一种基于光频域反射的土体多向应力监测装置及方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115855330A(43)申请公布日2023.03.28(21)申请号202211463983.3(22)申请日2022.11.22(71)申请人南京大学地址210046江苏省南京市鼓楼区汉口路22号(72)发明人朱鸿鹄高宇新王德洋王静程刚施斌(74)专利代理机构南京苏高专利商标事务所(普通合伙)32204专利代理师郭楠(51)Int.Cl.G01L1/24(2006.01)G01B11/16(2006.01)G01K11/32(2021.01)权利要求书2页说明书6页附图3页(54)发明名称一种基于光频域反射的土体多向应力监测装置及方法(57)摘要本发明公开了一种基于光频域反射的土体多向应力监测装置及方法，监测装置包括环式传感器、光频域反射解调仪和光纤数据处理模块；环式传感器由薄壁圆环、应变感测光纤及温度感测光纤构成，其中，薄壁圆环由弹性模量等于土体压缩模量的材料制成，应变感测光纤和温度感测光纤布设在薄壁圆环开设的槽内。本发明监测时，将环式传感器埋设在待测土体中，当土体应力场变化时，薄壁圆环随土体发生变形；光频域反射解调仪连续采集应变感测光纤和温度感测光纤的应变数据，对应变感测光纤的应变数据进行温度补偿后，得到环式传感器的实时环向应变；将实时环向应变数据传输至光纤数据处理模块，基于弹性力学理论计算，得到原位土应力的变化。本发明实现了土应力多向实时监测，弥补了传统土压力传感器单向监测的劣势。CN115855330ACN115855330A权利要求书1/2页1.一种基于光频域反射的土体多向应力监测装置，其特征在于：所述监测装置包括环式传感器、光频域反射解调仪(5)和光纤数据处理模块(6)；所述环式传感器包括薄壁圆环(1)、应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)；所述薄壁圆环(1)由弹性模量等于土体压缩模量的材料制成；所述应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)采用环氧树脂粘贴在薄壁圆环(1)开设的U型槽内。2.一种基于光频域反射的土体多向应力监测方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)沿薄壁圆环(1)呈环向开设两个U型槽，利用环氧树脂将应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)粘贴在U型槽内，薄壁圆环(1)、应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)构成环式传感器，并将所述环式传感器埋设在待监测应力的土体中；(2)将应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)通过光纤跳线(4)与光频域反射解调仪(5)相连；(3)利用光频域反射解调仪(5)实时采集应变感测光纤(2)和温度感测光纤(3)的应变数据；(4)将应变感测光纤(2)的应变数据减去温度感测光纤(3)的应变数据，得到所述环式传感器的实时环向应变；(5)当土体应力发生变化时，薄壁圆环(1)和应变感测光纤(2)随土体发生变形，光频域反射解调仪对环式传感器进行环向应变数据实时采集，将采集到的实时环向应变数据传输至光纤数据处理模块(6)，基于弹性力学理论计算待测位置的土体的球应力σ0和偏应力σr，进而计算得到待测位置的土体应力σ，过程为：式中，σ0代表土体所受球应力；E为薄壁圆环的弹性模量；ν为泊松比；r1为薄壁圆环外径，r2为薄壁圆环内径；εmax为最大环向应变值；εmin为最小环向应变值；假设薄壁圆环(1)受纯弯曲作用，在受偏应力后薄壁圆环的横截面由圆形变成了椭圆形，假设在小变形的情况下，薄壁圆环内外径与椭圆长短轴之间满足以下关系：a‑rm＝rm‑b式中，a为椭圆半长轴，b为椭圆半短轴，rm为管体内外半径平均值；设椭圆长轴方向为x轴，短轴方向为y轴；椭圆与x轴交点为A点，与y轴交点为B点；B点监测应变值为压应变，且应变值最小；A点应监测的应变为拉应变，且应变值最大；土体所受偏应变与其所引起的环式传感器环向应变之间存在如下关系：式中，σr代表土体所受偏应力；ν为泊松比；εmax为最大环向应变值；εmin为最小环向应变值；θ代表图3中由x轴正向沿第一象限向y轴正向旋转的角度，取值范围为0°‑360°；k为常数，通过标定试验确定；得出2CN115855330A权利要求书2/2页式中，σ0代表土体所受球应力；σr代表土体所受偏应力；E为薄壁圆环的弹性模量；ν为泊松比；r1为薄壁圆环外径；r2为薄壁圆环内径；εmax为最大环向应变值；εmin为最小环向应变值；θ代表图3中由x轴正向沿第一象限向y轴正向旋转的角度，取值范围为0°‑360°；k为常数，通过标定试验确定。3.根据权利要求2所述的基于光频域反射的土体多向应力监测方法，其特征在于：步骤(1)中，沿所述沿薄壁圆环(1)环向开设U型槽的深度与应变感测光纤(2)或温度感测光纤(3)的直径相同。4.根据权利要求2所述的基于光频域反射的土体多向应力监测方法，其特征在于：所述薄壁圆环(1)的侧面涂抹