大量程光纤光栅传感器的基体应变修正方法技术

本发明专利技术公开一种大量程光纤光栅传感器的基体应变修正方法，其特征在于：通过大量程光纤光栅传感器监测基体应变；结构是：将裸光纤光栅传感器置于内层钢管内部，把内层钢管置于两段外层细钢管内部，保证内外两层钢管能够相对滑动；外层钢管中间接头处预留缝隙；选取内层钢管半径为r

Matrix strain correction method for a large range fiber grating sensor

Matrix strain correction method of the invention discloses a large range of fiber grating sensor, which is characterized by a large number of process monitoring matrix fiber Bragg grating strain sensor; structure is: internal bare fiber grating sensor in the inner tube, the inner tube is placed on the two section of the outer thin steel tube inside, two layers of inner and outer pipe can ensure the relative sliding layer; the middle pipe joint gap; select the inner steel tube radius is R

【技术实现步骤摘要】
大量程光纤光栅传感器的基体应变修正方法
本专利技术涉及大量程光纤光栅传感器的基体应变修正方法，属于大量程光纤光栅应变传递理论领域。
技术介绍
大跨预应力结构、超高层建筑和海洋平台等特种工程结构在环境侵蚀和荷载效应的长期作用下，产生大应变变化，一旦超过结构允许应变值，容易发生脆性破坏，产生巨大损失。对特种工程开展大应变监测，及时识别结构损伤，对于降低特种工程结构灾害有重要意义。光纤光栅传感器以其灵敏度高、抗电磁干扰等优良特性广泛应用于结构健康监测领域，传统光纤光栅传感器监测量程仅为3000με，无法满足特种结构大应变监测的要求，基于光纤光栅的大应变监测方法是值得探索的方向。学者进行了诸多大应变监测新方法方面的尝试，包括：对预应力钢绞线张拉至5000με后再粘贴光纤光栅的预应力测量方法、复合结构和变梯形结构等的光纤光栅减敏封装方法，但是这些方法在应变全程监测和应变监测精确度等方面具有明显的缺陷。本专利属于大量程光纤光栅应变传递理论领域，涉及大量程光纤光栅-基体应变误差修正方法，既实现了特种结构的大应变测量，又解决了大应变测量的精确度问题。
技术实现思路
本专利技术涉及大量程光纤光栅传感器的基体应变修正方法，首先，采用双层钢管封装制备工艺，设计了大量程光纤光栅传感器，建立了基体大应变—光纤光栅小应变的应变传递机制。其次，给出了大量程光纤光栅应变修正方程，实现了特种结构的大应变监测与修正。本专利技术采用的技术方案是：一种大量程光纤光栅传感器的基体应变修正方法，其特征在于：通过大量程光纤光栅传感器监测基体应变；结构是：将裸光纤光栅传感器置于内层钢管内部，把内层钢管置于两段外层细钢管内部，保证内外两层钢管能够相对滑动；外层钢管中间接头处预留缝隙；选取内层钢管半径为rm，外层钢管半径为ri，把裸光纤光栅传感器置于内层钢管内部；外层钢管两端超过内层钢管长度为L1，即光纤光栅粘贴长度为L1，胶层之间的距离为L2，即光纤光栅标距长度为L2。大量程光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪组成应变感知采集系统，解调仪解调反射波长，通过波长变化情况感知裸光纤光栅应变。考虑支座夹持长度、光纤光栅标距长度和中间胶层的影响，得到光纤光栅波长的基体应变方程：(1)裸光纤光栅应变为：式中，ε裸为裸光纤光栅应变，Kε为裸光纤光栅应变灵敏度系数，ΔλB波长变化；(2)对胶结段光纤微元体模型受力分析，建立力学平衡方程：式中，rf为光纤光栅半径，τf(x,rf)为光纤外表面、胶层内表面切应力，σf为光纤截面正应力；(3)对胶层微元体模型受力分析，建立力学平衡方程：2πrj·τj(x,rj)·dx-2πrf·τf(x,rf)·dx+π(rj2-rf2)·dσj＝0式中，rj为胶层微元体半径，τj(x,rj)为胶层外表面切应力，σj为胶层截面正应力；(4)由于光纤应变的变化率与胶层应变变化率一致、光纤光栅与胶结层的弹性模量相差较大，得到简化胶层切应变变化关系式：式中，Ef为光纤弹性模量，εf为光纤应变；(5)A和B点为胶层边界点，M和N点为胶结段光纤边界点，位移协调方程如下：其中，式中，uA为胶层A点位移，uM为胶结段光纤M点位移，Gj为胶层剪切模量，ri为外层钢管内径，ui为A点处对应基体位移，uf为光纤胶结段变形，L1为光纤粘贴长度，L2为光纤标距长度，La为支座夹持长度；(6)求导建立胶结段光纤应变和基体应变的二阶非齐次线性微分方程：式中，εi为基体应变；(7)根据等效截面法，自由段光纤的应变等于胶结段光纤的平均应变，因此，裸光纤光栅应变等于胶结段光纤的平均应变：式中，εf2(x)为裸光纤光栅应变，为胶结段光纤的平均应变；(8)大量程光纤光栅传感器的基体应变修正方程式：解调仪解调大量程光纤光栅传感器波长数据ΔλB，通过大量程光纤光栅传感器的基体应变修正方程式，修正基体大应变，解决了大量程光纤光栅传感器的精确测量问题。本专利技术的优点是：基于大量程光纤光栅传感器监测并修正基体应变。大量程光纤光栅传感器实时感知结构大应变变化，解调仪解调反射波长数据，根据基体应变修正方程得到结构应变，获得结构构件的受力性能参数。附图说明图1是光纤光栅传感器原理图。图2是图1的局部放大图。图3是胶结段光纤微元体受力图。图4是胶层微元体受力图。具体实施方式结合附图对本装置的实例进行详细说明如下：如图1所示，把裸光纤光栅传感器3置于内层钢管内部，把内层钢管置于两段外层钢管1内部，外层钢管中间接头处预留1mm的缝隙，保证内外两层钢管能够相对滑动。外层钢管两端超过内层钢管长度为L1，即光纤光栅粘贴长度为L1，胶层2之间的距离L2，即光纤光栅标距范围为L2，支座4通过环氧胶粘接两段外层钢管，支座间的夹持距离为La。在图2、图3、图4中，进行如图所示模型假设，考虑支座夹持长度、光纤光栅粘贴长度和标距长度等参量对光纤光栅应变传递率的影响，建立基体大应变-光纤光栅小应变的传力机理。解调仪解调反射波长数据，根据基体应变修正方程(29)得到结构应变，获得结构构件应变参数。图1为大量程光纤光栅传感器实物图，大量程光纤光栅传感器的封装方案如下：采用双层钢管封装技术，选取内层钢管半径为rm(略大于裸光纤光栅半径)，将裸光纤光栅传感器置于内层钢管内部。选取外层钢管半径为ri，把内层钢管置于两段外层钢管内部，保证内外两层钢管能够相对滑动。外层钢管中间接头处预留1mm的缝隙，外层钢管两端超过内层钢管长度为L1，即光纤光栅粘贴长度为L1，胶层之间的距离为L2，即光纤光栅标距长度为L2。内层钢管起固定光纤光栅、连接和支撑两段外层钢管的作用。外层钢管产生相对位移通过端部胶层传递给光纤光栅，起基体-光纤光栅应变传递作用。支座分别夹持两段外层钢管，支座间的夹持距离为La。裸光纤光栅传感器、双层钢管和两个夹持支座共同组成了大量程光纤光栅应变传感器，通过调节支座夹持距离和光纤光栅标距长度，提高了大量程光纤光栅传感器的应变可测范围。大量程光纤光栅传感器通过对裸光纤光栅传感器进行减敏处理，建立了基体大应变-光纤光栅小应变的传力机理，由于基体应变和光纤光栅应变不一致，需要进行大量程光纤光栅应变传递分析，继续修正大量程光纤光栅传感器所测应变，该分析采用如下假设：(1)光纤光栅为线弹性材料。(2)光纤光栅轴向应力是由接触面上的剪应力传递，胶层发生剪切变形。(3)支座分别与传感器、基体夹持牢固，光纤与胶层粘结紧密，没有相对滑移。光纤光栅解调仪解调波长变化，裸光纤光栅应变为：式中，ε裸为裸光纤光栅应变，Kε为裸光纤光栅应变灵敏度系数，ΔλB为波长变化。图1为大量程光纤光栅传感器原理图，A和B点为胶层边界点，M和N点为胶结段光纤边界点，以N点为坐标原点。图3为胶结段光纤微元体受力图，取胶结段光纤为研究对象，对其受力分析：式中，σf为光纤截面正应力，τf(x,rf)为光纤外表面(胶层内表面)切应力，rf为光纤光栅半径。图4为胶层微元体受力图，对其受力分析：2πrj·τj(x,rj)·dx-2πrf·τf(x,rf)·dx+π(rj2-rf2)·dσj＝0(4)式中，τj(x,rj)为胶层外表面切应力，rj为胶层微元体半径，σj为胶层截面正应力。把式(3)代入(5)中：式中，Ef为光纤弹性模量，Ej为胶层弹性模量。光纤与胶层具有相同的应变变化率：本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大量程光纤光栅传感器的基体应变修正方法，其特征在于：通过大量程光纤光栅传感器监测基体应变；结构是：将裸光纤光栅传感器置于内层钢管内部，把内层钢管置于两段外层细钢管内部，保证内外两层钢管能够相对滑动；外层钢管中间接头处预留缝隙；选取内层钢管半径为r

【技术特征摘要】
1.一种大量程光纤光栅传感器的基体应变修正方法，其特征在于：通过大量程光纤光栅传感器监测基体应变；结构是：将裸光纤光栅传感器置于内层钢管内部，把内层钢管置于两段外层细钢管内部，保证内外两层钢管能够相对滑动；外层钢管中间接头处预留缝隙；选取内层钢管半径为rm，外层钢管半径为ri，把裸光纤光栅传感器置于内层钢管内部；外层钢管两端超过内层钢管长度为L1，即光纤光栅粘贴长度为L1，胶层之间的距离为L2，即光纤光栅标距长度为L2。2.根据权利要求1所述的大量程光纤光栅的基体应变修正方法，其特征在于：大量程光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪组成应变感知采集系统，解调仪解调反射波长，通过波长变化情况感知裸光纤光栅应变。3.根据权利要求1所述的大量程光纤光栅的基体应变修正方法，其特征在于：考虑支座夹持长度、光纤光栅标距长度和中间胶层的影响，得到光纤光栅波长的基体应变方程：(1)裸光纤光栅应变为：式中，ε裸为裸光纤光栅应变，Kε为裸光纤光栅应变灵敏度系数，ΔλB波长变化；(2)对胶结段光纤微元体模型受力分析，建立力学平衡方程：式中，rf为光纤光栅半径，τf(x,rf)为光纤外表面切应力，σf为光纤截面正应力；(3)对胶层微元体模型受力分析，建立力学平衡方程：2πrj·τj(x,rj)·dx-2πrf·τf(x,rf)·dx+π(rj2-rf2)·dσj＝0式中，rj为胶层微元体半径，τj(x,rj)为胶层外表面切应力，σj为胶层截面正应力；(4)由于光纤应变的变化率与胶层应变变化率一致、光纤光栅与胶结层的弹性模量相差较大，得到简化胶层切应变变化关系式：式中，Ef为光纤弹性模量，εf为光纤应变；(5)A和B点为胶层边界点，M和N点为胶结段光纤边界点，位移协调方程如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丽，李闯，张春巍，苏中新，徐自强，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21