光纤光栅传感装置及使用其的压力环的制备和使用方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种采用光纤光栅应变传感器监测结构构件受力的装置，具体涉及光纤光栅传感装置及使用其的压力环的制备和使用方法。光纤光栅传感装置包括光纤光栅传感器、封装杆件及连接螺帽，所述封装杆件中间段设有纵向凹槽，光纤光栅传感器置于纵向凹槽内，所述封装杆件两端设有螺纹，封装杆件通过两端的螺纹与连接螺帽连接，封装杆件两端通过连接螺帽以压力环为受力支撑对裸光栅实施预拉力，使封装杆件连同裸光栅在整个服役期处于受拉状态。本申请还公开了包含光纤光栅传感装置的压力环，本申请减少偏载情况下弯曲应力的影响，减少测量误差，提高测量精度，消除光纤光栅受压监测会因弯曲而产生的测量误差，同时减少生产成本，加工时省时省造价。

Fiber Bragg Grating Sensing Device and the Method of Preparing and Using Pressure Ring

【技术实现步骤摘要】
光纤光栅传感装置及使用其的压力环的制备和使用方法
本专利技术涉及一种采用应变传感器监测结构构件受力的装置，具体涉及光纤光栅传感装置及使用其的压力环的制备和使用方法。
技术介绍
斜拉桥的拉索、系杆拱桥的吊杆、悬索桥和索道的缆索、岩土和边坡护坡的锚杆、大跨度构件的体内外预应力筋以及体育场馆、网支撑体系中的索网均是这些结构的核心受力构件，其受力状态的监测是保证其安全施工和运营的必要手段，对其安全评估、运营管养、加固决策及防灾减灾具有重要意义。目前，此类构件的受力测量装置有磁通量传感器、频率计以及电阻式应变压力环等。磁通量传感器是通过测试磁性材料的磁导率变化来测定构件的应力，是一个静态绝对电压值，存在以下局限性：1、因其内部线圈相互干扰，测量精度不高；2、磁化拉索时需要一定的响应时间，响应速度比较慢导致测量数据滞后；3、其内部线圈及其它电子元器件的容易老化从而引起数据随时间漂移。频率计要求被测对象仅做微幅振动且无横向外推力，容易受阻尼器等端部约束条件影响，因此应用也受到限制；电阻式应变压力环，发展技术时间长，制作技术成熟，但应用存在以下问题：1、电阻式应变压力环耐久性差，使用寿命短，难以实现结构运营阶段的受力监测；2、因其受温度影响较大，导致其温漂较大；3、电阻式应变压力环对偏载的情况下采用多个应变片取平均的方法，此方法误差大，测量精度较低，对应变的精确测量存在较大的障碍。光纤光栅技术通过栅格反射波长和移动来感知外界物理量的微小变化，测量线性拟合度高，稳定性好。光纤光栅可对结构的应力应变进行高精度的、绝对的、准分布式数字测量，同时还具有抗电磁干扰能力强、耐高温、传感器体积小、接线简单、可实现数据远距离传输的特点，特别适合用于拉索类构件的受力状态的监测。
技术实现思路
为了达到上述目的，本专利技术提供了涉及光纤光栅传感装置及使用其的压力环、制备和使用方法，解决了现有技术中存在的问题。本专利技术所采用的技术方案是：一种光纤光栅传感装置，包括光纤光栅传感器41、封装杆件42及连接螺帽43，所述封装杆件42中间段设有纵向凹槽44，光纤光栅传感器41置于纵向凹槽44内，所述封装杆件42两端设有螺纹45，所述封装杆件42通过两端的螺纹45与连接螺帽43连接；所述光纤光栅传感器41包括裸光纤一46、裸光纤二49、裸光栅48、毛细胶管47，所述光纤光栅传感器41的一端为长度大于300mm的裸光纤一46，另一端为裸光纤二49，所述裸光纤一46穿过毛细胶管47并露出，，所述裸光纤二49穿过毛细胶管47，裸光纤二49的端部为0.5mm的尾纤52，中间段的裸光栅48外露，用光纤光栅胶粘剂60将毛细胶管47及其内含约1mm长的裸光纤一46、裸光栅48、裸光纤二49及尾纤52粘贴于封装杆件42的纵向凹槽44内；利用与封装杆件42两端的螺纹45配套的连接螺帽43及套筒扳手以压力环为受力支撑，使光纤光栅传感装置40的封装杆件42产生预拉力，带动封装杆件42的纵向凹槽44内的裸光栅48产生预拉力，预拉力大小大于等于封装杆件42产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧。优选的，所述封装杆件42为M4-M8高强螺杆或直径4-8mm高强钢丝，所述凹槽44的深度为0.2-0.6mm。一种光纤光栅传感装置的压力环，所述的压力环还包括上支座板10，下支座板20，承力支柱30，所述上支座板10沿环向设有榫卯开孔11及螺帽开孔12，所述下支座板20沿环向设有与榫卯开孔11及螺帽开孔12对称的下榫卯开孔21及下螺帽开孔22，承力支柱30两端分别与所述榫卯开孔11和下榫卯开孔21连接，光纤光栅传感装置40两端分别与所述螺帽开孔12和下螺帽开孔22连接。优选的，所述上支座板10与下支座板20为结构相同的中心穿孔环形板，上支座板10的材料为不锈钢或40铬，其中心穿孔的孔径大于被测构件直径，上支座板10的厚度为20mm～30mm，环向宽度为30mm。优选的，所述螺帽开孔12包括螺帽内侧孔12a和螺帽外侧孔12b，所述下螺帽开孔22包括下螺帽内侧孔22a和下螺帽外侧孔22b，所述螺帽内侧孔12a和下螺帽内侧孔22a的孔径与封装杆件42直径相匹配，用于穿过封装杆件42，所述螺帽内侧孔12a和下螺帽内侧孔22a的深度为上支座板10和下支座板20厚度的一半，所述螺帽外侧孔12b和下螺帽外侧孔22b的孔径大于连接螺帽43，能让与连接螺帽43配套的套筒板手自由扭动连接螺帽43，所述螺帽外侧孔12b和下螺帽外侧孔22b的深度为上支座板10和下支座板20厚度的一半。优选的，所述承力支柱30的材料与上支座板10和下支座板20材料相同，所述承力支柱30两端设有承力支柱之榫卯端31，所述承力支柱之榫卯端31与上支座板10的榫卯开孔11和下支座板20的下榫卯开孔21相连接，所述承力支柱30的直径小于等于上支座板10与下支座板20的环向宽度。优选的，所述榫卯开孔11、下榫卯开孔21及承力支柱30的数量一致；所述螺帽开孔12、下螺帽开孔22及光纤光栅传感装置40的数量一致。优选的，所述压力环套装在保护罩50内，所述保护罩50侧面设有开孔51。压力环的制作方法，具体步骤包括：步骤一、根据实际工程的受力大小，选择压力环的量程，确定承力支柱30的直径，根据公式1承力支柱30的数量n，计算并考虑到对称性，取能被4整除的整数，选择相应的上支座板10和下支座板20；式中，N代表压力环满量程所需监测的压力，r1代表承力支柱(30)的半径，σ1代表承力支柱(30)在长期服役过程中材料疲劳强度；步骤二：在上支座板10沿环向开设榫卯开孔11及螺帽开孔12，下支座板20沿环向开设与榫卯开孔11及螺帽开孔12对称的下榫卯开孔21及下螺帽开孔22，承力支柱30两端的承力支柱之榫卯端31分别与所述榫卯开孔11和下榫卯开孔21连接；步骤三、光纤光栅传感器41的一端为长度大于300mm的裸光纤一46，另一端为裸光纤二49，所述裸光纤一46穿过毛细胶管47并露出，所述裸光纤二49穿过毛细胶管47并露出长度为0.5mm的尾纤52，中间段的裸光栅48外露，用光纤光栅胶粘剂60将毛细胶管47及其内含约1mm长的裸光纤一46、裸光栅48、裸光纤二49及尾纤52粘贴于封装杆件42的纵向凹槽44内，光纤光栅胶粘剂60完全固化后，待用；步骤四、将光纤光栅传感装置40的封装杆件42含毛细胶管的一端连同毛细胶管47穿过下支座板20的下螺帽开孔22，而后只将封装杆件42含毛细胶管的一端再次穿过上支座板10的螺帽开孔12，毛细胶管47不穿过上支座板10，从上支座板10的内侧引出；步骤五、利用与封装杆件42两端的螺纹45配套的连接螺帽43及套筒扳手给光纤光栅传感装置40的封装杆件42施加预拉力，带动封装杆件42的纵向凹槽44内的裸光栅48产生预拉力，预拉力的大小大于等于封装杆件42产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧；预拉力F的计算公式如式(2)：式中，N代表压力环满量程所需监测的压力，r1代表承力支柱30的半径，n代表承力支柱30的数量，E1代表承力支柱30的材料弹性模量，A2代表封装杆件42的纵向凹槽44处的横截面面积，E2代表封装杆件42的材料弹性模量；同时在螺帽开孔12)、下螺帽开孔22周围用高强度环氧树脂灌缝密实；步骤六本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤光栅传感装置，其特征在于，包括光纤光栅传感器(41)、封装杆件(42)及连接螺帽(43)，所述封装杆件(42)中间段设有纵向凹槽(44)，光纤光栅传感器(41)置于纵向凹槽(44)内，所述封装杆件(42)两端设有螺纹(45)，所述封装杆件(42)通过两端的螺纹(45)与连接螺帽(43)连接；所述光纤光栅传感器(41)包括裸光纤一(46)、裸光纤二(49)、裸光栅(48)、毛细胶管(47)，所述光纤光栅传感器(41)的一端为长度大于300mm的裸光纤一(46)，另一端为裸光纤二(49)，所述裸光纤一(46)穿过毛细胶管(47)并露出，所述裸光纤二(49)穿过毛细胶管(47)，裸光纤二(49)的端部为0.5mm的尾纤(52)，中间段的裸光栅(48)外露，用光纤光栅胶粘剂(60)将毛细胶管(47)及其内含约1mm长的裸光纤一(46)、裸光栅(48)、裸光纤二(49)及尾纤(52)粘贴于封装杆件(42)的纵向凹槽(44)内；利用与封装杆件(42)两端的螺纹(45)配套的连接螺帽(43)及套筒扳手以压力环为受力支撑，使光纤光栅传感装置(40)的封装杆件(42)产生预拉力，带动封装杆件(42)的纵向凹槽(44)内的裸光栅(48)产生预拉力，预拉力大小大于等于封装杆件(42)产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧。...

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅传感装置，其特征在于，包括光纤光栅传感器(41)、封装杆件(42)及连接螺帽(43)，所述封装杆件(42)中间段设有纵向凹槽(44)，光纤光栅传感器(41)置于纵向凹槽(44)内，所述封装杆件(42)两端设有螺纹(45)，所述封装杆件(42)通过两端的螺纹(45)与连接螺帽(43)连接；所述光纤光栅传感器(41)包括裸光纤一(46)、裸光纤二(49)、裸光栅(48)、毛细胶管(47)，所述光纤光栅传感器(41)的一端为长度大于300mm的裸光纤一(46)，另一端为裸光纤二(49)，所述裸光纤一(46)穿过毛细胶管(47)并露出，所述裸光纤二(49)穿过毛细胶管(47)，裸光纤二(49)的端部为0.5mm的尾纤(52)，中间段的裸光栅(48)外露，用光纤光栅胶粘剂(60)将毛细胶管(47)及其内含约1mm长的裸光纤一(46)、裸光栅(48)、裸光纤二(49)及尾纤(52)粘贴于封装杆件(42)的纵向凹槽(44)内；利用与封装杆件(42)两端的螺纹(45)配套的连接螺帽(43)及套筒扳手以压力环为受力支撑，使光纤光栅传感装置(40)的封装杆件(42)产生预拉力，带动封装杆件(42)的纵向凹槽(44)内的裸光栅(48)产生预拉力，预拉力大小大于等于封装杆件(42)产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧。2.根据权利要求1所述的一种光纤光栅传感装置，其特征在于，所述封装杆件(42)为M4-M8高强螺杆或直径4-8mm高强钢丝，所述凹槽(44)的深度为0.2-0.6mm。3.包含权利要求2所述的一种光纤光栅传感装置的压力环，其特征在于，所述的压力环还包括上支座板(10)，下支座板(20)，承力支柱(30)，所述上支座板(10)沿环向设有榫卯开孔(11)及螺帽开孔(12)，所述下支座板(20)沿环向设有与榫卯开孔(11)及螺帽开孔(12)对称的下榫卯开孔(21)及下螺帽开孔(22)，承力支柱(30)两端分别与所述榫卯开孔(11)和下榫卯开孔(21)连接，光纤光栅传感装置(40)两端分别与所述螺帽开孔(12)和下螺帽开孔(22)连接。4.根据权利要求3所述的压力环，其特征在于，所述上支座板(10)与下支座板(20)为结构相同的中心穿孔环形板，上支座板(10)的材料为不锈钢或40铬，其中心穿孔的孔径大于被测构件直径，上支座板(10)的厚度为20mm～30mm，环向宽度为30mm。5.根据权利要求3所述的压力环，其特征在于，所述螺帽开孔(12)包括螺帽内侧孔(12a)和螺帽外侧孔(12b)，所述下螺帽开孔(22)包括下螺帽内侧孔(22a)和下螺帽外侧孔(22b)，所述螺帽内侧孔(12a)和下螺帽内侧孔(22a)的孔径与封装杆件(42)直径相匹配，用于穿过封装杆件(42)，所述螺帽内侧孔(12a)和下螺帽内侧孔(22a)的深度为上支座板(10)和下支座板(20)厚度的一半，所述螺帽外侧孔(12b)和下螺帽外侧孔(22b)的孔径大于连接螺帽(43)，能让与连接螺帽(43)配套的套筒板手自由扭动连接螺帽(43)，所述螺帽外侧孔(12b)和下螺帽外侧孔(22b)的深度为上支座板(10)和下支座板(20)厚度的一半。6.根据权利要求3所述的压力环，其特征在于，所述承力支柱(30)的材料与上支座板(10)和下支座板(20)材料相同，所述承力支柱(30)两端设有承力支柱之榫卯端(31)，所述承力支柱之榫卯端(31)与上支座板(10)的榫卯开孔(11)和下支座板(20)的下榫卯开孔(21)相连接，所述承力支柱(30)的直径小于等于上支座板(10)与下支座板(20)的环向宽度。7.根据权利要求3所述的压力环，其特征在于，所述榫卯开孔(11)、下榫卯开孔(...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱万旭，覃荷瑛，邢心魁，罗伯光，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：广西,45