OFDR在巖石室內試驗的應用

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

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

  圖1. OSI-S高精度分布式光纖傳感系統(tǒng)

  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現(xiàn)對試樣環(huán)向應變和豎向應變的測量。由于試驗過程室內溫度較為穩(wěn)定，因此無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

  應變測量光纖通過環(huán)氧樹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，布置方案和過程如圖2所示。對布設好光纖后的樣品進行單軸壓縮加載，一共進行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程中，使用OSI-S設備采集了光纖的應變測值，與傳統(tǒng)應變片的應變測值結果基本吻合，說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的分布情況，可以了解加載時應變集中區(qū)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(展開圖)

  如圖5所示，砂巖表面形態(tài)破壞在95%~100%時光纖會產(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(qū)域大小，捕捉裂紋開裂的時序，測量得出的結論和實際裂紋破壞形態(tài)一致。

  根據(jù)光纖、環(huán)氧樹脂層與砂巖三者的應變傳遞理論，對砂巖加載過程產(chǎn)生的微裂縫寬度進行量化分析，開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可實現(xiàn)對單軸壓縮巖石試樣全局應變場的實時準確測量，根據(jù)儀器測得的應變值和應變場的發(fā)展規(guī)律，預測巖石潛在的破壞位置和破壞時序，判斷初期裂縫開裂寬度及發(fā)展規(guī)律，為巖石室內試驗提供了一種新的可靠測量技術。

  除了單軸壓縮試驗，更多的應用場景值得進一步研究。

  昊衡科技

  一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的高科技公司，專業(yè)從事工業(yè)級自校準光學測量與傳感技術開發(fā)，也是國內唯一一家實現(xiàn)OFDR技術商用化的公司。

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

  電話：027-87002165

  官網(wǎng)：http://www.mega-sense.com/

  公眾號：“昊衡科技”或“大話光纖傳感”

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  來源：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