本發(fā)明涉及大量程光纖光柵傳感器的基體應(yīng)變修正方法，屬于大量程光纖光柵應(yīng)變傳遞理論領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

大跨預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)、超高層建筑和海洋平臺(tái)等特種工程結(jié)構(gòu)在環(huán)境侵蝕和荷載效應(yīng)的長(zhǎng)期作用下，產(chǎn)生大應(yīng)變變化，一旦超過結(jié)構(gòu)允許應(yīng)變值，容易發(fā)生脆性破壞，產(chǎn)生巨大損失。對(duì)特種工程開展大應(yīng)變監(jiān)測(cè)，及時(shí)識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷，對(duì)于降低特種工程結(jié)構(gòu)災(zāi)害有重要意義。光纖光柵傳感器以其靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)良特性廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)量程僅為3000με，無法滿足特種結(jié)構(gòu)大應(yīng)變監(jiān)測(cè)的要求，基于光纖光柵的大應(yīng)變監(jiān)測(cè)方法是值得探索的方向。學(xué)者進(jìn)行了諸多大應(yīng)變監(jiān)測(cè)新方法方面的嘗試，包括：對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉至5000με后再粘貼光纖光柵的預(yù)應(yīng)力測(cè)量方法、復(fù)合結(jié)構(gòu)和變梯形結(jié)構(gòu)等的光纖光柵減敏封裝方法，但是這些方法在應(yīng)變?nèi)瘫O(jiān)測(cè)和應(yīng)變監(jiān)測(cè)精確度等方面具有明顯的缺陷。本專利屬于大量程光纖光柵應(yīng)變傳遞理論領(lǐng)域，涉及大量程光纖光柵-基體應(yīng)變誤差修正方法，既實(shí)現(xiàn)了特種結(jié)構(gòu)的大應(yīng)變測(cè)量，又解決了大應(yīng)變測(cè)量的精確度問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及大量程光纖光柵傳感器的基體應(yīng)變修正方法，首先，采用雙層鋼管封裝制備工藝，設(shè)計(jì)了大量程光纖光柵傳感器，建立了基體大應(yīng)變—光纖光柵小應(yīng)變的應(yīng)變傳遞機(jī)制。其次，給出了大量程光纖光柵應(yīng)變修正方程，實(shí)現(xiàn)了特種結(jié)構(gòu)的大應(yīng)變監(jiān)測(cè)與修正。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種大量程光纖光柵傳感器的基體應(yīng)變修正方法，其特征在于：通過大量程光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)基體應(yīng)變；

結(jié)構(gòu)是：將裸光纖光柵傳感器置于內(nèi)層鋼管內(nèi)部，把內(nèi)層鋼管置于兩段外層細(xì)鋼管內(nèi)部，保證內(nèi)外兩層鋼管能夠相對(duì)滑動(dòng)；外層鋼管中間接頭處預(yù)留縫隙；

選取內(nèi)層鋼管半徑為rm，外層鋼管半徑為ri，把裸光纖光柵傳感器置于內(nèi)層鋼管內(nèi)部；

外層鋼管兩端超過內(nèi)層鋼管長(zhǎng)度為l1，即光纖光柵粘貼長(zhǎng)度為l1，膠層之間的距離為l2，即光纖光柵標(biāo)距長(zhǎng)度為l2。

大量程光纖光柵傳感器和光纖光柵解調(diào)儀組成應(yīng)變感知采集系統(tǒng)，解調(diào)儀解調(diào)反射波長(zhǎng)，通過波長(zhǎng)變化情況感知裸光纖光柵應(yīng)變。

考慮支座夾持長(zhǎng)度、光纖光柵標(biāo)距長(zhǎng)度和中間膠層的影響，得到光纖光柵波長(zhǎng)的基體應(yīng)變方程：

(1)裸光纖光柵應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中，ε裸為裸光纖光柵應(yīng)變，kε為裸光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)，δλb波長(zhǎng)變化；

(2)對(duì)膠結(jié)段光纖微元體模型受力分析，建立力學(xué)平衡方程：

式中，rf為光纖光柵半徑，τf(x,rf)為光纖外表面、膠層內(nèi)表面切應(yīng)力，σf為光纖截面正應(yīng)力；

(3)對(duì)膠層微元體模型受力分析，建立力學(xué)平衡方程：

2πrj·τj(x,rj)·dx-2πrf·τf(x,rf)·dx+π(rj²-rf²)·dσj＝0

式中，rj為膠層微元體半徑，τj(x,rj)為膠層外表面切應(yīng)力，σj為膠層截面正應(yīng)力；

(4)由于光纖應(yīng)變的變化率與膠層應(yīng)變變化率一致、光纖光柵與膠結(jié)層的彈性模量相差較大，得到簡(jiǎn)化膠層切應(yīng)變變化關(guān)系式：

式中，ef為光纖彈性模量，εf為光纖應(yīng)變；

(5)a和b點(diǎn)為膠層邊界點(diǎn)，m和n點(diǎn)為膠結(jié)段光纖邊界點(diǎn)，位移協(xié)調(diào)方程如下：

其中，

式中，ua為膠層a點(diǎn)位移，um為膠結(jié)段光纖m點(diǎn)位移，gj為膠層剪切模量，ri為外層鋼管內(nèi)徑，ui為a點(diǎn)處對(duì)應(yīng)基體位移，uf為光纖膠結(jié)段變形，l1為光纖粘貼長(zhǎng)度，l2為光纖標(biāo)距長(zhǎng)度，la為支座夾持長(zhǎng)度；

(6)求導(dǎo)建立膠結(jié)段光纖應(yīng)變和基體應(yīng)變的二階非齊次線性微分方程：

式中，εi為基體應(yīng)變；

(7)根據(jù)等效截面法，自由段光纖的應(yīng)變等于膠結(jié)段光纖的平均應(yīng)變，因此，裸光纖光柵應(yīng)變等于膠結(jié)段光纖的平均應(yīng)變：

式中，εf2(x)為裸光纖光柵應(yīng)變，為膠結(jié)段光纖的平均應(yīng)變；

(8)大量程光纖光柵傳感器的基體應(yīng)變修正方程式：

解調(diào)儀解調(diào)大量程光纖光柵傳感器波長(zhǎng)數(shù)據(jù)δλb，通過大量程光纖光柵傳感器的基體應(yīng)變修正方程式，修正基體大應(yīng)變，解決了大量程光纖光柵傳感器的精確測(cè)量問題。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：基于大量程光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)并修正基體應(yīng)變。大量程光纖光柵傳感器實(shí)時(shí)感知結(jié)構(gòu)大應(yīng)變變化，解調(diào)儀解調(diào)反射波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)基體應(yīng)變修正方程得到結(jié)構(gòu)應(yīng)變，獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能參數(shù)。

附圖說明

圖1是光纖光柵傳感器原理圖。

圖2是圖1的局部放大圖。

圖3是膠結(jié)段光纖微元體受力圖。

圖4是膠層微元體受力圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖對(duì)本裝置的實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)說明如下：

如圖1所示，把裸光纖光柵傳感器3置于內(nèi)層鋼管內(nèi)部，把內(nèi)層鋼管置于兩段外層鋼管1內(nèi)部，外層鋼管中間接頭處預(yù)留1mm的縫隙，保證內(nèi)外兩層鋼管能夠相對(duì)滑動(dòng)。外層鋼管兩端超過內(nèi)層鋼管長(zhǎng)度為l1，即光纖光柵粘貼長(zhǎng)度為l1，膠層2之間的距離l2，即光纖光柵標(biāo)距范圍為l2，支座4通過環(huán)氧膠粘接兩段外層鋼管，支座間的夾持距離為la。

在圖2、圖3、圖4中，進(jìn)行如圖所示模型假設(shè)，考慮支座夾持長(zhǎng)度、光纖光柵粘貼長(zhǎng)度和標(biāo)距長(zhǎng)度等參量對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳遞率的影響，建立基體大應(yīng)變-光纖光柵小應(yīng)變的傳力機(jī)理。解調(diào)儀解調(diào)反射波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，根據(jù)基體應(yīng)變修正方程(29)得到結(jié)構(gòu)應(yīng)變，獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)變參數(shù)。

圖1為大量程光纖光柵傳感器實(shí)物圖，大量程光纖光柵傳感器的封裝方案如下：采用雙層鋼管封裝技術(shù)，選取內(nèi)層鋼管半徑為rm(略大于裸光纖光柵半徑)，將裸光纖光柵傳感器置于內(nèi)層鋼管內(nèi)部。選取外層鋼管半徑為ri，把內(nèi)層鋼管置于兩段外層鋼管內(nèi)部，保證內(nèi)外兩層鋼管能夠相對(duì)滑動(dòng)。外層鋼管中間接頭處預(yù)留1mm的縫隙，外層鋼管兩端超過內(nèi)層鋼管長(zhǎng)度為l1，即光纖光柵粘貼長(zhǎng)度為l1，膠層之間的距離為l2，即光纖光柵標(biāo)距長(zhǎng)度為l2。內(nèi)層鋼管起固定光纖光柵、連接和支撐兩段外層鋼管的作用。外層鋼管產(chǎn)生相對(duì)位移通過端部膠層傳遞給光纖光柵，起基體-光纖光柵應(yīng)變傳遞作用。支座分別夾持兩段外層鋼管，支座間的夾持距離為la。裸光纖光柵傳感器、雙層鋼管和兩個(gè)夾持支座共同組成了大量程光纖光柵應(yīng)變傳感器，通過調(diào)節(jié)支座夾持距離和光纖光柵標(biāo)距長(zhǎng)度，提高了大量程光纖光柵傳感器的應(yīng)變可測(cè)范圍。

大量程光纖光柵傳感器通過對(duì)裸光纖光柵傳感器進(jìn)行減敏處理，建立了基體大應(yīng)變-光纖光柵小應(yīng)變的傳力機(jī)理，由于基體應(yīng)變和光纖光柵應(yīng)變不一致，需要進(jìn)行大量程光纖光柵應(yīng)變傳遞分析，繼續(xù)修正大量程光纖光柵傳感器所測(cè)應(yīng)變，該分析采用如下假設(shè)：

(1)光纖光柵為線彈性材料。

(2)光纖光柵軸向應(yīng)力是由接觸面上的剪應(yīng)力傳遞，膠層發(fā)生剪切變形。(3)支座分別與傳感器、基體夾持牢固，光纖與膠層粘結(jié)緊密，沒有相對(duì)滑移。

光纖光柵解調(diào)儀解調(diào)波長(zhǎng)變化，裸光纖光柵應(yīng)變?yōu)椋?/p>

式中，ε裸為裸光纖光柵應(yīng)變，kε為裸光纖光柵應(yīng)變靈敏度系數(shù)，δλb為波長(zhǎng)變化。

圖1為大量程光纖光柵傳感器原理圖，a和b點(diǎn)為膠層邊界點(diǎn)，m和n點(diǎn)為膠結(jié)段光纖邊界點(diǎn)，以n點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。圖3為膠結(jié)段光纖微元體受力圖，取膠結(jié)段光纖為研究對(duì)象，對(duì)其受力分析：

式中，σf為光纖截面正應(yīng)力，τf(x,rf)為光纖外表面(膠層內(nèi)表面)切應(yīng)力，rf為光纖光柵半徑。

圖4為膠層微元體受力圖，對(duì)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)為膠層外表面切應(yīng)力，rj為膠層微元體半徑，σj為膠層截面正應(yīng)力。

把式(3)代入(5)中：

式中，ef為光纖彈性模量，ej為膠層彈性模量。

光纖與膠層具有相同的應(yīng)變變化率：

式中，εf為光纖應(yīng)變，εj為膠層應(yīng)變。

光纖光柵與膠層的彈性模量相差較大，故可認(rèn)為：

把式(8)(9)代入(7)

膠層發(fā)生剪切變形，得到：

式中，u為膠層軸向位移，gj為膠層剪切模量，γ為膠層剪應(yīng)變。對(duì)(11)式積分：

式中，ua為膠層a點(diǎn)位移，um為膠結(jié)段光纖m點(diǎn)位移，ri為外層鋼管內(nèi)徑。

a點(diǎn)位移和m點(diǎn)位移協(xié)調(diào)方程如下：

式中，ui為a點(diǎn)處對(duì)應(yīng)基體位移，uf為光纖膠結(jié)段變形，l1為光纖粘貼長(zhǎng)度，l2為光纖標(biāo)距長(zhǎng)度，la為支座夾持長(zhǎng)度。

其中：

式中，μ為泊松比。將式(19)對(duì)x求導(dǎo)，得出膠結(jié)段光纖應(yīng)變與基體應(yīng)變微分方程：

微分方程通解為：

式中，εf(x)為膠結(jié)段光纖應(yīng)變，εi為基體應(yīng)變，c1和c2為積分常數(shù)，膠結(jié)段光纖邊界點(diǎn)為自由端面，由于對(duì)稱性，故邊界條件為：

εf(l1)＝εf(-l1)＝0(22)

確定積分常數(shù)：

膠結(jié)段光纖應(yīng)變傳遞率分布為：

式中，α(x)為膠結(jié)段光纖應(yīng)變傳遞率。平均應(yīng)變傳遞率可表示為光纖膠結(jié)長(zhǎng)度范圍內(nèi)應(yīng)變的平均值，膠結(jié)段光纖平均應(yīng)變傳遞率為：

式中，為膠結(jié)段光纖平均應(yīng)變傳遞率，為膠結(jié)段光纖平均應(yīng)變。把膠結(jié)段光纖的不均勻應(yīng)變等效為沿膠結(jié)段光纖全長(zhǎng)的平均應(yīng)變，根據(jù)等效截面法，自由段光纖的應(yīng)變等于膠結(jié)段光纖的平均應(yīng)變，裸光纖光柵應(yīng)變等于膠結(jié)段光纖的平均應(yīng)變：

式中，εf2(x)為裸光纖光柵應(yīng)變，大量程光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞率為：

式中，α為大量程光纖光柵傳感器應(yīng)變傳遞率。由公式(28)和公式(1)得到，大量程光纖光柵傳感器的基體應(yīng)變修正方程為：

公式(29)為大量程光纖光柵傳感器的基體應(yīng)變修正方程，解決了大應(yīng)變結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)量及修正問題。