(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010927586.1
(22)申请日 2020.09.07
(71)申请人 中国海洋石油集团有限公司
地址 100010 北京市东城区朝阳门北大街
25号
申请人 中海油研究总院有限责任公司
大连理工大学
(72)发明人 李清平 周守为 周建良 吕鑫
庞维新 赵佳飞 黄婷 刘永飞
赵晶瑞 何玉发 刘卫国 李洋辉
朱军龙 秦蕊 樊奇 葛阳
(74)专利代理机构 北京纪凯知识产权代理有限
公司 11245
代理人 冀志华
(51)Int.Cl.G01N 3/02(2006.01)G01N 3/04(2006.01)G01N 3/06(2006.01)G01N 3/24(2006.01)
(54)发明名称一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置及方法(57)摘要本发明涉及一种基于光纤光栅 的三轴试样体变测量装置及方法，其特征在于，圆形底座，设置在所述圆形底座中部的三轴试样以及均匀围设在所述三轴试样外围的若干测量棒体；各所述测量棒体包括棒体本体以及沿轴向等间隔设置在所述棒体本体表面的若干应变传感器件；所述棒体本体采用可形变材料，且能够随着所述三轴试样的变形而同步弯曲，并始终与所述三轴试样接触；每一所述应变传感器件均包括若干光纤布拉格光栅，且各所述光纤光栅通过光纤串联连接，形成准分布式的应变传感序列。本发明可以 广泛应用于三轴试样体变测量领域。权利要求书1页 说明书3页 附图3页CN 111896368 A 2020.11.06
C N 111896368
A
1.一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，其特征在于，包括：圆形底座，设置在所述圆形底座中部的三轴试样以及均匀围设在所述三轴试样外围的若干测量棒体；各所述测量棒体包括棒体本体以及沿轴向等间隔设置在所述棒体本体表面的若干应变传感器件；所述棒体本体采用可形变材料，且能够随着所述三轴试样的变形而同步弯曲，并始终与所述三轴试样接触；每一所述应变传感器件均包括若干光纤布拉格光栅，且各所述光纤光栅通过光纤串联连接，形成准分布式的应变传感序列。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，其特征在于，所述三轴试样为圆柱形试样。
3.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，其特征在于，所述圆形底座的直径为两个所述测量棒体直径与所述三轴试样直径之和，使得所述三轴试样表面与所述测量棒体表面恰好相接触。
4.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，其特征在于，围设在所述三轴试样外围的所述测量棒体数量为8个。
5.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，其特征在于，所述棒体本体表面沿轴向等间隔设置的呈准分布式的应变传感序列数量为4个。
6.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，其特征在于，所述棒体本体的高度和所述三轴试样高度一致。
7.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，其特征在于，所述棒体本体的直径小于所述三轴试样直径的1/10。
8.一种采用如权利要求1～7任一项所述测量装置的基于光纤光栅的三轴试样体变测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将所述基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置放入三轴压力室内，并对三轴试样进行三轴排水剪切试
验，并实时记录各测量棒体上各个光纤光栅中心波长值的变化；
2)根据得到的各测量棒体上各个光纤光栅中心波长值变化曲线，计算得到测量棒体上各点的应变分布，根据弯梁的基本理论反算出每个测量棒体的变形曲线，得到各个测量棒体在x，y和z轴各个方向的位移值；
3)根据各测量棒体在x，y和z轴各个方向的位移值，得到三轴试样压缩后的形状，并计算出三轴试样压缩后的体积；
4)将三轴试样的初始体积与压缩后的体积做差，即为三轴试样在压缩过程中的体积变化。
权 利 要 求 书1/1页CN 111896368 A
一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置及方法，属于岩土工程领域。
背景技术
[0002]三轴装置是用来测量土体抗剪强度的一种实验装置，在土力学上常被用来考察土体工程的力学形状。在三轴排水剪切试验中，试样的体积会随着剪切过程发生变化，这种变化对于研究试样的变形特性有着重要意义。
[0003]目前三轴试验中测量部分饱和试样体变的方法大多是在双压力室内，通过压缩过程中压力室内液压油的溢出量来计算的，这种方法对压力室的刚度要求比较高，还要保证不会泄露，同时其测量精度也偏低。
发明内容
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置及方法，能够准确获得试样在压缩过程中的体积变化。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
[0006]本发明的第一个方面，是提供一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，其包括：圆形底座，设置在所述圆形底座中部的三轴试样以及均匀围设在所述三轴试样外围的若干测量棒体；各所述测量棒体包括棒体本体以及沿轴向等间隔设置在所述棒体本体表面的若干准分布式的应变传感序列；所述棒体本体采用可形变材料，且能够随着所述三轴试样的变形而同步弯曲，并始终与所述三轴试样接触；每一所述应变传感序列均包括一光纤和由所述光纤串联连接的多个光纤光栅。
[0007]进一步地，所述三轴试样为圆柱形试样。
[0008]进一步地，所述圆形底座的直径为两个所述测量棒体直径与所述三轴试样直径之和，使得所述三轴试样表面与所述测量棒体表面恰好相接触。
[0009]进一步地，围设在所述三轴试样外围的所述测量棒体数量为8个。
[0010]进一步地，所述棒体本体表面沿轴向等间隔设置的呈准分布式的应变传感序列数量为4个。
[0011]进一步地，所述棒体本体的高度和所述三轴试样高度一致。
[0012]进一步地，所述棒体本体的直径小于所述三轴试样直径的1/10。
[0013]本发明的第二个方面，是提供一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量方法，其包括以下步骤：1)将所述基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置放入三轴压力室内，并对三轴试样进行三轴排水剪切试验，并实时记录各测量棒体上各个光纤光栅中心波长值的变化；2)根据得到的各测量棒体上各个光纤光栅中心波长值变化曲线，计算得到测量棒体上各点的应变分布，根据弯梁的基本理论反算出每个测量棒体的变形曲线，得到各个测量棒体在x，y和z轴各方向的位移值；3)根据各测量棒体在x，y和z轴各方向的位移值，得到三轴
试样压缩后的形状，并计算出三轴试样压缩后的体积；4)将三轴试样的初始体积与压缩后的体积做差，即为三轴试样在压缩过程中的体积变化。
[0014]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明将光纤光栅按一定排列方法串联到光纤上，将4条光纤沿轴向等间距粘贴到选定的棒体表面上，再将8个相同的棒体均匀分布在一个圆形底座周围，保证试样表面能够与棒体表面恰好相接触。通过测量三轴压缩试验过程中各个棒体光纤光栅的中心波长值的变化，进而得到棒体各个方向的位移值。根据8个棒体各个方向的位移值，可以得到试样压缩后的形状，进而可以计算出试样压缩过程的体积变化。该方法具有灵敏度高，可靠性好，抗电磁干扰和耐久性好等优点，对于三轴压缩试验试样的体变测量具有重要意义。
附图说明
[0015]图1是本发明表面上沿轴向等间距粘贴4条光纤的单个棒体；
[0016]图2是光纤光栅示意图；
[0017]图3是8个棒体的整体分布结构；
[0018]图4是试样压缩前整体的状态；
[0019]图5是试样压缩后整体的状态。
具体实施方式
[0020]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0021]本发明中应用的光纤光栅原理为当入射光线进入光纤时，布拉格光栅会反射特定波长的光，其中心波长值满足公式λ＝2n effΛ，其中，n eff为光纤的有效折射率，Λ为光纤光栅的栅距。光纤光栅的中心波长值会随着应变的变化而变化，即当光纤光栅被压缩时，其中心波长值会减小。同时，光纤光栅的中心波长值还会随着温度的变化而变化，但由于在三轴压缩过程中温度可以认为保持不变，所以只要在压缩时的温度下标定不受力时的中心波长值即初始中心波长值，就可以只考虑应变的影响。
[0022]如图1～图4所示，基于上述分析，本发明提供了一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，其包括：圆形底座1，设置在圆形底座2中部的三轴圆柱形试样2以及均匀围设在三轴圆柱形试样2外围的若干测量棒体3。其中，各测量棒体3均包括棒体本体31以及沿轴向等间隔设置在棒体本体31表面的若干应变传感器件32。棒体本体31采用弹性较好的可形变材料，即棒体的弹性能够满足随着三轴试样2的变形保持同步弯曲，并始终与三轴圆柱形试样2接触；每一应变传感器件32均包括若干光纤光栅33，且各光纤光栅33通过光纤34串联连接，形成准分布式的应变传感序列。
[0023]作为一个优选的实施例，圆形底座1的直径为两个测量棒体3直径与三轴圆柱形试样2直径之和，以保证三轴圆柱形试样2表面与测量棒体3表面恰好相接触。
[0024]作为一个优选的实施例，围设在三轴圆柱形试样2外围的测量棒体3数量为8个。[0025]作为一个优选的实施例，棒体本体31表面沿轴向等间隔设置有4条呈准分布式的应变传感序列32。
[0026]作为一个优选的实施例，棒体本体31的高度和三轴圆柱形试样2高度一致，且棒体本体31的直径应尽量小于三轴试样2直径的1/10。
[0027]作为一个优选的实施例，将各光纤光栅33与光纤34串联连接时，需将光纤34外部包层341剥开，将光纤纤芯342与光纤光栅33的两端连接。
[0028]本发明还提供了一种基于光纤光栅的三轴试样体变测量方法，该方法主要通过安装在试样表面的含有准分布式光纤光栅传感器件，根据剪切过程中光纤中心波长值的变化来计算每个棒体各个方向的位移值，从而计算出试样的体变，具体的，包括以下步骤：[0029]1)按照图1～图4所示，制作基于光纤光栅的三轴试样体变测量装置，并将制作好的测量装置放入三轴压力室内，并对三轴试样进行三轴排水剪切试验，并实时记录各测量棒体上各个光纤光栅中心波长值的变化。
[0030]如图5所示，当对三轴圆柱形试样进行三轴排水剪切实验时，三轴圆柱形试样会受到轴向应力而产生形变。此时测量棒体也会受到轴向压应力以及三轴试样变形产生的径向力引起的横向弯曲变形，进而带动其表面的光纤光栅产生相应的压应变，引起光纤光栅中心波长值的变化，实时记录8个棒体上各个光纤中心波长值的变化。
[0031]2)根据得到的各测量棒体上各个光纤光栅中心波长值变化曲线，计算得到测量棒体上各点的应变分布，根据弯梁的基本理论反算出每个测量棒体的变形曲线，得到各个测量棒体在x，y和z轴各个方向的位移值。
[0032]3)根据各测量棒体在x，y和z轴各个方向的位移值，得到三轴圆柱形试样压缩后的形状，并计算出三轴圆柱形试样压缩后的体积。
[0033]4)将三轴试样的初始体积与压缩后的体积做差，即为三轴圆柱形试样在压缩过程中的体积变化。
[0034]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
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