本發(fā)明涉及光纖光柵錨桿測量領(lǐng)域，具體的來說，是指一種避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測試裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著光纖光柵技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵錨桿的應(yīng)用也愈加廣泛，其傳輸采用光作為信息載體，在其傳輸過程中，與電信號無直接的聯(lián)系。在一些電信號無法到達(dá)的環(huán)境，如電磁干擾、強(qiáng)輻射、易燃易爆、強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境中有較為理想的效果。被廣泛地應(yīng)用于民用工程、航空、船舶、電力、石油、建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，光纖光柵錨桿與其他傳統(tǒng)的液壓式、電測式傳感器相比，更安全、穩(wěn)定性更好、測量精度更高。而利用分布式光纖傳感技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對大面積檢測區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)式布設(shè)，從而得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力場分布隨時(shí)間的變化情況，而且可以實(shí)現(xiàn)全天無人值守環(huán)境下的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。

目前，采用光纖光柵錨桿進(jìn)行檢測的技術(shù)已趨于成熟。然而，在用錨桿進(jìn)行檢測時(shí)，光纖光柵反射光波長在其所在環(huán)境的溫度發(fā)生變化時(shí)，由于熱光效應(yīng)和熱膨脹作用，會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。而光纖光柵對溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感，這種交叉敏感現(xiàn)象使光纖光柵錨桿在測量時(shí)，不能區(qū)分應(yīng)變和溫度各自的變化量，導(dǎo)致光纖光柵錨桿在測量時(shí)的精確度很難提高。

有一些專利涉及采用錨桿結(jié)構(gòu)來解決光纖光柵錨桿對溫度與應(yīng)變交叉敏感問題：例如，在中國專利《一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵錨桿測力環(huán)》(申請?zhí)枺?013201368007)中，由于錨桿彎曲使處于其上下表面的兩個(gè)光纖光柵波長產(chǎn)生反向漂移，而溫度變化引起量光柵變化方向一致，故采用錨桿上下兩側(cè)的光柵波長差作為檢測信號，有效消除溫度變化的影響，但其采用的溫度補(bǔ)償方法僅適用于錨桿在上下兩個(gè)方向處的彎曲，而對其他情況下的彎曲無法檢測。在中國專利《光纖光柵腐蝕傳感器》(申請?zhí)枺?013102048015)中，其在錨桿根部布設(shè)傳感器，首先制作水泥灌漿墊層，預(yù)留出保護(hù)溫度補(bǔ)償光柵的鋼管，并在錨桿上粘貼一個(gè)光纖光柵傳感器，對縱向應(yīng)力的影響進(jìn)行修正，構(gòu)成整個(gè)溫度補(bǔ)償單元。但其溫度補(bǔ)償僅限于在錨桿無應(yīng)變或者只有縱向應(yīng)力的情況下，對于錨桿彎曲時(shí)，溫度補(bǔ)償光柵會(huì)隨之彎曲，而應(yīng)力修正光纖光柵與溫度補(bǔ)償光柵的位置不對稱，無法對溫度補(bǔ)償光柵的應(yīng)力影響進(jìn)行修正。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對光纖光柵錨桿溫度和應(yīng)變交叉敏感的問題，而提出的一種響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、安裝空間小、可靠性高的避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測試裝置及方法，光纖光柵在整個(gè)錨桿形變時(shí)不受應(yīng)變影響，能有效的區(qū)分測量時(shí)的溫度與應(yīng)變，在不降低測量范圍的前提下，提高測量的精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測試裝置，包括中空圓柱體結(jié)構(gòu)的外部套管，其特殊之處在于，所述外部套管的兩端分別與左連接體、右連接套螺紋連接，所述左連接體包括左連接套、應(yīng)變基座、應(yīng)變傳遞體和溫度基座，所述左連接套、應(yīng)變傳遞體分別與外部套管螺紋連接，所述應(yīng)變基座、應(yīng)變傳遞體和溫度基座位于外部套管的內(nèi)腔中，所述溫度基座懸空放置，所述應(yīng)變基座內(nèi)設(shè)置有測量光柵，所述溫度基座內(nèi)設(shè)置有參考光柵。

進(jìn)一步地，所述錨桿測試裝置為若干個(gè)，前一個(gè)錨桿測試裝置的右連接套與后一個(gè)錨桿測試裝置的左連接體通過螺紋串接。由于在實(shí)際測量過程中，單根錨桿長度有限，無法進(jìn)行大面積測量。首先，多個(gè)錨桿測試裝置可以通過雙側(cè)連接套將多根光纖光柵錨桿進(jìn)行串行連接，進(jìn)而構(gòu)成分布式光纖光柵錨桿傳感網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)每根光纖光柵錨桿傳回的中心波長信息，得到整個(gè)檢測區(qū)域的變化情況。其次，區(qū)域面積增大，區(qū)域各部分溫度分布不均勻，多個(gè)空腔結(jié)構(gòu)可以測量多個(gè)點(diǎn)的溫度變化情況，對不同地點(diǎn)的光纖光柵錨桿的測量結(jié)果進(jìn)行不同的處理。提高了大面積監(jiān)測時(shí)的準(zhǔn)確性。

更進(jìn)一步地，所述測量光柵和參考光柵的光柵尾纖通過外部套管右部上端的通孔引出。多個(gè)錨桿測試裝置通過光柵尾纖引出光纖跳線，準(zhǔn)確測量多個(gè)點(diǎn)的溫度變化情況。

一種根據(jù)上述避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿的測試方法，其特殊之處在于，所述方法包括如下步驟：

1)引出測量光柵和參考光柵的光纖跳線，接入解調(diào)儀中，測量得到測量光柵與參考光柵的中心波長值，由于是相同值，記為λ1；

2)使錨桿結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，通過解調(diào)儀，得到參考光柵與測量光柵的新的中心波長值，分別記為λ2、λ3；

則所述錨桿結(jié)構(gòu)形變引起波長變化為：(λ3-λ1)-(λ2-λ1)，溫度變化引起的波長變化為：λ2-λ1；

4)根據(jù)所述結(jié)構(gòu)形變引起波長變化和溫度變化引起的波長變化計(jì)算所述錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度變化ΔT和結(jié)構(gòu)應(yīng)變ε。

優(yōu)選地，所述錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度變化ΔT的計(jì)算公式為其中為光纖的熱膨脹系數(shù)，ζ為光纖的熱光系數(shù)。

優(yōu)選地，所述錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變ε的計(jì)算公式為ε＝[(λ3-λ1)-(λ2-λ1)]/[λ3(1-P_e)]，其中，Pe為有效彈光系數(shù)。

本設(shè)計(jì)通過利用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，對測量的結(jié)果補(bǔ)償。設(shè)計(jì)出溫度——應(yīng)變處理結(jié)構(gòu)，解決了光纖光柵錨桿測量過程中應(yīng)力溫度交叉敏感的問題，同時(shí)采用串聯(lián)式錨桿——空腔結(jié)構(gòu)，構(gòu)成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，提高了測量的精度。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：相較于其他傳統(tǒng)的區(qū)分應(yīng)變溫度的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明利用溫度——應(yīng)變處理結(jié)構(gòu)，對溫度的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)簡單，解決了普通光纖光柵錨桿測量中溫度與應(yīng)變交叉敏感的問題，以及在參考光柵處錨桿形變無法測量的問題，對應(yīng)變測量精度更高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測試裝置的主視結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1中左連接體結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3為圖1中外部套管結(jié)構(gòu)主視圖；

圖4為圖1中右連接套結(jié)構(gòu)主視圖；

圖中：左連接體1(其中：左連接套1-1，應(yīng)變基座1-2，應(yīng)變傳遞體1-3，溫度基座1-4)，外部套管2，測量光柵3，參考光柵4，光柵尾纖5，右連接套6。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1～4所示，本發(fā)明一種避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測試裝置，包括中空圓柱體結(jié)構(gòu)的外部套管2，外部套管2的兩端分別與左連接體1、右連接套6螺紋連接，左連接體1包括左連接套1-1、應(yīng)變基座1-2、應(yīng)變傳遞體1-3和溫度基座1-4，左連接套1-1、應(yīng)變傳遞體1-3分別與外部套管2螺紋連接，應(yīng)變基座1-2、應(yīng)變傳遞體1-3和溫度基座1-4位于外部套管2的內(nèi)腔中，溫度基座1-4懸空放置，應(yīng)變基座1-2內(nèi)設(shè)置有測量光柵3，溫度基座1-4內(nèi)設(shè)置有參考光柵4。測量光柵3和參考光柵4的光柵尾纖5通過外部套管2右部上端的通孔引出。外部套管2管壁上留有通孔并接有外連管。通孔和外連管的作用是用于光柵尾纖5的引出，以便于其他錨桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行串接。外部套管2內(nèi)圈為螺紋結(jié)構(gòu)，以便安裝左連接體1和右連接套6。

如圖2所示，左連接體1包括左連接套1-1、應(yīng)變基座1-2、應(yīng)變傳遞體1-3和溫度基座1-4，其構(gòu)成一個(gè)整體。左連接體1通過左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3上的螺紋裝配在外部套管2內(nèi)，應(yīng)變基座1-3的兩端分別為左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3，外部套管2發(fā)生形變時(shí)通過左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3把應(yīng)變傳遞到應(yīng)變基座上1-2，應(yīng)變傳遞體的另一端為溫度基座1-4，溫度基座1-4在外部套管3內(nèi)懸空放置，以消除應(yīng)變對溫度的影響。應(yīng)變基座1-2內(nèi)布置有測量光柵3,溫度基座1-4包裹參考光柵4。

左連接體1通過左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3上的螺紋裝配在外部套管2內(nèi)，應(yīng)變基座1-3的兩端分別為左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3，外部套管2發(fā)生形變時(shí)通過左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3把應(yīng)變傳遞到應(yīng)變基座1-2上，應(yīng)變傳遞體1-3的另一端為溫度基座1-4，溫度基座1-4在外部套管2內(nèi)懸空放置，以消除應(yīng)變對溫度的影響。中心波長相同的測量光柵3和參考光柵4分別放置于應(yīng)變基座1-3與溫度基座1-4內(nèi)，并串接。外部套管2強(qiáng)度大小與錨桿結(jié)構(gòu)相同，保證其在受應(yīng)力作用時(shí)形變量與錨桿相同。

應(yīng)變基座1-2的兩端分別為左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3，外部套管2發(fā)生形變時(shí)通過左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3把應(yīng)變傳遞到應(yīng)變基座1-2上，應(yīng)變基座1-2內(nèi)布置有測量光柵3。

溫度基座1-3包裹參考光柵4，在整個(gè)系統(tǒng)形變時(shí)不受應(yīng)力影響，使參考光柵4中心波長相對偏移量僅受溫度影響。

利用上述避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測試裝置的測試方法，包括如下步驟：

1)引出測量光柵3和參考光柵4的光柵尾纖5的跳線，接入解調(diào)儀中，測量得到測量光柵3與參考光柵4的中心波長值，由于是相同值，記為λ1；由于熱脹系數(shù)相同，因而參考光柵4的溫度敏感系數(shù)與其他光柵相同，在未受到應(yīng)變影響時(shí)，參考光柵4的中心波長偏移量不變，參考光柵4和測量光柵3由于中心波長相同，只產(chǎn)生一個(gè)反射信號。

2)使錨桿結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，通過解調(diào)儀，得到參考光柵3與測量光柵4的新的中心波長值，分別記為λ2、λ3；當(dāng)光纖光柵錨桿受到應(yīng)力作用，錨桿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變，置于其內(nèi)部的溫度基座1-4無形變，參考光柵3與測量光柵4中心波長偏移不同，產(chǎn)生兩個(gè)反射信號λ2、λ3。

則錨桿結(jié)構(gòu)形變引起波長變化為：(λ3-λ1)-(λ2-λ1)，溫度變化引起的波長變化為：λ2-λ1；

4)根據(jù)結(jié)構(gòu)形變引起波長變化和溫度變化引起的波長變化計(jì)算所述錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度變化ΔT和結(jié)構(gòu)應(yīng)變ε。

假定參考光柵3與測量光柵4的波長漂移分別為Δλ1和Δλ2，那么這兩個(gè)反射波長可以表示為：

式中，為光纖的熱膨脹系數(shù)，ζ為光纖的熱光系數(shù)，Pe為有效彈光系數(shù)，這樣就能把溫度和應(yīng)變區(qū)分開來。

則錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度變化ΔT的計(jì)算公式為其中為光纖的熱膨脹系數(shù)，ζ為光纖的熱光系數(shù)。

錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變ε的計(jì)算公式為ε＝[(λ3-λ1)-(λ2-λ1)]/[λ3(1-P_e)]，其中，Pe為有效彈光系數(shù)。

本說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。