钢结构监测用的级联光纤光栅传感器及监测方法技术

本发明专利技术属于交通标志牌技术领域，公开一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，包括传输光纤、管套、光纤布拉格光栅以及长周期光纤光栅，光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均刻在所述传输光纤的内部，传输光纤穿过所述管套，光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均位于所述管套内，管套两端密封，传输光纤紧贴待测钢结构，传输光纤的输出端连接有解调仪，解调仪连接有数据处理器。本发明专利技术设计的级联光纤光栅传感器具有测量距离远、抗电磁干扰、信号易传输、稳定性好、测量精度和灵敏度高等优点，成本低，实用性和可靠性强。本发明专利技术能够实现钢结构的疲劳、腐蚀两个参量同时监测，提高监测效率。效率。效率。

【技术实现步骤摘要】
钢结构监测用的级联光纤光栅传感器及监测方法


[0001]本专利技术涉及工程结构健康监测
，尤其涉及一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器及监测方法。

技术介绍

[0002]在钢结构桥梁等结构中，由于各种大载荷反复加卸会引起局部应力疲劳，可能造成结构的损伤，产生重大安全事故。为此需要进行疲劳检测。已有的疲劳检测装置主要采用电测法，由于电阻应变测量原理基于电桥平衡，是一种相对测量方法，当重新通电后需要调平衡,无法得到测点的真实应变值，不能用于长期检测。
[0003]腐蚀是物质(特别是金属或金属合金材料)与环境作用而引起的破坏和变质，它是自然界中普遍存在的难以避免的物质材质变坏的过程。除此之外，腐蚀不断污染环境﹑危害人民的健康，一些突发性腐蚀(如应力腐蚀和氢脆裂等) 还经常会引起伤亡事故。因此对腐蚀的检测﹑防护就显得格外重要。由于钢结构的工作性质，其非常容易暴露于腐蚀环境之下，哪怕仅仅是工作于普通大气环境之下的钢结构,随着服役时间的推移，也会导致钢结构的腐蚀。如果能合理监测到钢结构的腐蚀情况，将为结构的耐久性评估、结构剩余寿命预测与结构的加固维修提供重要依据。
[0004]目前，钢结构腐蚀的监测方法主要是电化学方法和非电化学方法两大类。电化学方法有交流阻抗法、线性极化法、电化学噪声法等。非电化学方法有表观检查法、失重法、超声波法等。但是，上述方法一般都存在操作不便，监测过程复杂，且不能实现钢结构疲劳和腐蚀同时监测等缺点。因此，亟需开发一种同时监测钢结构疲劳和腐蚀的新型传感器。

技术实现思路
/>[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于光纤光栅的能同时监测钢结构疲劳和腐蚀的级联光纤光栅传感器及其监测方法，该监测装置制作简单，通过将一根传输光纤安置在钢结构表面，用半封闭管套封装，对测点位置形成一个钢结构光纤光栅空气介质的封闭环境，通过光纤布拉格光栅与长周期光纤光栅级联制成的传感器，能同时监测钢结构的疲劳和腐蚀，实现准确、高精度和原位监测钢结构的疲劳和腐蚀程度，预测情况及其发展。使用该装置误差小, 精度高,能够有效地监测钢结构疲劳和腐蚀程度，提高监测效率。
[0006]为实现上述目的，一方面，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，包括传输光纤、管套、光纤布拉格光栅以及长周期光纤光栅，所述光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均刻在所述传输光纤的内部，所述传输光纤穿过所述管套，所述光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均位于所述管套内，所述管套两端密封，所述传输光纤紧贴待测钢结构，所述传输光纤的输出端连接有解调仪，所述解调仪连接有数据处理器。
[0008]进一步地，所述管套两端均用密封部件密封，所述传输光纤穿过密封部件和管套。
[0009]进一步地，刻有所述光纤布拉格光栅的传输光纤段粘结在所述待测钢结构上。
[0010]进一步地，所述密封部件上设有锁紧螺栓，所述锁紧螺栓用于将密封部件与所述待测钢结构连接。
[0011]进一步地，所述管套为塑料材质制备而成，所述密封部件为不锈钢钢材质制备而成。
[0012]进一步地，所述传输光纤处于绷直状态。
[0013]另一方面，本专利技术还提供一种钢结构监测方法，具体步骤如下：
[0014]步骤一：制作如权利要求1至7所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器；
[0015]步骤二：将上述钢结构监测用的级联光纤光栅传感器固定在待测钢结构上；
[0016]步骤三：进行钢结构的疲劳和腐蚀监测，从传输光纤中输入宽带光源，光纤布拉格光栅用于监测钢结构应变，长周期光纤光栅用于监测钢结构的腐蚀；
[0017]步骤四：解调仪与传输光纤连接，用于级联光纤光栅传感器中光栅信号的解调，光栅光信号转换为电信号并进行数字化。
[0018]步骤五：数据处理器对数据进行分析处理，实现对钢结构应变的全面实时监测；当待测钢结构的疲劳和腐蚀达到设定值时，进行报警,从而保证待测钢结构的安全。
[0019]进一步地，疲劳监测为根据不同时刻光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅测得的数据，获得t时刻波长λ
ft
和λ
pt
,计算波长漂移量：
[0020]Δλ
ft
＝λ
ft
‑
λ
f
[0021]Δλ
pt
＝λ
pt
‑
λ
p
[0022]根据应变光栅计算公式：
[0023]Δλ
ft
＝μΔε
t
+γΔT
[0024]温度光栅计算公式为:Δλ
pt
＝γΔT
[0025]其中，Δλ
ft
为t时刻光纤布拉格光栅的波长漂移量,Δλ
pt
为t时刻长周期光纤光栅的波长漂移量,μ为应变参数,γ为温度参数,μ和γ均由光纤光栅材料特征决定,为已知量,Δε
t
是t时刻的光纤光栅轴向应变,ΔT是t时刻温度变化量；
[0026]因为两种光纤光栅处在同一环境中，所以温度变化量相同，使用温度光栅的目的是实现温度补偿，消除温度产生的影响，上述得
[0027]由此可测得光纤布拉格光栅的应变，即为钢结构的应变。通过钢结构应变时程，根据σ＝εE得到钢结构应力时程，其中E为钢结构的弹性模量；
[0028]找出应力时程曲线中的峰值和谷值；对应力峰值和谷值序列进行雨流法计数。光纤光栅传感器所测得的应力时程经过上述雨流计数后可得到应力幅谱，实时监测结构的疲劳损伤程度；
[0029]进一步地，腐蚀监测为长周期光纤光栅刻在光纤上,其对环境折射率有着高敏感性。在腐蚀产生时，腐蚀产物会使周围环境折射率发生变化。LPFG使入射光从传播的纤芯模耦合到同向传播的包层模,产生一系列的传输光谱的衰减带。光谱衰减带的中心(谐振)波长可以用以下方式表示；
[0030][0031]其中λ
L
是谐振波长，是光纤纤芯的有效折射率，是包层的有效折射率，它与纤芯n1、包层n2和周围介质n3的折射率有关，Λ是光栅的周期。本专利技术中,纤芯n1折射率不变、包层n2和周围介质n3的折射率随着腐蚀的进行发生变化，半封闭环境内的介质的光学特性会马上发生变化，导致光谱仪上接收到的光信号的谐振波长发生偏移。通过谐振波长发生偏移量,经标定后可以得出与钢结构的腐蚀率之间的关系。
[0032]标定实验具体为：在实验室用N个与待测钢结构相同材质的钢板，在同一腐蚀环境下，进行腐蚀标定实验，实验过程中，每隔一段时间从N个钢板中取出1 个钢板，用质量分数为12％的盐酸溶液将钢板上的锈迹清洗干净，精确测出未腐蚀部分钢板的质量,通过计算，即可得出已锈蚀钢板的质量，通过N组测量，可得到N组不同腐蚀状态下对应的光栅透射谱测量数据，以此再线性回归可标定出β
L
值，N取值为8
‑
10，从而可以建立长周期光纤光栅的谐振峰波长与钢本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，包括传输光纤、管套、光纤布拉格光栅以及长周期光纤光栅，所述光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均刻在所述传输光纤的内部，所述传输光纤穿过所述管套，所述光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均位于所述管套内，所述管套两端密封，所述传输光纤紧贴待测钢结构，所述传输光纤的输出端连接有解调仪，所述解调仪连接有数据处理器。2.根据权利要求1所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，所述左标志柱的顶部安装有伺服电机，所述第一光伏板倾斜安装在所述伺服电机上。3.根据权利要求2所述的一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，所述管套两端均用密封部件密封，所述传输光纤穿过密封部件和管套。4.根据权利要求3所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，刻有所述光纤布拉格光栅的传输光纤段粘结在所述待测钢结构上。5.根据权利要求4所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，所述密封部件上设有锁紧螺栓，所述锁紧螺栓用于将密封部件与所述待测钢结构连接。6.根据权利要求5所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，所述管套为塑料材质制备而成，所述密封部件为不锈钢钢材质制备而成。7.一种钢结构监测方法，具体步骤如下：步骤一：制作如权利要求1至6所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器；步骤二：将上述钢结构监测用的级联光纤光栅传感器固定在待测钢结构上；步骤三：进行标定实验；步骤五：进行钢结构疲劳和腐蚀监测，从传输光纤中输入宽带光源，光纤布拉格光栅用于监测钢结构应变，长周期光纤光栅用于监测钢结构的腐蚀；步骤四：解调仪与传输光纤连接，用于级联光纤光栅传感器中光栅信号的解调，光栅光信号转换为电信号并进行数字化。步骤五：数据处理器对数据进行分析处理，实现对钢结构应变的全面实时监测；当待测钢结构的疲劳和腐蚀达到设定值时，进行报警,从而保证待测钢结构的安全。8.根据权利要求7所述的钢结构监测方法，其特征在于，疲劳监测：根据不同时刻光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅测得的数据，获得t时刻波长λ
ft
和λ
pt
,计算波长漂移量：Δλ
ft
＝λ
ft
‑
λ
f
Δλ
pt
＝λ
pt
‑
λ
p
根据应变光栅计算公式：Δλ
ft
＝μΔε
t
+γΔT温度光栅计算公式为:Δλ
pt...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵少杰，陈锟，阮俊涛，黄航，艾国辉，余江昱，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：