OFDR在巖石室內(nèi)試驗(yàn)的應(yīng)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(nèi)試驗(yàn)具有極大的優(yōu)勢(shì)，相較于傳統(tǒng)應(yīng)變片能捕捉更大范圍的應(yīng)變信息，相較于DIC(數(shù)字圖像相關(guān)法)需求的外部環(huán)境有著更低和更為簡(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(tǒng)，其空間分辨率最小可達(dá)1mm，應(yīng)變測(cè)量精度為±1με，滿(mǎn)足巖石室內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)量精度。高精度分布式光纖傳感系統(tǒng)在巖石室內(nèi)試驗(yàn)的應(yīng)用有助拓展測(cè)試技術(shù)，為研究更復(fù)雜的科研問(wèn)題提供基礎(chǔ)。

  圖1. OSI-S高精度分布式光纖傳感系統(tǒng)

  試驗(yàn)樣品為直徑為68.7mm的砂巖，解調(diào)設(shè)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(shè)方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣環(huán)向應(yīng)變和豎向應(yīng)變的測(cè)量。由于試驗(yàn)過(guò)程室內(nèi)溫度較為穩(wěn)定，因此無(wú)需加設(shè)溫度補(bǔ)償光纖。

  圖2. 應(yīng)變光纖在砂巖試樣上的布設(shè)示意圖

  應(yīng)變測(cè)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(shè)應(yīng)變片，布置方案和過(guò)程如圖2所示。對(duì)布設(shè)好光纖后的樣品進(jìn)行單軸壓縮加載，一共進(jìn)行25級(jí)加載，每級(jí)壓力增大2MPa，最大壓力為50MPa，每次加載采集了光纖的應(yīng)變測(cè)值和應(yīng)變片的應(yīng)變測(cè)值。

  圖3. 光纖測(cè)值和應(yīng)變片測(cè)值的對(duì)比

  如圖3所示，在砂巖單軸壓縮加載過(guò)程中，使用OSI-S設(shè)備采集了光纖的應(yīng)變測(cè)值，與傳統(tǒng)應(yīng)變片的應(yīng)變測(cè)值結(jié)果基本吻合，說(shuō)明分布式光纖測(cè)量應(yīng)變的準(zhǔn)確性。

  圖4. 25級(jí)加載光纖測(cè)量應(yīng)變值

  如圖4所示，光纖測(cè)值提供砂巖表面應(yīng)變場(chǎng)的分布情況，可以了解加載時(shí)應(yīng)變集中區(qū)的發(fā)展?fàn)顩r。

  圖5. 砂巖表面應(yīng)變集中分布與最終破壞形態(tài)的對(duì)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(yīng)變，利用光纖產(chǎn)生的應(yīng)變值大小可以有效判斷裂紋區(qū)域大小，捕捉裂紋開(kāi)裂的時(shí)序，測(cè)量得出的結(jié)論和實(shí)際裂紋破壞形態(tài)一致。

  根據(jù)光纖、環(huán)氧樹(shù)脂層與砂巖三者的應(yīng)變傳遞理論，對(duì)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(xiàn)對(duì)單軸壓縮巖石試樣全局應(yīng)變場(chǎng)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，根據(jù)儀器測(cè)得的應(yīng)變值和應(yīng)變場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律，預(yù)測(cè)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(guī)律，為巖石室內(nèi)試驗(yàn)提供了一種新的可靠測(cè)量技術(shù)。

  除了單軸壓縮試驗(yàn)，更多的應(yīng)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(jí)自校準(zhǔn)光學(xué)測(cè)量與傳感技術(shù)開(kāi)發(fā)，也是國(guó)內(nèi)唯一一家實(shí)現(xiàn)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(yīng)用于光學(xué)鏈路診斷、光學(xué)多參數(shù)測(cè)量、高精度分布式光纖溫度和應(yīng)變傳感測(cè)試。已與全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)企業(yè)建立良好的合作關(guān)系，并取得諸多成果。

  電話：027-87002165

  官網(wǎng)：http://www.mega-sense.com/

  公眾號(hào)：“昊衡科技”或“大話光纖傳感”

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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