岩石单轴压缩光纤光栅传感检测方法研究
第２９卷第１ｌ期２００８年１１月岩土力学
ＲｏｃｋａｎｄＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｉｃｓ
ｖｏＩ．２９Ｎｏ．１１
Ｎｏｖ．２００８
文章稿号Ｉ１０００－－７５９８－－（２００８）ｌｌ一３１７４一０４
岩石单轴压缩光纤光栅传感检测方法研究
魏世明１’２，柴敬２
（１．河南理工大学能源科学与工程学院，河南焦作４５４００３；２．西安科技大学能源学院．西安７１００５４）
摘要：通过在岩石试件表面粘贴光栅与应变片的方法，测试了岩石单轴加载过程中轴向、环向的应变变化。将测试结果相对照，研究了光纤传感技术在岩石变形检测中的应用。加载方式为循环加载，最后一次至试件破裂，仅测试试件破裂前小变形阶段的变形。３次加载后结果显示光栅与应变片的测试结果一致，二者数据相吻合，证明光纤光栅传感技术可以应用于岩石试件变形检测中，对于提高岩石变形的测试手段具有一定的意义。
关健词?岩石；光纤Ｂｒａｇｇ光栅；单轴实验；变形检测
中图分类号ｚＴＰ２１２．４文献标识码ｌＡ
ＳｔｕｄｙｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｉｎｇｔｏ
ｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｒｏｃｋ
ＷＥＩＳｈｉ—ｒｕｉｎ９１一。ＣＨＡＩＪｉｎ９２
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４００３，Ｃｈｉｎ；
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔＯｒｏｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｅａｘｉａｌａｎｄｒａｄｉａｌｓｔｒａｉｎｓａｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙｓｔｉｃｋｉｎｇｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅｓＯｎｒｏｃｋｓｕｒｆａｃｅｉｎｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ａｎｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｙｃｌｉｃｌｏａｄｉｎｇｉｓａｐｐｌｉｅｄ；ａｎｄｔｈｅｒｏｃｋｄａｍａｇｅｄａｔｔｈｃｌａｓｔｔｉｍｅ．Ｔｈｅｓｍａｌｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｌｙｂｅｆｏｒｅｄａｍａｇｅｉｓｔｅｓｔｅｄ．Ｂｙｔｈｒｅｅｔｉｍｅｓｏｆｌｏａｄｉｎｇ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｃｕｒｖｅｓｏｆｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓａｃｃｏｒｄｗｉｔｈｅｌｃｃｕｉｃｓＨ崔ｉｎｇａｕｇｅｓ’ｏｎｅｓ．ＩｔｉｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｂｅｕｓｅｄｉｎｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｓｔｏｆｒｏｃｋ．Ｉｔｈａｓｃｅｒｔａｉｎｍｅａｎｉｎｇｓｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｒｏｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．
Ｋｅｙ
ｗｏｒｄｓ：ｒｏｃｋ；ｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ；ｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｅｓｔ
１引言
光纤光栅是一种新型的光子器件，是近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，在光纤通讯和光纤传感领域已得到广泛的应用。到目前为止，此项技术已日趋成熟，主要应用的工程领域有航空航天、混凝土结构及复合材料等，展现了广阔的应用前景。２０世纪９０年代光纤光栅开始被应用于岩石的变形检测，主要为借助锚杆的手段测试地下岩体的静态及动态应变【ｌ－４１。在国内，此项研究开展得较晚，主要集中于将光纤光栅应用于锚杆、锚索的研究［５－６】。本研究将光纤光栅传感技术应用于岩石的单轴压缩试验中，测试岩石加载过程中的应变变化，并与应变片方法的结果进行对照。本研究对于提高岩石变形测试手段具有一定的意义。
２光纤光栅传感原理
宽带光在光纤光栅中传输时产生模式耦合，满足反射条件的光被反射，其余的光将成为透射光，如图１所示。反射光波长满足以下条件：
厶＝２，ｏ以（１）
收稿日期：２００７－０３．１４
基金项目：国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ．５０７７４０６０）；陕西省重点实验室资助项目（Ｎｏ．０２ＪＳ４３）。
作者简介：魏世明，男，１９７９年生，博士．主要从事采矿工程光纤传感方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｍｉｎ９２００２ｃｎ＠１６３．ｔｏｍ 万方数据
第１１期魏世明等：岩石单轴压缩光纤光栅传感检测方法研究３１７５
式中：以为光纤光栅中心波长；，ｈ为光纤光栅有效折射率；以为光栅周期。
图１光栅结构及原理图
Ｆｉｇ．１ＦＢＧｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｔｓｐｒｉｎｃｉｐｌｅ
光
应变（或应力）和温度是最能直接显著改变光栅波长的物理量。假设温度恒定，光纤光栅仅受轴向应力时，由式（１）可得波长变化与应变基本关系叽
箪：（１一Ｐ弦（２）
‰
式中：Ｐ为传感系数，Ｐ＝等【ｐ１２－ｏ（ｐ。。＋Ｐ１２）１，
二
ｎ，和Ｐ。：为弹光系数：￡为轴向应变。
由式（２）可以将波长变化数据处理成应变结果，一旦光纤选定，Ｐ即为定值。对纯石英光纤，Ｐ值约为Ｏ．２２【７】。当中心波长分别取１５３１，１５４５ｎｍ和ｌ５５０ｎｍ时，式（２）计算得每微应变导致的波长变化分别为１．１９４，１．２０５，１．２０９ｐｍ。
３岩石单轴压缩光纤光栅测试分析以上述光纤光栅的传感原理为基础，借助光栅测试岩石单轴压缩过程中的应变变化，采用表面粘贴光栅的方法。加载过程中试件的变形导致光栅轴向的应变变化，使光栅的反射波长发生漂移，通过测试仪器对反射波长的接收，根据式（２）即可计算出应变值。
３．１测试系统
选用裸露的光纤光栅（为光纤Ｂｒａｇｇ光栅，简称ＦＢＧ）。光纤纤芯直径为５０ｇｍ，包层直径为１２５岫。测试仪器选用ＰＩ．０ｌ型光纤光栅传感网络解调仪，其波长测试范围为１５２５一－－１５６５ｎｍ，分辨率为１ｐｍ，应变分辨率小于等于１嶂。测试系统原理如图２所示，图中ＬＥＤ为宽带光源；ＯＳＡ为光谱仪用来精确地测定ＦＢＧ反射光中心波长；ＩＢＧ为匹配液。首先，耦合器将光源发出的光耦合进入ＦＢＧ，然后将ＦＢＧ反射回来的光耦合进入ＯＳＡ以便检测。光纤光栅网络解调仪通过接口与计算机相连，测试结果可由计算机直接显示。
图２光纤光栅测试系统原理图
Ｆｉｇ．２ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＦＢＧｓｅｎｓｉｎｇｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ
３．２光纤光栅的粘贴
选用０５０ｍｍｘｌ００ｍｉｌｌ圆柱形标准试件。岩性为变质细砂岩，颗粒均匀致密，无节理。光栅分别沿试件轴向和环向粘贴。两光栅分布于同一根光纤上，长度为３－－一３．５ｃｍ。光栅初始波长分别为１５３７．３４２ｎｍ和１５３９．３４９ｎｌＴｌ。轴向光栅布置在沿轴向１１３处，环向光栅布置在试件中央。具体的粘贴工艺为：表面开小槽一打磨一丙酮清洗一涂环氧树脂胶一粘贴。在试件的同一位置粘贴应变片，以比较测试结果。
４试验过程及结果分析
４．１试验过程
试验在万能单轴试验机上进行，采用循环加载的方式，每次待载荷稳定后记录波长及应变片测试得的数值，实际间隔时间为１～１．５ｒａｉｎ。共做３次循环，最后一次加载至试件破坏，即加载至试件的峰值强度。
在试验的前２次加载过程中，试件无明显裂隙出现，处于弹性变形阶段；第３次加载至试件破裂，裂纹贯通，破裂角口ｚ９００，为闭合裂面，如图３所示。本文仅分析试件破裂前的弹性变形阶段。
圈３试件加载最终状态
№３Ｔｈｅｆｍａｌｓｔａｔｅｏｆｔｈｅｓａｍｐｌｅａｆｔｅｒ
ｌｏａｄｉｎｇ
万方数据
３１７６岩土力学２００８年
４．２试验结果分析
将光纤光栅所测得的应变与应变片的测试结果相对照。为了更好地对比分析，根据实际的测试结果，在同一坐标系中做出两者的应力．应变曲线。定义光栅所测得的应变为应变Ｉ，与其相对应的应力．应变曲线统称曲线ｌ；应变片测得的为应变２，其曲线统称为曲线２。
第１次加载：加载最大载荷至３４ｋＮ，约为极限强度的４０．５％。结果如图４所示。由图４（ａ）中可知，轴向应变的测试中曲线１和曲线２具有相同的变化规律。应力．应变呈线性的变化关系，应力增加，轴向应变线性增加，符合岩石的变形规律。曲线１和曲线２基本重合，表明应变１与应变２的数值相差较小。实际的最大差值为加载至１３．２ＭＰａ（２６ｋＮ）时的４２．３嶂，占总应变的Ｏ．２９％；最小差值为１３肛。由图４（ｂ）可知，环向应变的测试中曲线１和曲线２变化一致，但曲线２较明显地高于曲线ｌ，表明在相同的应力下光栅所测得的应变大于应变片，这是由于光纤纤径极细，与试件表面接触面积小，应变损失率小所致。
（ａ）轴向测试
（ｂ）环向测试
图４第１次加载结果比较
Ｆｉｇ．４Ｃｏｍｐａｒｅｄｃｕｒｖｅｓｏｆｓｔｒａｉｎｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｆｉｒｓｔｌｏａｄｉｎｇ
第２次加载：加载的最大载荷至４０ｋＮ，约为极限强度的４７．６％。测试结果如图５所示。由图中可知，在本次加载过程中曲线１和曲线２的变化趋势仍然一致。由图５（ａ）知，曲线ｌ和曲线２重合明显，表明应变ｌ和应变２数值接近，实际最大差值３２．９９肛，最小差值１．７嶂。由图５（ｂ）知，两曲线变化规律一致，曲线２仍然高于曲线ｌ。最大的差值为２３嶂，占应变变化的１４．０２％，最小差值为２．１肛。
一
星
ｂ
－０．２０．００．２０．４０．６Ｏ．８１．Ｏ１．２１．４１．６１．８２．０
ｅ１１０－３
（ａ）轴向测试
（ｂ）环向测试
圈５第２次加载过程应变比较
Ｆｉｇ．５Ｃｏｍｐａｒｅｄｃｕｒｖｅｓｏｆｓｔｒａｉｎｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓｅｃｏｎｄｌｏａｄｉｎｇ
第３次加载：加载至试件完全破裂。最终的极限强度为４２．８ＭＰａ（８４ｋＮ），测试结果见图６。由图可知，曲线１和曲线２的变化规律仍然相同。如图６（ａ）轴向应变测试中，２条曲线基本吻合。加载至２４．４ＭＰａ（４８ｋＮ）后，２条曲线有稍微的偏离，如图６（ｂ）环向应变的测试中，二者最大的差值为４５雌。加载至２４．４ＭＰａ（４８ｋＮ）时，试件内部微小裂纹的贯通使光栅测试出现一下降台阶，至４２．８ＭＰａ（８４ｋＮ）时试件破裂。
博坫¨屹ｍ
８
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８
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４
２
０之
旱＿Ｗ，ｂ
万方数据
第１１期
魏世明等：岩石单轴压缩光纤光栅传感检测方法研究
３１７７
０．０
０．５
１．０
１．５
２．０
２．５
３．０
ｉｌｌ一
（ａ）轴向测试
（ｂ）环向测试
图６第３次加载过程应变比较
ｒｉｇ．６
Ｃｏｍｐａｒｅｄ
ｃｕｒｖｅｓ
ｏｆｓｔｒａｉｎｓｄｕｒｉｎｇｔｈｅ
ｔｈｉｒｄｌｏａｄｉｎｇ５
结论
本文探索性地研究了岩石单压缩试验中光栅传感技术的应用，借助光栅测试了加载过程
石的轴向、环向应变的变化，可得出的结论如
（１）对照可知，光栅与应变片测试结果的吻合，即光纤光栅可以反映岩石的变形情况，技术能被应用于岩石试件的变形测试，这对于检测手段的提高具有一定的促进和借鉴作用。
（２）光栅粘接剂会对测试结果造成影响，没有考虑此影响，在后续的研究中应加以考虑
（３）岩性不同的岩石会有不同的变形过程尝试对不同的岩石进行试验。
【２】
【３】
【４］
【５】
参考文献
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芒＿《ｂ
闻
阴光岩
：本项石文应
纤中下基此岩本。
，
万方数据
岩石单轴压缩光纤光栅传感检测方法研究
作者：魏世明， 柴敬， WEI Shi-ming， CHAI Jing
作者单位：魏世明,WEI Shi-ming(河南理工大学,能源科学与工程学院,河南,焦作,454003;西安科技大学,能源学院,西安,710054)， 柴敬,CHAI Jing(西安科技大学,能源学院,西安,710054)
刊名：
岩土力学
英文刊名：ROCK AND SOIL MECHANICS
年，卷(期)：2008,29(11)
被引用次数：2次
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本文链接：https://www.wendangku.net/doc/fe8546754.html,/Periodical_ytlx200811053.aspx