本發(fā)明屬于巖土測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種基于三維光纖地應(yīng)力傳感器的應(yīng)力敏感元件，作為三維光纖地應(yīng)力傳感器的核心部件，將傳感面感知應(yīng)力變形轉(zhuǎn)化為光纖應(yīng)變。

背景技術(shù)：

目前，全國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦巷道中，深部巷道占有28％～30％，可以預(yù)見在未來10年內(nèi)將會(huì)有越來越多的礦井進(jìn)入超千米深部開拓開采階段，我國(guó)將成為世界上煤炭資源開采深度最大的國(guó)家。

然而深部圍巖軟弱破碎，常用的地應(yīng)力測(cè)試方法和測(cè)試系統(tǒng)大多難以有效投入使用。例如水壓致裂法，其本身的測(cè)試特點(diǎn)決定其適用于完整性較好的巖體中，且本質(zhì)上屬于二維地應(yīng)力測(cè)試方法。而另一種常用的地應(yīng)力測(cè)試方法套芯應(yīng)力解除法，在使用前需要事先假定被測(cè)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)和相應(yīng)本構(gòu)關(guān)系，且在深部軟巖賦存條件下的實(shí)際操作過程中，符合要求的完整巖芯獲取成功率較低。因此傳統(tǒng)地應(yīng)力測(cè)試方法在深部巷道的軟弱破碎圍巖中幾乎無法滿足工程上的使用要求。

為解決現(xiàn)有地應(yīng)力測(cè)試方法無法勝任工程實(shí)際這一越來越突出的矛盾，三維光纖地應(yīng)力傳感器應(yīng)運(yùn)而生。市場(chǎng)上現(xiàn)有數(shù)種應(yīng)力傳感器，并不適用于深部圍巖或深埋隧道賦存條件。在此環(huán)境下實(shí)際應(yīng)用中存在一些問題。常規(guī)的應(yīng)力傳感器普遍只能實(shí)現(xiàn)一維應(yīng)力的測(cè)量，無法同一時(shí)間得到被測(cè)地點(diǎn)的空間地應(yīng)力狀態(tài)。此外現(xiàn)有傳感器大多是基于電信號(hào)作為信號(hào)傳輸工具，沒有考慮過井下對(duì)防爆防靜電的特殊要求，未取得防爆合格證與安全標(biāo)識(shí)，無法在富含瓦斯等易燃易爆氣體的煤礦井下惡劣環(huán)境中投入正常使用。除此以外，中國(guó)專利中公開的幾種三維應(yīng)力傳感器未形成成型產(chǎn)品批量投入市場(chǎng)，其公布的測(cè)試技術(shù)與裝置組件尚不完善。

應(yīng)力無法直接通過任何測(cè)量工具測(cè)量?，F(xiàn)有應(yīng)力傳感器均是通過對(duì)應(yīng)變的間接測(cè)量來感知應(yīng)力。因此，應(yīng)力敏感元件是三維光纖地應(yīng)力傳感器的核心部件，它將傳感器感知到的應(yīng)力通過光纖應(yīng)變轉(zhuǎn)化為能夠直接獲取的光頻率信號(hào)，再通過后期調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)，還原為被測(cè)地點(diǎn)的三維地應(yīng)力數(shù)值。傳統(tǒng)應(yīng)力敏感元件主要包括有：①?gòu)椥詧A柱(分為實(shí)心和空心兩種)，該元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可承受很大載荷；但產(chǎn)生的位移很小，所以往往以應(yīng)變作為輸出量；②懸臂梁，又分為等截面梁和等強(qiáng)度梁，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，多用于較小力的測(cè)量，以應(yīng)變或自由端的位移作為輸出量；③扭轉(zhuǎn)棒，其主要應(yīng)用于扭矩傳感器；④圓形膜片或圓形波紋膜片，期一般用于測(cè)量流體中的壓力差。由于三維光纖地應(yīng)力傳感器內(nèi)部空間窄小，既要滿足防爆要求傳輸光信號(hào)，又需克服光纖光柵自身存在的啁啾效應(yīng)，可以看出，現(xiàn)有的應(yīng)力敏感元件均不適用于該裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于三維光纖地應(yīng)力傳感器的應(yīng)力敏感元件，作為感知應(yīng)力信號(hào)到光頻率數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)化裝置，用于深部巷道或深埋隧道的破碎軟弱圍巖地應(yīng)力測(cè)試之中?；谠搼?yīng)力敏感元件，傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量對(duì)象圍巖內(nèi)部應(yīng)力值的間接獲取，同時(shí)可以即時(shí)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)圍巖應(yīng)力值的變化。通過該元件傳輸?shù)墓忸l率信號(hào)是數(shù)字信號(hào)的一種，具有遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)不失真的優(yōu)點(diǎn)，信號(hào)值不受環(huán)境、溫度、電阻抗的干擾的影響，具有很好的抗干擾和耐環(huán)境的能力。

一種基于三維光纖地應(yīng)力傳感器的應(yīng)力敏感元件，包括傳感器承載板，還包括筒狀的傳感器外殼，傳感器外殼的上筒口與傳感器膜片連接，傳感器膜片的上表面通過圓柱形凸起與傳感器承載板連接，傳感器外殼的下筒口與傳感器底面連接，傳感器底面的上設(shè)置有應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔，傳感器底面上設(shè)置有環(huán)形的底座圓盤，底座圓盤的外環(huán)側(cè)與傳感器外殼內(nèi)壁貼合，底座圓盤的內(nèi)環(huán)側(cè)與懸臂梁型夾具連接，傳感器膜片的下表面與圓形截面鉤具一端連接，圓形截面鉤具另一端彎延至應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔內(nèi)，光纖布拉格光柵頂端的連接光纖卡設(shè)在懸臂梁型夾具內(nèi)，光纖布拉格光柵底端的連接光纖卡設(shè)在彎延至應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔內(nèi)的圓形截面鉤具的端部上。

如上所述的傳感器承載板的中心軸線、圓柱形凸起的中心軸線、傳感器膜片的中心軸線、傳感器外殼的中心軸線、底座圓盤的中心軸線、應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔的中心軸線以及光纖布拉格光柵所在直線共線。

如上所述的懸臂梁型夾具包括端頭臺(tái)階和懸臂梁梁身，端頭臺(tái)階的外側(cè)與底座圓盤的內(nèi)環(huán)側(cè)形狀適配，端頭臺(tái)階的內(nèi)側(cè)與懸臂梁梁身一端連接，懸臂梁梁身另一端開設(shè)有夾頭切口。

如上所述的端頭臺(tái)階為弧形，懸臂梁梁身的高度小于端頭臺(tái)階的高度，懸臂梁梁身一端連接于端頭臺(tái)階的中部。

如上所述的圓形截面鉤具包括豎向短桿、上部橫向連接桿、縱向連接桿、下部橫向連接桿和矩形底板，豎向短桿頂部的圓形截面鉤具頂端與傳感器膜片連接，豎向短桿的底部與上部橫向連接桿一端連接，上部橫向連接桿另一端與縱向連接桿的頂端連接，縱向連接桿的底端與下部橫向連接桿一端連接，下部橫向連接桿另一端與矩形底板連接，矩形底板上開設(shè)有鉤具切口，光纖布拉格光柵頂端的連接光纖卡設(shè)在夾頭切口內(nèi)，光纖布拉格光柵底端的連接光纖卡設(shè)在鉤具切口內(nèi)。

如上所述的夾頭切口與光纖布拉格光柵頂端的連接光纖之間涂設(shè)有環(huán)氧樹脂膠；所述的鉤具切口與光纖布拉格光柵底端的連接光柵之間涂設(shè)有環(huán)氧樹脂膠。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、光波頻率信號(hào)屬于數(shù)字信號(hào)，具有遠(yuǎn)距離傳播的優(yōu)勢(shì)。信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸過程中不衰減，不失真?；诠饫w特性，信號(hào)傳遞過程抗干擾性良好，不易受電磁、溫度等環(huán)境影響。具有較好的耐環(huán)境性。

2、應(yīng)力敏感元件體積小、質(zhì)量輕，安裝使用方便。易于大規(guī)模投入市場(chǎng)化生產(chǎn)。取材容易，成本相對(duì)較低，且加工制作工藝較為簡(jiǎn)單，具有一定的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3、應(yīng)力敏感元件靈敏度高。采用豎置拉伸式設(shè)計(jì)，完全克服傳統(tǒng)光纖應(yīng)力敏感元件中光纖光柵由于受到不均勻應(yīng)變而產(chǎn)生的啁啾效應(yīng)。采用本方案設(shè)計(jì)的光纖布拉格光柵屬于在正常工作過程中發(fā)生等均勻應(yīng)變，產(chǎn)生顯著良好的光波波形，易于后期解調(diào)。

4、應(yīng)力敏感元件該裝置本質(zhì)安全，長(zhǎng)期使用耐久性和密封性良好，密封防銹蝕。適用于井下和深埋隧道等地質(zhì)條件復(fù)雜惡劣的環(huán)境中使用。

5、結(jié)合配套三維光纖地應(yīng)力傳感器，應(yīng)力敏感元件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)孔周巖體地應(yīng)力的實(shí)時(shí)長(zhǎng)期跟蹤測(cè)量。在后期便于實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)試，覆蓋監(jiān)控整體圍巖應(yīng)力場(chǎng)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體組裝結(jié)構(gòu)主視圖。

圖2為本發(fā)明的底座圓盤的俯視圖。

圖3為本發(fā)明的懸臂梁型夾具的俯視圖。

圖4為本發(fā)明的圓形截面鉤具的立體圖。

圖5為本發(fā)明的圓形截面鉤具的俯視圖。

圖6為本發(fā)明的整體組裝結(jié)構(gòu)俯視圖。

其中：

1-1-傳感器承載板，1-2-傳感器膜片，1-3-傳感器外殼內(nèi)壁，1-4-傳感器底面，1-5-應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔；

2-底座圓盤，2-1-底座圓盤上表面，2-2-底座圓盤環(huán)內(nèi)壁，2-3-底座圓盤環(huán)外壁，2-4-底座圓盤下表面；

3-懸臂梁型夾具，3-1-端頭臺(tái)階，3-2-第一臺(tái)階向外延伸部，3-3-第二臺(tái)階向外延伸部，3-4-懸臂梁梁身，3-5-夾頭切口，3-6-光纖材料粘結(jié)膠體；

4-圓形截面鉤具，4-1-圓形截面鉤具頂端，4-2-豎向短桿，4-3-上部橫向連接桿，4-4-縱向連接桿，4-5-下部橫向連接桿，4-6-矩形底板，4-7-鉤具切口；

5-光纖布拉格光柵。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明：

一種基于三維光纖地應(yīng)力傳感器的應(yīng)力敏感元件，包括傳感器承載板1-1，還包括筒狀的傳感器外殼，傳感器外殼的上筒口與傳感器膜片1-2連接，傳感器膜片1-2的上表面通過圓柱形凸起與傳感器承載板1-1連接，傳感器外殼的下筒口與傳感器底面1-4連接，傳感器底面1-4的上設(shè)置有應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5，傳感器底面1-4上設(shè)置有環(huán)形的底座圓盤2，底座圓盤2的外環(huán)側(cè)與傳感器外殼內(nèi)壁1-3貼合，底座圓盤2的內(nèi)環(huán)側(cè)與懸臂梁型夾具3連接，傳感器膜片1-2的下表面與圓形截面鉤具4一端連接，圓形截面鉤具4另一端彎延至應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5內(nèi)，光纖布拉格光柵5頂端的連接光纖卡設(shè)在懸臂梁型夾具3內(nèi)，光纖布拉格光柵5底端的連接光纖卡設(shè)在彎延至應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5內(nèi)的圓形截面鉤具4的端部上。

傳感器承載板1-1的中心軸線、圓柱形凸起的中心軸線、傳感器膜片1-2的中心軸線、傳感器外殼的中心軸線、底座圓盤2的中心軸線、應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5的中心軸線以及光纖布拉格光柵5所在直線共線。

懸臂梁型夾具3包括端頭臺(tái)階3-1和懸臂梁梁身3-4，端頭臺(tái)階3-1的外側(cè)與底座圓盤2的內(nèi)環(huán)側(cè)形狀適配，端頭臺(tái)階3-1的內(nèi)側(cè)與懸臂梁梁身3-4一端連接，懸臂梁梁身3-4另一端開設(shè)有夾頭切口3-5。

端頭臺(tái)階3-1為弧形，懸臂梁梁身3-4的高度小于端頭臺(tái)階3-1的高度，懸臂梁梁身3-4一端連接于端頭臺(tái)階3-1的中部。

圓形截面鉤具4包括豎向短桿4-2、上部橫向連接桿4-3、縱向連接桿4-4、下部橫向連接桿4-5和矩形底板4-6，豎向短桿4-2頂部的圓形截面鉤具頂端4-1與傳感器膜片1-2連接，豎向短桿4-2的底部與上部橫向連接桿4-3一端連接，上部橫向連接桿4-3另一端與縱向連接桿4-4的頂端連接，縱向連接桿4-4的底端與下部橫向連接桿4-5一端連接，下部橫向連接桿4-5另一端與矩形底板4-6連接，矩形底板4-6上開設(shè)有鉤具切口4-7，光纖布拉格光柵5頂端的連接光纖卡設(shè)在夾頭切口3-5內(nèi)，光纖布拉格光柵5底端的連接光纖卡設(shè)在鉤具切口4-7內(nèi)。

夾頭切口3-5與光纖布拉格光柵5頂端的連接光纖之間涂設(shè)有環(huán)氧樹脂膠；所述的鉤具切口4-7與光纖布拉格光柵5底端的連接光纖之間涂設(shè)有環(huán)氧樹脂膠。

筒狀的傳感器外殼與應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5同軸。

如圖1所示，傳感器膜片1-2上表面的中心點(diǎn)處設(shè)置有一圓柱形凸起，圓柱形凸起上表面中心點(diǎn)和傳感器承載板1-1下表面中心點(diǎn)對(duì)正后，采用點(diǎn)焊方式焊接牢固圓柱形凸起和傳感器承載板1-1。傳感器膜片1-2緊貼傳感器外殼的上筒口的傳感器外殼內(nèi)壁1-3，傳感器膜片1-2和傳感器外殼內(nèi)壁1-3之間采用過盈連接的方式，以達(dá)到緊密配合的效果。在傳感器外殼和應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5構(gòu)成的安置空腔內(nèi)安置應(yīng)力敏感元件。整體安置空腔可看作是兩個(gè)同軸的不同直徑的第一圓柱空腔(傳感器外殼構(gòu)成的空腔)和第二圓柱空腔(應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5構(gòu)成的空腔)，第一圓柱空腔的直徑大于第二圓柱空腔。以上所述結(jié)構(gòu)其作用在于提供足夠空間，以安置底座圓盤2、懸臂梁型夾具3和圓形截面鉤具4，并使得懸臂梁型夾具3和圓形截面鉤具4在受壓變形及位移后能夠在所處空間內(nèi)自由靈活發(fā)生形變及位移而不會(huì)被其它構(gòu)件干擾。在加工過程中，尤其需要注意精度問題，測(cè)量精度很大程度上取決于其內(nèi)部工作元件的加工工藝和安裝精度。此外，由于光纖柔軟，遇尖銳切角容易折斷的特性，在加工該安置空腔的過程中需要注意過渡區(qū)域圓滑處理，即加工好后在銳角轉(zhuǎn)折處稍加打磨，使銳角轉(zhuǎn)折平滑過渡。在安置空腔正下方，即傳感器底面1-4的上表面，安置底座圓盤2。底座圓盤2需要與傳感器外殼內(nèi)壁1-3以及傳感器底面1-4緊貼密實(shí)安裝，采用預(yù)壓點(diǎn)焊的方式固定牢固，構(gòu)筑成型后，在傳感器底面1-4上形成臺(tái)階。懸臂梁型夾具3的端頭臺(tái)階3-1一端的形狀與底座圓盤環(huán)內(nèi)壁2-2的形狀貼合。懸臂梁型夾具3是整體不銹鋼制加工構(gòu)件，如圖3所示，其左端的端頭臺(tái)階3-1近似于長(zhǎng)方體形狀而稍帶弧度，其高度略高于懸臂梁梁身3-4，端頭臺(tái)階3-1包括有位于懸臂梁梁身3-4兩側(cè)的第一臺(tái)階向外延伸部3-2和第二臺(tái)階向外延伸部3-3，第一臺(tái)階向外延伸部3-2和第二臺(tái)階向外延伸部3-3的弧度和底座圓盤環(huán)內(nèi)壁2-2的弧度保持一致。在具體安裝過程中，將端頭臺(tái)階3-1安放于傳感器底面1-4之上，端頭臺(tái)階3-1最左端與底座圓盤環(huán)內(nèi)壁2-2貼合對(duì)齊。采用預(yù)壓點(diǎn)焊的方式，在兩處接觸面，即懸臂梁型夾具3底部和傳感器底面1-4上表面的接觸面上，與圖3中端頭臺(tái)階3-1左側(cè)弧形外壁和底座圓盤環(huán)內(nèi)壁2-2的接觸面上分別焊接固定。

構(gòu)筑加工成型后，懸臂梁梁身3-4位于第一圓柱空腔的直徑上(即筒狀的傳感器外殼的直徑上)，且夾頭切口3-5正處于第二圓柱空腔的軸線(既應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5的軸線)之上，如此設(shè)計(jì)是為了保證光纖布拉格光柵5受拉后產(chǎn)生均勻應(yīng)變，且該變形理論上可看作為一維應(yīng)變，即僅在圓柱形應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5的軸線方向上才發(fā)生位移變化，通過該構(gòu)筑方式，光纖布拉格光柵的應(yīng)變與應(yīng)力敏感元件所測(cè)孔周巖體圍巖應(yīng)力將呈一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系。藉此可通過解調(diào)設(shè)備直接通過光纖布拉格光柵波長(zhǎng)改變量解算出三維地應(yīng)力值。安裝要求上還需注意懸臂梁型夾具3之中的端頭臺(tái)階3-1的底部和懸臂梁梁身3-4的底部務(wù)須水平焊接于傳感器底面1-4的上表面上，使懸臂梁梁身3-4與傳感器底面1-4在空間上處于相互平行位置，且固定牢固，相互間不會(huì)發(fā)生位移及錯(cuò)動(dòng)，以保證懸臂梁型夾具3的線性應(yīng)變的設(shè)計(jì)要求。待固定完成以后，于夾頭切口3-5處穿插事先準(zhǔn)備的光纖布拉格光柵5，穿插過程需要注意光纖布拉格光柵5的連接光纖需要緊貼嵌入夾頭切口3-5中，然后在該位置使用環(huán)氧樹脂膠均勻涂抹并填充縫隙，待膠體凝固后，光纖布拉格光柵5頂端的連接光纖在夾頭切口3-5處連接固定，不再發(fā)生相對(duì)位移變化，以防在正常使用過程中因夾具夾頭切口3-5所夾光纖布拉格光柵5頂端的連接光纖松動(dòng)而產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。圓形截面鉤具頂端4-1上表面采用點(diǎn)焊的焊接方式固定在傳感器膜片1-2下表面中心點(diǎn)位置處，第二圓柱空腔(應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5圍成的空腔)的軸線垂直于水平面，豎向短桿4-2、上部橫向連接桿4-3、縱向連接桿4-4、下部橫向連接桿4-5在水平面的投影位于同一投影直線上，投影直線位于第二圓柱空腔的直徑上，投影直線與懸臂梁梁身3-4沿長(zhǎng)度方向上的中軸線同一直線。圓形截面鉤具4下方的矩形底板4-6橫置于應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5中，且矩形底板4-6與四周保持一定空間距離，防止在工作位移過程中產(chǎn)生阻礙。最后將圖1中位于光纖布拉格光柵5底端的連接光纖通過鉤具切口4-7穿出。加工時(shí)先將位于圖1中光纖布拉格光柵5下方4mm點(diǎn)處的連接光纖卡入鉤具切口4-7中，再均勻涂覆光纖材料粘結(jié)膠體，使其緊密連接。因?yàn)橐欢伍L(zhǎng)度的光纖布拉格光柵5已經(jīng)提前預(yù)制在光纖之中，這樣便通過在光纖上選取適合位置加以固定的方式，將光纖布拉格光柵5固定在了懸臂梁型夾具3和圓形截面鉤具4之間。

底座圓盤2為中空設(shè)計(jì)，呈圓環(huán)形，緊貼于傳感器外殼內(nèi)壁1-3下方，形成傳感器內(nèi)殼臺(tái)階，便于下一步安裝及制作工藝?？紤]其一次加工成型，不需拆卸的特性，采用預(yù)壓點(diǎn)焊的方式將其焊接固定在傳感器底面1-4。底座圓盤2為滿足材料對(duì)剛度上的要求，選取和制作傳感器外殼相同的材料即馬氏體沉淀硬化型不銹鋼作為其加工原材料。后續(xù)部件大體安裝于底座圓盤2之上，因而底座圓盤2的剛度對(duì)應(yīng)力敏感元件的準(zhǔn)確性能會(huì)產(chǎn)生較大影響。

懸臂梁型夾具3，它是應(yīng)力敏感元件整體構(gòu)筑中的重要一環(huán)?？紤]到整體應(yīng)力傳遞過程和信號(hào)轉(zhuǎn)化機(jī)制，懸臂梁型夾具3的制作材料同樣選取線彈性、熱膨脹系數(shù)及抗銹蝕均較好的馬氏體沉淀硬化型不銹鋼材料。懸臂梁型夾具3本身整體剛度較大，當(dāng)其末端受到光纖產(chǎn)生的一定拉力作用時(shí)，其對(duì)應(yīng)撓度可以忽略不計(jì)，保證了應(yīng)力敏感元件測(cè)量的準(zhǔn)確性。端頭臺(tái)階3-1抬升，且第一臺(tái)階向外延伸部3-2，第二臺(tái)階向外延伸部3-2對(duì)稱延伸，端頭臺(tái)階3-1的外側(cè)進(jìn)行一定打磨使其形狀與底座圓盤2內(nèi)壁完全契合不留空隙。懸臂梁梁身3-4在端部打磨出一個(gè)切口，形成夾頭切口3-5，此種末端夾具式設(shè)計(jì)便于在后續(xù)制作過程中夾住光纖布拉格光柵5。懸臂梁型夾具3采用預(yù)壓點(diǎn)焊方式將其焊接固定在底座圓盤2內(nèi)側(cè)。焊接點(diǎn)分為兩處，一處為懸臂梁型夾具3與底座圓盤2接觸部位，另一處為懸臂梁型夾具3與傳感器底面1-4接觸部位。圓形截面鉤具4是應(yīng)力敏感元件另一構(gòu)筑組成部分。除矩形底板4-6部分，圓形截面鉤具4通體由四段呈90°角彎折拼接的短桿(4-2、4-3、4-4、4-5)連接而成。為保證傳感器在實(shí)際使用過程中的精確性，采用馬氏體沉淀硬化型不銹鋼材料作為圓形截面鉤具4的加工材料。起足夠大的剛度和良好的線彈性等性能使得光纖應(yīng)變完全由傳感面位移造成，以消除誤差。在應(yīng)力敏感元件構(gòu)筑組裝過程中，為簡(jiǎn)化操作，將圓形截面鉤具頂端4-1采用預(yù)壓點(diǎn)焊方式焊接固定在傳感器膜片1-2底面中心點(diǎn)處，圓形截面鉤具4和傳感器膜片1-2連接成為統(tǒng)一整體，可看做相互之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。安裝好后，夾頭切口3-5與鉤具切口4-7兩點(diǎn)連線與應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5的中心軸線重合。應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5隸屬于應(yīng)力敏感元件的一部分。它在三維光纖地應(yīng)力傳感器球體自身制作加工時(shí)期預(yù)先制作形成。應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5整體呈圓柱形，應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5內(nèi)構(gòu)成第二圓柱空腔，應(yīng)力敏感元件導(dǎo)線孔1-5材料為430型不銹鋼材料。

光纖布拉格光柵5是應(yīng)力敏感元件的核心構(gòu)筑組成部件。在光纖傳感器領(lǐng)域，基于光纖布拉格光柵5的光纖傳感器已經(jīng)經(jīng)歷了長(zhǎng)足的發(fā)展和應(yīng)用，并得到市場(chǎng)的認(rèn)可。故在此選用此種類型的光纖光柵實(shí)施應(yīng)力敏感元件的信號(hào)采集功能。光纖布拉格光柵采用石英光纖作為其制作材料，其主要成分是二氧化硅(SiO₂)，該材料具有有低耗、寬帶的特點(diǎn)，適用于作為應(yīng)力敏感元件的信號(hào)采集和信號(hào)傳遞部件。下面介紹具體加工工藝即光纖布拉格光柵粘貼制作過程。對(duì)懸臂梁型夾具3及圓形截面鉤具4進(jìn)行酒精清洗預(yù)處理，陰干后，將導(dǎo)熱形環(huán)氧樹脂膠提前加熱使其融化。將光纖布拉格光柵頂端的連接光纖固定于夾頭切口3-5處，均勻涂抹環(huán)氧樹脂膠，并等待其冷卻固化。再將光纖布拉格光柵底端的連接光纖經(jīng)由鉤具切口4-7、導(dǎo)線孔、傳感器接線口引出。在鉤具切口4-7處，采用上述同樣工藝用環(huán)氧樹脂膠將光纖布拉格光柵底端的連接光纖固定于鉤具切口4-7上。至此，光纖布拉格光柵5兩端的連接光纖分別被膠體固定于夾頭切口3-5和鉤具切口4-7之間，整套應(yīng)力敏感元件制作完成。

應(yīng)力敏感元件的工作原理：

當(dāng)三維光纖地應(yīng)力傳感器處于正常工作狀態(tài)下時(shí)，隨著時(shí)間推移，傳感器受到單調(diào)遞增的孔周圍巖擠壓應(yīng)力的作用。應(yīng)力通過傳感器表面覆蓋的承載板向下傳遞，使傳感器膜片1-2產(chǎn)生對(duì)稱變形。根據(jù)板殼力學(xué)理論，此時(shí)傳感器膜片1-2中心點(diǎn)產(chǎn)生向下的撓度變化。該位移帶動(dòng)圓形截面鉤具4同時(shí)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生相同大小的位移。而在此過程中懸臂梁型夾具3位置保持不變，因而光纖布拉格光柵5兩端受拉，隨著夾頭切口3-5和鉤具切口4-7之間相對(duì)位置的增大而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)拉應(yīng)變。通過該變化，將傳感器感知到的外部圍巖應(yīng)力變化內(nèi)化為自身光纖布拉格光柵5的應(yīng)變。隨著其應(yīng)變的不斷增長(zhǎng)，光柵間隔不斷增大。傳感器膜片1-2傳遞到光纖布拉格光柵5的單位應(yīng)變所引起的光纖布拉格光柵5中心波長(zhǎng)漂移量(pm/με)為定值，隨著該種波長(zhǎng)的改變，光纖布拉格光柵5輸出的光波頻率或波長(zhǎng)均會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。由此可以建立并得到外界圍巖應(yīng)力和自身光纖布拉格光柵5波長(zhǎng)改變之間一一對(duì)應(yīng)的輸入輸出關(guān)系。從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)力敏感元件的開發(fā)目的：將不可直接采集的應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)化為可以輸出、讀取和傳遞的光波頻率或波長(zhǎng)信號(hào)。由于圍巖應(yīng)力和光纖布拉格光柵輸出波長(zhǎng)一一對(duì)應(yīng)，能夠通過后期解調(diào)裝置讀取波長(zhǎng)值，反算求解出應(yīng)力敏感元件所測(cè)地應(yīng)力的大小。由于傳感器埋入深部巷道或深埋隧道中的原巖應(yīng)力區(qū)中，其溫度一年四季保持恒定。因而該設(shè)計(jì)可以不用考慮溫度變化對(duì)其產(chǎn)生的影響。根據(jù)上述原理和簡(jiǎn)化思想，應(yīng)力敏感元件的工作過程可以用下式加以說明：

Δλ_B＝α_εε (1)

式中Δλ_B表示對(duì)應(yīng)孔周圍巖應(yīng)力的光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)漂移量，α_ε表示為光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感的靈敏度系數(shù)，即單位應(yīng)變所引起的光纖布拉格光柵中心波長(zhǎng)漂移量(pm/με)。ε表示光纖布拉格光柵應(yīng)變。

ε＝ΔL/L (2)

式中ΔL表示光纖布拉格光柵伸長(zhǎng)量，其值與傳感膜片中心點(diǎn)向下位移量保持一致，L表示懸臂梁型夾具3的夾頭切口3-5和圓形截面鉤具4的鉤具切口4-7之間的長(zhǎng)度。

以上實(shí)例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者同等替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍中。