1.本发明涉及岩石力学试验技术领域，尤其是一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统及方法。
背景技术：2.应变(位移)测量是一种采矿工程中常用于煤岩或类煤岩试样变形的测量手段。现有技术中，室内岩石力学试验中所采用的应变(位移)测量方式主要有两种，分为接触式测量和非接触式测量方式。其中，接触式测量方式包括应变片、接触式引伸计和光纤光栅传感技术；非接触式测量方式包括数字图像法、非接触式引伸计等。以上测量方式在室内中小尺度煤岩及相似材料试验中得到了较为广泛的应用，但仍然存在一些不足，例如，应变片、引伸计和等应变传感器的失效应变较低，量程较小；数字图像法、非接触式引伸计等测量方法均是基于光学原理，受环境光学强度变化影响较大。在尺度相对较大、试验耗时长，环境复杂的物理模型模拟试验中，应变片易损坏、时漂大，以及散斑场制作复杂及光纤光栅传感技术量程小等不足更加明显。
技术实现要素：3.为提高室内岩石力学试验变形测量系统的量程以及抗干扰能力，实现试验耗时长或复杂环境下，煤岩试样变形破坏过程中试样表面、内部及裂隙附近的应变和变形监测，本发明提供了一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统及方法，该方法具体技术方案如下。
4.一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，包括应变传感器、煤岩试样、监测装置和计算机，所述应变传感器包括同轴电缆、接头压合器和公头连接器，同轴电缆上布置有多个接头压合器，同轴电缆两端设置公头连接器；所述应变传感器根据煤岩试样和待测参数装配组合方式；所述监测装置包括矢量网络分析仪和终端负载，终端负载接入应变传感器的一端，矢量网络分析仪接入应变传感器的另一端；计算机对采集数据进行处理和记录，记录反射点对应的特征波谷的频率值，通过数据转换计算反射点之间的应变值。
5.优选的是，所述煤岩试样包括单轴压缩煤岩试样、三点弯曲试验煤岩试样和相似材料模型试样。
6.还优选的是，单轴压缩煤岩试样呈圆柱形，应变传感器黏贴在煤岩试样上并按照设置的包角螺旋缠绕。
7.还优选的是，三点弯曲试验煤岩试样呈长方体，应变传感器黏贴在煤岩试样中部，所述应变传感器施加预紧力。
8.还优选的是，应变传感器埋设在相似材料模型试样中，应变传感器与相似材料模型试样变形相耦合。
9.一种基于电缆传感技术的单轴压缩试验方法，利用上述的一种基于电缆传感技术
的室内岩石力学试验变形测量系统，步骤包括：
10.s1.加工煤岩试样，制作应变传感器；
11.s2.通过应变传感器的公头连接器与矢量网络分析仪、终端负载相连；
12.s3.应变传感器螺旋缠绕布置在煤岩试样上，通过环氧树脂黏贴并施加预紧力，应变传感器初始状态保持0.05％-0.1％的正应变；
13.s4.通过试验机施加轴向载荷，同时利用矢量网络分析仪和计算机分析监测数据并确定同轴电缆的应变值；
14.s5.计算煤岩试样发生轴向变形，包角为θ时，存在关系式：
[0015][0016]
其中，εf是电缆上的应变，εa是煤岩试样的轴向应变，v是煤岩试样的泊松比。
[0017]
一种基于电缆传感技术的三点弯曲试验方法，利用上述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，步骤包括：
[0018]
s1.加工煤岩试样，制作应变传感器；
[0019]
s2.通过应变传感器的公头连接器与矢量网络分析仪、终端负载相连；
[0020]
s3.将应变传感器固定煤岩试样上，并施加预紧力，应变传感器初始状态保持0.05％-0.1％的正应变，调整加载装置跨距，调整岩石试件位于加载装置的中心位置；
[0021]
s4.通过试验机施加线性载荷，直至试件完全断裂停止加载，同时利用矢量网络分析仪和计算机分析监测数据并确定同轴电缆的应变值；
[0022]
s5.通过频移以及反射点初始间距，计算确定应变值及位移值，推算预制裂隙的岩石试件裂隙宽度扩展值。
[0023]
进一步优选的是，线性载荷的加载速率小于等于0.03mm/min，所述频移与应变呈正比。
[0024]
一种基于电缆传感技术的相似材料模拟试验方法，利用上述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，步骤包括：
[0025]
s1.制作应变传感器；
[0026]
s2.通过应变传感器的公头连接器与矢量网络分析仪、终端负载相连；
[0027]
s3.将应变传感器以相似材料的骨料包裹，并施加预紧力，应变传感器初始状态保持0.05％-0.1％的正应变，相似材料模型试样与应变传感器耦合，静置试验模型至稳定状态；
[0028]
s4.对相似材料模型试样进行模拟加载，同时利用矢量网络分析仪和计算机分析监测数据并确定同轴电缆的应变值；
[0029]
s5.通过频移及反射点初始间距，计算确定应变值及位移值，推算相似材料物理模型的应变及位移场分布。
[0030]
本发明提供的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统及方法有益效果是：
[0031]
(1)电缆应变传感器可以对岩石或类煤岩试样变形破坏全过程的数据记录，能够有效地监测岩石自身应变及损伤；并且针对预制裂隙试样的裂隙扩展测量等问题，电缆传感器可以跨裂隙粘贴，从而测量裂隙扩展值等相关数据。
[0032]
(2)电缆应变传感器可以在类岩石相似材料及煤岩内部进行监测，具有很好的延展性，传感器不会发生断裂；并且同轴电缆能够承受较大的应变，不会因为煤岩体产生较大变形而发生失效。
[0033]
(3)应变传感器通过矢量网络分析仪(vna)与计算机互联，可以实现应变的实时监测，测量的空间分辨率高；传输损耗小，可以实现远距离传输；可以消除温度对应变测量带来的误差，提高测量的精度。
[0034]
该系统进行试验测量的方法还具有可弯曲、抗干扰、灵敏度高等优点，同时其可连续、实时地监测被测试样或物理模型的应变及变形。
附图说明
[0035]
图1是应变传感器的结构示意图；
[0036]
图2是单轴压缩试验轴向应变测量示意图；
[0037]
图3是轴向应变原理曲线图；
[0038]
图4是三点弯曲试验应变测量示意图；
[0039]
图5是相似材料与应变传感器的耦合方式示意图；
[0040]
图6是图5的a-a截面示意图；
[0041]
图7是图5的b-b截面示意图；
[0042]
图8是相似模型材料的试验变形测量示意图；
[0043]
图9是图8的截面示意图；
[0044]
图中：1-煤岩试样，2-同轴电缆，3-终端负载，4-连接电缆，5-公头连接器，6-接头压合器，7-矢量网络分析仪，8-三点弯曲试验机，9-压头，10-金属环套。
具体实施方式
[0045]
结合图1至图9所示，对本发明提供的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统及方法的具体实施方式进行说明。
[0046]
一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，包括应变传感器、煤岩试样、监测装置和计算机，应变传感器可以对岩石或类煤岩试样变形及破坏全过程的数据记录，煤岩试样为不同室内岩石力学试验而制作的煤岩试样，监测装置对应变传感器的数据进行，计算机对测量结果进行计算和存储。
[0047]
其中，应变传感器包括同轴电缆、接头压合器和公头连接器，同轴电缆上布置有多个接头压合器，同轴电缆两端设置公头连接器。应变传感器具体为同轴电缆法布里-珀罗干涉仪(coaxial cable fabry－perot interferometer，ccfpi)的分布式应变测量传感器能够实现对位移、应变、压力及扭矩等力学相关物理量的监测，其测量原理是以同轴电缆作为感应和传输介质，具有结实耐用、可实现分布式和大变形测量的显优点。
[0048]
应变传感器根据煤岩试样和待测参数装配组合方式，具体可以是黏贴或嵌入式的组合。监测装置包括矢量网络分析仪和终端负载，终端负载接入应变传感器的一端，矢量网络分析仪接入应变传感器的另一端，当射频波形传输到同轴电缆时，电磁波在四个阻抗不连续点处会产生反射电磁波，四个反射电磁波产生共振，在频域内形成干扰图谱。计算机对采集数据进行处理和记录，记录反射点对应的特征波谷的频率值，通过数据转换计算反射
点之间的应变值。
[0049]
煤岩试样包括单轴压缩煤岩试样、三点弯曲试验煤岩试样和相似材料模型试样。单轴压缩煤岩试样呈圆柱形，应变传感器黏贴在煤岩试样上并按照设置的包角螺旋缠绕。三点弯曲试验煤岩试样呈长方体，应变传感器黏贴在煤岩试样中部，所述应变传感器施加预紧力。应变传感器埋设在相似材料模型试样中，应变传感器与相似材料模型试样变形相耦合。并且各类煤岩试样的尺寸与应变传感器的尺寸相互适应，确定煤岩试样的尺寸和配合方式后，根据需要设置应变传感器同轴电缆的长度以及接头压合器的布置数量。
[0050]
一种基于电缆传感技术的单轴压缩试验方法，利用上述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，步骤包括：
[0051]
s1.加工煤岩试样，制作应变传感器。
[0052]
其中，根据煤岩试样1的轴长100mm和直径50mm，设计计算同轴电缆21长度为230mm。通过压线钳挤压接头压合器6使同轴电缆21在这四处形成阻抗不连续点，接头压合器间距22mm，从而引起电磁波的反射构成法布里-珀罗干涉腔，制成带有ccfpi电缆应变传感器的同轴电缆2，参考附图2。如何评价法布里-珀罗干涉腔的制作质量。其中，压线钳开口孔径在2.7-3.0mm，接头压合器长度为24mm，宽度为7.9mm。
[0053]
s2.通过应变传感器的公头连接器与矢量网络分析仪、终端负载相连。
[0054]
具体的是，将sma直型公头连接器5连接在电缆两端，然后再在两端分别接入矢量网络分析仪7(vector network analyzer，vna)和阻抗为50ω终端负载3。当射频波形传输到电缆2时，电磁波在四个阻抗不连续点处会产生反射电磁波，四个反射电磁波产生共振，在频域内形成干扰图谱。
[0055]
s3.应变传感器螺旋缠绕布置在煤岩试样上，通过环氧树脂黏贴并施加预紧力，应变传感器初始状态保持0.05％-0.1％的正应变。
[0056]
具体的是，带有ccfpi电缆应变传感器的同轴电缆2按照43
°
包角螺旋缠绕于煤岩试样1上，并通过环氧树脂胶粘结在经过加工的煤岩试样1上，同轴电缆2在粘贴在圆柱形试样上时，要施加0.1kn左右的预紧力，使带有ccfpi电缆应变传感器同轴电缆2的初始状态保持在大约0.05％-0.1％的正应变。
[0057]
s4.通过试验机施加轴向载荷，同时利用矢量网络分析仪和计算机分析监测数据并确定同轴电缆的应变值。
[0058]
具体可以按加载速率0.03mm/min施加轴向荷载，加载同时启动矢量网络分析仪7监测，并进行vna频域模式下进行波形保存，保存时间间隔20s。加载至试件完全破坏，停止加载，停止数据保存，导出试验数据。后处理数据得到电缆本身的应变值。
[0059]
s5.计算煤岩试样发生轴向变形，包角为θ时，存在关系式：
[0060][0061]
其中，εf是电缆上的应变，εa是煤岩试样的轴向应变，v是煤岩试样的泊松比。
[0062]
一种基于电缆传感技术的三点弯曲试验方法，利用上述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，步骤包括：
[0063]
s1.加工煤岩试样，制作应变传感器。
[0064]
根据煤岩试样1的长130mm、宽20mm、厚50mm，设计计算带有ccfpi电缆应变传感器
有同轴电缆2长度为120m。通过压线钳挤压接头压合器6使同轴电缆2在约中心位置处形成阻抗不连续点，构成法布里-珀罗干涉腔，制成带有ccfpi电缆应变传感器的同轴电缆2。其中接头压合器间距20mm。
[0065]
s2.通过应变传感器的公头连接器与矢量网络分析仪、终端负载相连。
[0066]
将sma直型公头连接器5连接在电缆两端，然后再在两端分别接入矢量网络分析仪7(vector network analyzer，vna)和阻抗为50ω终端负载3。当射频波形传输到电缆2时，电磁波在两个阻抗不连续点处会产生反射电磁波，两个反射电磁波产生共振，在频域内形成干扰图谱。
[0067]
s3.将应变传感器固定煤岩试样上，并施加预紧力，应变传感器初始状态保持0.05％-0.1％的正应变，调整加载装置跨距，调整岩石试件位于加载装置的中心位置。
[0068]
带有ccfpi电缆应变传感器的同轴电缆2通过环氧树脂胶粘结在经过加工的煤岩试样1上，其中电缆传感器测点布置位于试样中心位置。并且同轴电缆2要施加0.1kn左右的预紧力，使同轴电缆2的初始状态保持在大约0.05％-0.1％的正应变。调整三点弯曲加载装置8跨距为设计值100mm，将试件置于试验装置8上，调整位置使试件位于装置8正中心，通过游标卡尺调整校核。
[0069]
s4.通过试验机施加线性载荷，直至试件完全断裂停止加载，同时利用矢量网络分析仪和计算机分析监测数据并确定同轴电缆的应变值。
[0070]
开始试验，压头9施加线荷载。按加载速率0.03mm/min施加轴向荷载，加载同时启动矢量网络分析仪监测，并进行vna频域模式下进行波形保存，保存时间间隔20s；加载至试件完全断裂，停止加载，停止数据保存，导出试验数据。
[0071]
s5.通过频移以及反射点初始间距，计算确定应变值及位移值，推算预制裂隙的岩石试件裂隙宽度扩展值。其中频移与应变呈正比，如图3所示。
[0072]
一种基于电缆传感技术的相似材料模拟试验方法，利用上述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，步骤包括：
[0073]
s1.制作应变传感器。
[0074]
根据相似材料模拟试验的尺寸设计带有ccfpi电缆应变传感器的同轴电缆2长度。通过压线钳挤压接头压合器6，使同轴电缆2在测点处形成阻抗不连续点，构成法布里-珀罗干涉腔，制成带有ccfpi电缆应变传感器的同轴电缆2。其中接头压合器间距20mm。
[0075]
s2.通过应变传感器的公头连接器与矢量网络分析仪、终端负载相连。
[0076]
传感器制作耦合处理。采用金属套环10包裹接头压合器6、sma直型公头连接器5及终端负载3，起到保护作用。在同轴电缆2上涂抹环氧树脂胶，带有ccfpi电缆应变传感器要施加0.1kn左右的预紧力，使电缆的初始状态保持在大约0.05％-0.1％的正应变；然后用与相似材料所用的骨料包裹，保证模型的变形耦合性。
[0077]
s3.将应变传感器以相似材料的骨料包裹，并施加预紧力，应变传感器初始状态保持0.05％-0.1％的正应变，相似材料模型试样与应变传感器耦合，静置试验模型至稳定状态。
[0078]
根据试验内容及测点位置，将耦合处理后的同轴电缆与相似材料一同布设。相似材料及电缆布设完毕后，将模型静置一周后，开始试验。
[0079]
s4.对相似材料模型试样进行模拟加载，同时利用矢量网络分析仪和计算机分析
监测数据并确定同轴电缆的应变值。
[0080]
试验正式开始后，加载同时启动矢量网络分析仪监测，并进行vna频域模式下进行波形保存，保存时间间隔20s；实验结束后，停止加载，停止数据保存，导出试验数据。
[0081]
s5.通过频移及反射点初始间距，计算确定应变值及位移值，推算相似材料物理模型的应变及位移场分布。
[0082]
上述试验方法中，电缆应变传感器可以对岩石或类煤岩试样变形及破坏全过程的数据记录，能够有效地监测岩石自身应变及损伤；并且针对预制裂隙的试样的裂隙扩展测量等问题，电缆传感器可以跨裂隙粘贴，从而测量裂隙扩展值等相关数据；此外，电缆应变传感器可以在类岩石相似材料及煤岩体内部进行监测，具有很好的延展性，传感器不会发生断裂，同轴电缆还能够承受较大的应变，不会因为煤岩体较大位移而发生失效。该系统进行试验测量的方法还具有可弯曲、抗干扰、灵敏度高等优点，同时其可连续、实时地监测被测试样或物理模型的应变及位移。
[0083]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，其特征在于，包括应变传感器、煤岩试样、监测装置和计算机，所述应变传感器包括同轴电缆、接头压合器和公头连接器，同轴电缆上布置有多个接头压合器，同轴电缆两端设置公头连接器；所述应变传感器根据煤岩试样和待测参数装配组合方式；所述监测装置包括矢量网络分析仪和终端负载，终端负载接入应变传感器的一端，矢量网络分析仪接入应变传感器的另一端；计算机对采集数据进行处理和记录，记录反射点对应的特征波谷的频率值，通过数据转换计算反射点之间的应变值。2.根据权利要求1所述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，其特征在于，煤岩试样包括单轴压缩煤岩试样、三点弯曲试验煤岩试样和相似材料模型试样。3.根据权利要求2所述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，其特征在于，所述单轴压缩煤岩试样呈圆柱形，应变传感器黏贴在煤岩试样上并按照设置的包角螺旋缠绕。4.根据权利要求2所述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，其特征在于，所述三点弯曲试验煤岩试样呈长方体，应变传感器黏贴在煤岩试样中部，所述应变传感器施加预紧力。5.根据权利要求2所述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，其特征在于，所述应变传感器埋设在相似材料模型试样中，应变传感器与相似材料模型试样变形相耦合。6.一种基于电缆传感技术的单轴压缩试验方法，利用权利要求1至3任一项所述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，其特征在于，步骤包括：s1.加工煤岩试样，制作应变传感器；s2.通过应变传感器的公头连接器与矢量网络分析仪、终端负载相连；s3.应变传感器螺旋缠绕布置在煤岩试样上，通过环氧树脂黏贴并施加预紧力，应变传感器初始状态保持0.05％-0.1％的正应变；s4.通过试验机施加轴向载荷，同时利用矢量网络分析仪和计算机分析监测数据并确定同轴电缆的应变值；s5.计算煤岩试样发生轴向变形，包角为θ时，存在关系式：其中，ε
f
是电缆上的应变，ε
a
是煤岩试样的轴向应变，v是煤岩试样的泊松比。7.一种基于电缆传感技术的三点弯曲试验方法，利用权利要求1、2、4任一项所述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，其特征在于，步骤包括：s1.加工煤岩试样，制作应变传感器；s2.通过应变传感器的公头连接器与矢量网络分析仪、终端负载相连；s3.将应变传感器固定煤岩试样上，并施加预紧力，应变传感器初始状态保持0.05％-0.1％的正应变，调整加载装置跨距，调整岩石试件位于加载装置的中心位置；s4.通过试验机施加线性载荷，直至试件完全断裂停止加载，同时利用矢量网络分析仪和计算机分析监测数据并确定同轴电缆的应变值；
s5.通过频移以及反射点初始间距，计算确定应变值及位移值，推算预制裂隙的岩石试件裂隙宽度扩展值。8.根据权利要求7所述的一种基于电缆传感技术的三点弯曲试验方法，其特征在于，所述线性载荷的加载速率小于等于0.03mm/min，所述频移与应变呈正比。9.一种基于电缆传感技术的相似材料模拟试验方法，利用权利要求1、2、5任一项所述的一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统，其特征在于，步骤包括：s1.制作应变传感器；s2.通过应变传感器的公头连接器与矢量网络分析仪、终端负载相连；s3.将应变传感器以相似材料的骨料包裹，并施加预紧力，应变传感器初始状态保持0.05％-0.1％的正应变，相似材料模型试样与应变传感器耦合，静置试验模型至稳定状态；s4.对相似材料模型试样进行模拟加载，同时利用矢量网络分析仪和计算机分析监测数据并确定同轴电缆的应变值；s5.过频移及反射点初始间距，计算确定应变值及位移值，推算相似材料物理模型的应变及位移场分布。
技术总结本发明提供了一种基于电缆传感技术的室内岩石力学试验变形测量系统及方法，涉及岩石力学试验技术领域。该系统包括应变传感器、煤岩试样、监测装置和计算机，应变传感器包括同轴电缆、接头压合器和公头连接器，同轴电缆上布置接头压合器；应变传感器根据煤岩试样和待测参数确定装配组合方式，监测装置包括矢量网络分析仪和终端负载，计算机对采集数据进行处理和记录，记录反射点对应的特征波谷的频率值，通过数据转换计算反射点之间的应变值，进而确定位移参数。该方法可以监测煤岩试样变形破坏过程中试样表面、内部及裂隙附近的应变及变形，具有可弯曲、抗干扰、量程大等优点。量程大等优点。量程大等优点。
技术研发人员：赵同彬 王志奇 谭彦 陈玏昕 郭伟耀
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2022.07.22
技术公布日：2022/11/1
