空心包體應力計310所受位移可以依次通過鋼架350和連接件330傳遞給位移測試裝置100。進而使所述傳力桿170遠離所述連接塊150的一端在受力時，所述連接塊150和錐形體110沿所述傳力桿170受力方向移動，所述彈片120在所述頂針130相對于所述錐形體110移動時上下移動，光柵在彈片120上下移動時柵距發(fā)生改變，光柵柵距的變化使得光的反射波長發(fā)生改變，進而得到巖體位移的變化。

通過設置所述保護管220，所述傳力桿170穿過所述保護腔體140，且所述傳力桿170的一端與所述連接塊150連接、另一端延伸至所述保護腔體140外，所述保護管220套設于所述傳力桿170延伸至保護腔體140外的一端，并與所述保護腔體140連接，從而有效避免在注漿過程中，漿液粘結(jié)住傳力桿170，造成光纖光柵空心包體應力計310的位移無法傳遞給測力部的問題。所述保護管220由塑料PVC材質(zhì)制成，只要能使所述保護管220對所述傳力桿170起到保護作用即可，在此不做具體限定。

需要說明的是，為使所述位移測試裝置100測試的結(jié)果更加準確，在本實施例中，所述頂針130設置于靠近所述彈片120的中心位置處，且所述頂針130在所述錐形體110相對于所述保護腔體140移動時，所述頂針130不會沿所述錐形體110的移動方向移動。初始狀態(tài)時，所述錐形體110的中部與所述頂針130接觸，且所述彈片120與所述保護腔體140相離。

為使所述位移測試裝置100在位移測試過程中，不易被損壞。在本實施例中，所述錐形體110、頂針130、保護腔體140、傳力桿170以及連接件330可以由硬質(zhì)金屬材料制成。

可選的，所述光柵為光柵片，所述彈片120為金屬彈片，所述光柵片貼合于所述金屬彈片的上表面和下表面。通過同時測試光信號通過所述金屬彈片的上表面和下表面的光柵后反射波長的變化，可使所述位移測試裝置100的測試結(jié)果更加準確。

需要說明的是，通過設置所述第一彈簧160使得所述傳力桿170在受到較大的力或者發(fā)生軸向突變時，所述傳力桿170移動速度過快造成所述頂針130和/或彈片120因突然受力被損毀，進而損壞所述位移測試裝置100。

為進一步避免所述位移測試裝置100在所述傳力桿170軸向位移時發(fā)生軸向突變，以使所述位移測試裝置100的測試結(jié)果更加精確。在本實施例中，所述限位部包括第一限位部142和第二限位部144，所述第一限位部142和第二限位部144分別設置于所述保護腔體140并位于所述連接塊150的兩側(cè)，所述第一限位部142靠近所述傳力桿170，所述第一彈簧160設置于所述第一限位部142與所述連接塊150之間，所述位移測試裝置100還包括第二彈簧180，所述第二彈簧180設置于所述第二限位部144與所述連接塊150之間，所述錐形體110與所述第二彈簧180靠近所述第二限位部144的一端連接。

可選的，所述位移測試裝置100還包括連接桿190，所述連接桿190連接于所述連接塊150與所述錐形體110之間，所述第二彈簧180套設于所述連接桿190并設置于所述第二限位部144與所述連接塊150之間，所述連接桿190的長度大于所述第二彈簧180的長度。

所述錐形體110包括粗端和細端，所述錐形體110與所述連接塊150連接的方式可以是：所述錐形體110的細端與所述連接塊150連接，也可以是所述錐形體110的粗端與所述連接塊150連接。在本實施例中，所述錐形體110的細端與所述連接塊150連接，所述錐形體110的粗端延伸至所述保護腔體140外。具體的，所述錐形體110的細端通過所述連接桿190與所述連接塊150連接。

為避免所述位移測試裝置100在測試過程中，所述彈片120在上下移動過程中軸向位置發(fā)生變化，或者所述彈片120因受力發(fā)生形變造成測試結(jié)果不準確。在本實施例中，所述保護腔體140靠近所述開口146一端設置有保護筒210，所述保護筒210套設于所述保護腔體140，所述保護筒210為中空圓柱狀。

所述保護筒210的長度可以與所述開口146的長度相同，也可以大于所述開口146的長度。在本實施例中，所述保護筒210的長度與所述開口146的長度相同。所述保護筒210的軸心線與所述保護腔體140的軸心線可以位于同一直線也可以位于不同直線。在本實施例中，所述保護筒210的軸心線與所述保護腔體140的軸心線位于同一直線。所述保護筒210的半徑與所述保護腔體140的半徑與所述頂針130的長度之和可以是任意關系，只要能使所述頂針130在上下移動時，所述彈片120與所述保護筒210之間存在間隙即可。在本實施例中，所述保護筒210的半徑大于所述保護腔體140的半徑與所述頂針130的長度之和。通過上述設置有效保證所述位移測試裝置100測試位移的準確性。

所述傳力桿170與所述連接件330的連接方式可以是但不限于卡扣連接、螺紋連接或焊接，只要能使所述傳力桿170與所述連接件330相對固定即可。

請結(jié)合圖4所示，在所述應力測試裝置300中，所述光纖光柵空心包體應力計310包括空心包體312、連接環(huán)322和光纖，所述空心包體312外表面沿軸線方向開有三條互成120°的軸向凹槽313、沿徑向開有多個徑向凹槽314，所述空心包體312的外表面還開設有順時針螺旋凹槽315和逆時針螺旋凹槽316，所述光纖纏繞固定在所述軸向凹槽313、順時針螺旋凹槽315、逆時針螺旋凹槽316和各徑向凹槽314內(nèi)，三條所述軸向凹槽313、逆時針螺旋凹槽316分別與三個所述徑向凹槽314形成三個交點，所述光纖在三個交點的出線端方向分別刻有軸向光柵、徑向光柵和斜向光柵，所述光纖的出線端分別固定于連接環(huán)322。為避免所述軸向光柵、徑向光柵和斜向光柵在所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10使用時被損壞，在本實施例中，所述空心包體312外表面設有保護層324。

具體的，所述徑向凹槽314包括第一徑向凹槽、第二徑向凹槽、第三徑向凹槽、第四徑向凹槽和第五徑向凹槽，所述第一徑向凹槽位于所述空心包體312的軸線中點位置，所述第二徑向凹槽和第三徑向凹槽位于所述第一徑向凹槽的一側(cè)，所述第四徑向凹槽和第五徑向凹槽位于所述第一徑向凹槽的另一側(cè)，相鄰兩個徑向凹槽314之間的間距為4厘米，所述順時針螺旋凹槽315的螺距為12厘米，所述逆時針螺旋凹槽316螺距為6厘米。所述軸向凹槽313、徑向凹槽314、順時針螺旋凹槽315和逆時針螺旋凹槽316的寬度為1.0毫米，深度為0.8毫米，所述軸向光柵、徑向光柵和斜向光柵的長度為8毫米。

所述三條所述軸向凹槽313、逆時針螺旋凹槽316分別與三個所述徑向凹槽314形成三個交點為：三條軸向凹槽313、逆時針螺旋凹槽316分別與第一徑向凹槽、第三徑向凹槽、第四徑向凹槽形成三個交叉點。

所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10在對巖體的位移和應力監(jiān)測時，在巖體所需的測試的位置開出測試鉆孔。在鉆孔的孔口順序連接光纖光柵空心包體應力計310、鋼架350、連接件330和位移測試裝置100，連接好后依次送入孔內(nèi)所述光纖光柵空心包體應力計310中間安放注漿管，封堵測試鉆孔的孔口后進行注漿。在巖體工程開挖運行過程中，所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10用于實施監(jiān)測該光纖光柵空心包體應力計310處三維擾動應力和位移變化。

請結(jié)合圖5，本發(fā)明還提供一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試系統(tǒng)，所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試系統(tǒng)包括光纖光柵波長解調(diào)儀20、終端設備30和多個上述的基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10，所述光纖光柵波長解調(diào)儀20與所述終端設備30和各所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10分別連接。所述終端設備30可以根據(jù)所述光纖光柵波長解調(diào)儀20中的數(shù)據(jù)計算出所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10的應力大小和位置變化。

通過采用所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試測試系統(tǒng)可以使所述光纖光柵波長解調(diào)儀20及終端設備30能同時得到多個所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10測得的應力大小和位移，各所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10可以設置于同一鉆孔內(nèi)不同深度實現(xiàn)組合測試，也可以設置于不同鉆孔內(nèi)以測試不同位置的應力大小和位移。

由于所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試系統(tǒng)包括所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10，因此所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試系統(tǒng)具有所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10的所有特征，在此不做具體贅述。

綜上，本發(fā)明實施例提供的一種基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10及系統(tǒng)，基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試系統(tǒng)包括基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10?；诠饫w光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10通過設置錐形體110、彈片120、頂針130、保護腔體140、連接塊150、傳力桿170和保護管220，并在彈片120的上表面和/或下表面設置光柵的位移測試裝置100，及光纖光柵空心包體應力計310、連接件330和鋼架350的應力測試裝置300，實現(xiàn)了位移和應力的同時測試。進一步的，通過設置第一彈簧160、第二彈簧180、保護筒210以及保護層324有效避免所述基于光纖光柵的巖體應力位移一體化測試裝置10在使用過程中被損毀或影響測試結(jié)果。

需要說明的是，在本文中，諸如“第一”、“第二”和“第三”等之類的關系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術(shù)語“包括”或者任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應所述以權(quán)利要求的保護范圍為準。