本发明属于岩土工程勘察十字板剪切装置领域，尤其涉及一种光纤式十字板剪切传感器。
背景技术：
十字板剪切技术是利用静力或锤击动力将规定形状的十字板探头压入土中试验深度后，施加扭矩使板头等速扭转，在土中形成圆柱破坏面，测定土体抵抗扭损的最大扭矩，获得土体不排水抗剪强度的一种现场原位试验。十字板剪切技术从出现至今已有一百年的历史，1919年由johnolsson首先提出来，50年代由南京水利科学研究所等单位引进，由于试验不需要采取土样，避免土样扰动及天然应力状态的改变，是一种有效测定土的不排水抗剪强度的原位测试方法。但是广泛使用的电测式十字板剪切传感器都是采用电阻应变片传感器，传感系统存在的温漂、零漂问题始终难以很好克服；探头使用环境为充满地下水的天然土体中，对传感器的防水封装要求很高，耐久性不足；此外采用多芯电缆传输信号，电磁干扰与屏蔽性能对数据影响较大。针对这些问题，提出一种精度高、抗干扰能力强的静力触探测试系统及方法就尤为重要。
技术实现要素：
本发明的目的在于利用精度高、抗电磁干扰、耐久性好、防水防腐蚀的光纤光栅作为探头应力的测量手段，提供一种通过光纤传感技术测得土体抵抗扭损的最大扭矩以获得土体不排水抗剪强度、软粘土的灵敏度和固结历史以及地基承载力的光纤式温度与弯矩自补偿式十字板剪切传感器，旨在解决上述背景技术中现有技术的不足之处。
本发明是这样实现的，一种光纤式十字板剪切传感器，该传感器包括十字板，以及共轴心设置的传力柱、扭力柱、护筒、连接杆，所述扭力柱内部与连接杆内部之间形成的光纤通道，且所述扭力柱表面设有与该光纤通道导通的通线孔；其中，所述十字板固定在传力柱一端，所述传力柱另一端与扭力柱一端以螺柱适配螺孔方式对接，所述扭力柱另一端与连接杆一端以螺柱适配螺孔方式对接，且所述扭力柱位于中空护筒内，该护筒设置在传力柱、连接杆之间，所述扭力柱表面设置有光纤光栅；所述光纤光栅连接信号传输光缆，该光缆由通线孔进入光纤通道并从连接杆内穿出。
优选地，在垂直扭力柱轴心所作圆截面上设置两根灵敏度相同的光纤光栅以消除温度变化对测量的影响；其中，两光纤光栅之间的圆心角为90°，所述传感器的数学模型为：
上式中，a、b分别表示一光纤光栅所在角度方向，d为轴的直径，g为扭力柱材料剪切模量，δλ为光纤光栅中心波长变化量，kε为光纤光栅的应变灵敏度。
优选地，所述圆截面上还设置有另外两根灵敏度相同的光纤光栅；其中，相邻光纤光栅之间的圆心角均为90°，且彼此圆心角为180°的一组光纤光栅用于补偿弯矩变化对测量的影响，消除该弯矩变化的数学模型为：
上式中，a、b、c、d分别表示一光纤光栅所在角度方向；
土体不排水的抗剪强度为：
上式中，
优选地，所述光纤通道远离扭力柱方向的穿出端设有密封圈，其中，所述光缆由密封圈轴心处的光纤导孔穿出。
优选地，所述护筒两端与传力柱、连接杆的连接处均分别设有密封垫片。
光纤光栅是最近几十年发展最为迅速的一种新型的光纤无源器件。自从1978年，加拿大通信研究中心的k.o.hill和他的同事首先发现光纤光敏性，采用驻波写入法获得自感应光栅。1989年，g.meltz等人发展了紫外光侧面写入光敏光栅技术，光纤光栅技术逐渐趋于成熟和商业化。到1993年，光纤增敏技术的进步和相位掩模板的使用，使光纤光栅实现批量生产。光纤光栅传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度，谐振波长对应变和温度的变化敏感，对光源能量和稳定性要求低，适合作精密、精确测量。本发明克服现有技术的不足，提供一种光纤式十字板剪切传感器，通过将本发明十字板探头压入土中试验深度后，施加扭矩使板头等速扭转，由于埋藏在地层中的各种土的物理力学性质不同，探头遇到的阻力也不同，随着探头在土中形成圆柱破坏面，其受到的土体抵抗扭损不断加剧，传感器把应力变形转换为光信号通过光纤采集，从而更能精确地测定土体抵抗扭损的最大扭矩从而获得岩土体不抗水抗剪强度。根据这一原理，本发明基于常规的十字板探头，提出了一种可以方便、快捷、测试成本低廉的原位测试仪器，为岩上工程实践提供有力的测试工具。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过光纤光栅取代传统的电测式传感器，实现光纤传感，得以克服传统十字板剪切试验长期在地下水环境中使用传感器容易损坏、既不经济还延误施工的缺点；
(2)本发明通过引入四个光纤光栅应变感测单元，能确保后续的数据处理计算中将温度项和弯矩项自动抵消，从而实现温度和弯矩自补偿、消除温度和弯矩对传感器的影响，使本发明具有更好的耐久性、数据准确性、连续性、再现性、操作省力等优点，为岩土工程勘察提供便利，更好的服务于工程应用。
附图说明
图1是本发明光纤式十字板剪切传感器的结构示意图；
图2是图1所示传感器的内部剖面结构示意图；
图3是本发明一实施方式中扭力柱的横截面上各光纤光栅的分布示意图；
图4是图3中在扭力柱纵向截面上的各光纤光栅的角度设置图；
图5是本发明又一实施方式中扭力柱的横截面上各光纤光栅的分布示意图；
图6图5中在扭力柱纵向截面上的各光纤光栅的角度设置图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1～3所示，其中，图1是本发明光纤式十字板剪切传感器的结构示意图；图2是图1所示传感器的内部剖面结构示意图；图3是图1所示传感器中扭力柱的横截面上各光纤光栅的分布示意图。
本发明公开了一种光纤式十字板剪切传感器，该传感器包括十字板1，以及共轴心设置的传力柱2、扭力柱3、护筒4、连接杆5，所述扭力柱3内部与连接杆5内部之间形成的光纤通道，且所述扭力柱3表面设有与该光纤通道导通的通线孔；其中，所述十字板1固定在传力柱2一端，所述传力柱2另一端与扭力柱3一端以螺柱适配螺孔方式对接，所述扭力柱3另一端与连接杆5一端以螺柱适配螺孔方式对接，且所述扭力柱3位于中空护筒4内，该护筒4设置在传力柱2、连接杆5之间，所述扭力柱3表面设置有光纤光栅6；所述光纤光栅连接信号传输光缆7，该光缆由通线孔进入光纤通道并从连接杆5内穿出。
在本发明实施例中，信号传输光缆7端部沿光纤通道从连接杆5穿到扭力柱3，并从扭力柱3的柱壁上的通线孔穿出，并最终与光纤光栅连接，光纤光栅粘贴在扭力柱3表面以感知扭力柱3的形变，扭力柱3置于护筒4内，扭力柱3两端设为螺孔并分别与传力柱2端部螺柱、连接杆5端部螺柱对接紧固，紧固的同时也将护筒4固定在传力柱2、连接杆5之间，以使传感器形成稳定的整体。
在本发明实施例中，为确保传感器具有良好的防水性能，在光纤通道远离扭力柱3方向的穿出端设有密封圈8，其中，所述光缆由密封圈轴心处的光纤导孔穿出，信号传输光缆7穿过密封圈与外部设备连接。
在本发明实施例中，护筒4设置在传力柱2、连接杆5之间，即护筒4定位在传力柱2、连接杆5之间，但是不会对传力柱2、扭力柱3等的相对转动造成影响，护筒4确保传感器具有良好的防水性能。更具体的，所述护筒4两端与传力柱2、连接杆5的连接处均分别设有密封垫片9，该密封垫片9不仅能防水，还能降低护筒4与传力柱2、连接杆5的摩檫力，确保传力柱2扭力在扭力柱3上的准确传递。
在本发明的实际应用过程中，该光纤十字板传感器的十字板1探头应当符合国际标准，包括十字板1所采用的材料、规格大小等。此外，光纤光栅在扭力柱上粘贴所用胶为美国epoxytechnology公司生产的epo-tek353nd型双组分环氧树脂胶。该光纤光栅需贴于扭力柱3上用于扭矩测量，扭力柱3是传感器的关键部件，扭力柱3材料的性能对传感器的测量准确性和稳定性影响较大，是传感器达到高性能的基础。这里，根据以往研制扭力柱3的经验，选定材料为高弹性合金钢szk。该合金钢的稳定性非常好，能很好地满足传感器的稳定性要求，而这也是传感器最主要的要求。另外，该合金钢无磁、不锈，具有良好的抗腐蚀性能，能满足岩土工程勘察环境条件。扭力柱3形状如图2所示，扭力柱3的中间圆柱表面为贴应变片的位置，轴上两个法兰之间的表面应力均匀，适宜测量。
本发明的工作原理在于，传感器以其十字板1为钻头端钻入地下后，对传感器进行旋转，在旋转过程中，十字板1受到的阻力通过传力柱2传递到扭力柱3，扭力柱3产生的形变使其侧面的光纤光栅也产生相应的应变，从而导致光纤光栅的中心反射波长发生变化，将光纤光栅通过信号传输光缆7连接到光纤光栅解调设备采集并传输到计算机，计算机可将光纤光栅波长的改变通过公式可以转换成为对应的土体的剪应力，具体如下式(1)所示：
式(1)中，m为轴上传递的扭矩；d为轴的直径；ε45°、ε135°分别为轴上与中心线成45°和135°夹角方向的应变；g为扭力柱材料剪切模量。
光纤光栅的传感原理为：
δλ＝ktδt kεε(2)
式(2)中，δλ为光纤光栅中心波长变化量；δt为温度变化量；kt为光纤光栅的温度灵敏度；ε为应变；kε为光纤光栅的应变灵敏度。
在进一步的实施过程中，如式(2)中所能看出，为消除温度对于光纤光栅的测量所具有的明显影响，在本发明实施例中，使用两根灵敏度相同的光纤光栅6a、光纤光栅6b，分别粘贴在如图3、图4所示的135°和45°方向上，得到：
δλa＝ktδt kεε135°
δλb＝ktδt kεε45°(3)
上式(3)中，δλ为光纤光栅中心波长变化量，a、b分别表示光纤光栅6a、光纤光栅6b所在角度方向，即a为光纤光栅6a所在的135°，b为光纤光栅6b所在的45°。
两式相减可得：
代入式(1)即得到光纤光栅扭矩传感器的数学模型：
上式(5)中，d为轴的直径，g为扭力柱材料剪切模量，kε为光纤光栅的应变灵敏度系数。
由上式(5)可以看出，该扭矩表达式中不含有温度参量，因此，本实施例中，在垂直扭力柱3轴心所作圆截面上设置两根灵敏度相同的光纤光栅6a、光纤光栅6b，且两光纤光栅之间的圆心角为90°，在该结构下设计出一种数学模型，确保该传感器在实际应用中可以消除温度变化对测量的影响。
在进一步的实施过程中，由上式(5)能看出，该传感器虽然分别在45°和135°方向的光纤光栅布设方案可以消除温度变化对测量的影响，但是仍旧无法补偿弯矩的影响。为了解决这个问题，在本发明实施例中，设计使用4根光纤光栅，按图5、图6所示分布在扭力柱横轴心圆截面上，也就是上述光纤光栅6a、光纤光栅6c沿135°方向粘贴，光纤光栅6b、光纤光栅6d沿45°方向粘贴，因此，扭矩可通过下式(6)表示：
上式(6)中，a～d分别表示光纤光栅6a～6d所在角度方向，即a为光纤光栅6a所在的135°，b为光纤光栅6b所在的45°，c为光纤光栅6c所在的135°，d为光纤光栅6d所在的45°。
十字板直径为d(m)，十字板的高度为h(m)，则剪切破坏的土体高度即为十字板高度，直径为十字板直径。十字板探头测得的扭矩m与土体抗剪时的抵抗力矩相等，即：
则得到原位应力状态下软粘土不排水抗剪强度：
式(7)(8)中，cu为被检测土体的不排水抗剪强度，
在本发明实施例中，通过光纤光栅取代传统的应变片传感器，实现光纤传感，得以克服传统电测式十字板探头长期在地下水环境中使用传感器容易损坏、既不经济还延误施工的缺点；此外，由上述计算过程可以看出，本发明通过所引入光纤光栅全桥光路，能确保后续的数据处理计算中将温度项和弯矩项自动抵消，从而实现温度和弯矩自补偿、消除温度和弯矩对传感器结果的影响，使本发明具有更好的耐久性、数据准确性、连续性、再现性、操作省力等优点，为岩土工程勘察提供便利，更好的服务于工程应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种光纤式十字板剪切传感器，其特征在于，该传感器包括十字板，以及共轴心设置的传力柱、扭力柱、护筒、连接杆，所述扭力柱内部与连接杆内部之间形成的光纤通道，且所述扭力柱表面设有与该光纤通道导通的通线孔；其中，所述十字板固定在传力柱一端，所述传力柱另一端与扭力柱一端以螺柱适配螺孔方式对接，所述扭力柱另一端与连接杆一端以螺柱适配螺孔方式对接，且所述扭力柱位于中空护筒内，该护筒设置在传力柱、连接杆之间，所述扭力柱表面设置有光纤光栅；所述光纤光栅连接信号传输光缆，该光缆由通线孔进入光纤通道并从连接杆内穿出。
2.如权利要求1所述的光纤式十字板剪切传感器，其特征在于，在垂直扭力柱轴心所作圆截面上设置两根灵敏度相同的光纤光栅以消除温度变化对测量的影响；其中，两光纤光栅之间的圆心角为90°，所述传感器的数学模型为：
上式中，a、b分别表示一光纤光栅所在角度方向，d为轴的直径，g为扭力柱材料剪切模量，δλ为光纤光栅中心波长变化量，kε为光纤光栅的应变灵敏度。
3.如权利要求2所述的光纤式十字板剪切传感器，其特征在于，所述圆截面上还设置有另外两根灵敏度相同的光纤光栅；其中，相邻光纤光栅之间的圆心角均为90°，且彼此圆心角为180°的一组光纤光栅用于补偿弯矩变化对测量的影响，消除该弯矩变化的数学模型为：
上式中，a、b、c、d分别表示一光纤光栅所在角度方向；
土体不排水的抗剪强度为：
上式中，
4.如权利要求1所述的光纤式十字板剪切传感器，其特征在于，所述光纤通道远离扭力柱方向的穿出端设有密封圈，其中，所述光缆由密封圈轴心处的光纤导孔穿出。
5.如权利要求1所述的光纤式十字板剪切传感器，其特征在于，所述护筒两端与传力柱、连接杆的连接处均分别设有密封垫片。
技术总结