OFDR在巖石室內試驗的應用

  ICC訊 光頻域反射技術(shù)(OFDR)使得分布式光纖傳感技術(shù)在巖石室內試驗具有極大的優(yōu)勢，相較于傳統應變片能捕捉更大范圍的應變信息，相較于DIC(數字圖像相關(guān)法)需求的外部環(huán)境有著(zhù)更低和更為簡(jiǎn)單的后處理過(guò)程。

  OSI-S是基于光頻域反射技術(shù)的高精度分布式光纖傳感系統，其空間分辨率最小可達1mm，應變測量精度為±1με，滿(mǎn)足巖石室內試驗應變測量精度。高精度分布式光纖傳感系統在巖石室內試驗的應用有助拓展測試技術(shù)，為研究更復雜的科研問(wèn)題提供基礎。

  圖1. OSI-S高精度分布式光纖傳感系統

  試驗樣品為直徑為68.7mm的砂巖，解調設備為OSI-S，傳感器采用直徑為125μm的聚酰亞胺光纖，“水平+螺旋”纏繞光纖的布設方案可以實(shí)現對試樣環(huán)向應變和豎向應變的測量。由于試驗過(guò)程室內溫度較為穩定，因此無(wú)需加設溫度補償光纖。

  圖2. 應變光纖在砂巖試樣上的布設示意圖

  應變測量光纖通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂膠水粘貼在巖石試樣表面，并在光纖附近位置布設應變片，布置方案和過(guò)程如圖2所示。對布設好光纖后的樣品進(jìn)行單軸壓縮加載，一共進(jìn)行25級加載，每級壓力增大2MPa，最大壓力為50MPa，每次加載采集了光纖的應變測值和應變片的應變測值。

  圖3. 光纖測值和應變片測值的對比

  如圖3所示，在砂巖單軸壓縮加載過(guò)程中，使用OSI-S設備采集了光纖的應變測值，與傳統應變片的應變測值結果基本吻合，說(shuō)明分布式光纖測量應變的準確性。

  圖4. 25級加載光纖測量應變值

  如圖4所示，光纖測值提供砂巖表面應變場(chǎng)的分布情況，可以了解加載時(shí)應變集中區的發(fā)展狀況。

  圖5. 砂巖表面應變集中分布與最終破壞形態(tài)的對比(展開(kāi)圖)

  如圖5所示，砂巖表面形態(tài)破壞在95%~100%時(shí)光纖會(huì )產(chǎn)生應變，利用光纖產(chǎn)生的應變值大小可以有效判斷裂紋區域大小，捕捉裂紋開(kāi)裂的時(shí)序，測量得出的結論和實(shí)際裂紋破壞形態(tài)一致。

  根據光纖、環(huán)氧樹(shù)脂層與砂巖三者的應變傳遞理論，對砂巖加載過(guò)程產(chǎn)生的微裂縫寬度進(jìn)行量化分析，開(kāi)裂寬度隨加載水平的變化情況如圖6所示。

圖6. 砂巖表面微裂縫寬度發(fā)展

  基于OFDR的分布式光纖傳感技術(shù)可實(shí)現對單軸壓縮巖石試樣全局應變場(chǎng)的實(shí)時(shí)準確測量，根據儀器測得的應變值和應變場(chǎng)的發(fā)展規律，預測巖石潛在的破壞位置和破壞時(shí)序，判斷初期裂縫開(kāi)裂寬度及發(fā)展規律，為巖石室內試驗提供了一種新的可靠測量技術(shù)。

  除了單軸壓縮試驗，更多的應用場(chǎng)景值得進(jìn)一步研究。

  昊衡科技

  一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售于一體的高科技公司，專(zhuān)業(yè)從事工業(yè)級自校準光學(xué)測量與傳感技術(shù)開(kāi)發(fā)，也是國內唯一一家實(shí)現OFDR技術(shù)商用化的公司。

  目前，昊衡科技已推出多款高精度高分辨率產(chǎn)品，主要應用于光學(xué)鏈路診斷、光學(xué)多參數測量、高精度分布式光纖溫度和應變傳感測試。已與全球多個(gè)國家和地區企業(yè)建立良好的合作關(guān)系，并取得諸多成果。

  電話(huà)：027-87002165

  官網(wǎng)：http://www.mega-sense.com/

  公眾號：“昊衡科技”或“大話(huà)光纖傳感”

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  來(lái)源：Rock Mechanics and Rock Engineering

  題名：A Novel Approach to Surface Strain Measurement for Cylindrical Rock Specimens Under Uniaxial Compression Using Distributed Fibre Optic Sensor Technology

  作者：Shao-Qun Lin, Dao-Yuan Tan, Jian-Hua Yin, Hua Li