夹持式光纤光栅的基体应变修正方法技术

本发明专利技术公开一种夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，通过夹持式光纤光栅应变传感器监测基体应变；进行夹持式光纤光栅应变传递分析，给定光纤光栅波长的基体应变方程，修正基体应变；封装过程采用两个相同细钢管，内径为ri，长度为L1，在标距点用细钢管封装裸光纤光栅，封装胶采用353ND胶；夹持式光纤光栅应变传感器与夹持式光纤光栅理论模型一致。基于夹持式光纤光栅传感器监测并修正基体应变。光纤光栅解调仪解调反射波长数据，考虑胶层厚度，胶层长度和标距比等参量对光纤光栅应变传递率影响，通过夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，获得结构构件的受力性能参数并评估其安全状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，属于光纤光栅应变传递理论领域。
技术介绍
光纤光栅传感器以其灵敏度高、抗电磁干扰以及易于实现准分布式测量等优良特性，是结构应变测量的首选传感器。由于光纤和中间层弹性模量不同，光纤传感器应变与基体应变不一致。光纤光栅应变传递理论分析是光纤光栅传感器封装设计和基体应变修正的理论依据，主要包括埋入式和基片式光纤光栅应变传递分析。埋入式光纤光栅应变传递分析根据直接埋入式封装的同心柱环模型,推导了光纤光栅传感器各点的应变传递率,得出应变传递率最大的点发生在光纤传感器的中间位置的结论；基片式光纤光栅应变传递分析以基片式光纤光栅传感器为研究对象，建立了多层基片式光纤传感器应变传递力学模型。夹持式光纤光栅传感器易于现场夹持安装，具有良好的工程应用前景，但是夹持式光纤光栅应变传递理论未见诸报道。本专利属于光纤光栅应变传递理论领域，涉及夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，修正光纤光栅-基体应变误差，为夹持式光纤光栅传感器的开发与工程应用提供理论基础。
技术实现思路
本专利技术涉及夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，实现基体应变的监测与修正。本专利技术采用的技术方案是：夹持式光纤光栅应变传递率分析如下：(1)光纤为线弹性材料，光纤m段和光纤n段机械性能相同(光纤纤芯一般掺杂微量锗，采用相位掩模法或紫外照射法进行光栅刻写时会使其产生缺陷，影响光纤机械性能)，光纤光栅不直接承受外力，光纤轴向应力是由接触面上的剪应力传递；(2)胶层为空心圆柱体，均匀涂覆光纤表面，胶层发生剪切变形，不考虑胶层的轴向变形；(3)光纤与胶层粘结紧密，没有相对滑移。解调仪采集波长变化，裸光纤光栅应变为：ϵg=ΔλBKϵ---(1)]]>式中，εg为裸光纤光栅应变，Kε为裸光纤光栅应变灵敏度系数，ΔλB反射波长变化。图1为夹持式光纤光栅传感器封装模型图，图2为夹持式光纤光栅传感器受力模型图，图3为光纤m段微元体受力模型图，对其受力分析：2πrg·τg(x,rg)·dx+πrg2·dσg＝0(2)dσgdx=-2·τg(x,rg)rg---(3)]]>式中，σg为光纤截面正应力，τg(x,rg)为胶层内表面切应力，rg为光纤光栅半径。图4为胶层微元体受力模型图，对其受力分析：2πrj·τj(x,rj)·dx-2πrg·τg(x,rg)·dx+π(rj2-rg2)·dσj＝0(4)τj(x,rj)=rgrj·τg(x,rg)-rj2-rg22rj·dσjdx---(5)]]>把(3)代入(5)中：τj(x,rj)=-rg22rj·dσgdx-rj2-rg22rj·dσjdx---(6)]]>τj(x,rj)=-Egrg22rj·(dϵgdx+rj2-rg22rj·EjEg·dϵjdx)---(7)]]>光纤与胶层同步变形：dϵgdx≅dϵjdx---(8)]]>光纤光栅与胶结层的弹性模量相差较大，故可认为：rj2-rg22rj·EjEg·dϵjdx≅o(dϵgdx)---(9)]]>把(8)(9)代入(7)τj(x,rj)=-rg22rj·dσgdx=-rg22rj·Eg·dϵgdx---(10)]]>胶层发生剪切变形：τj(x,rj)=Gj·γ(x,rj)≅Gj·dudrj---(11)]]>式中，τj(x,rj)为胶层外表面切应力，rj为胶层微元体半径，u为胶结层轴向位移，γ为胶结层剪应变，Eg为光纤弹性模量，Ej为胶层弹性模量。对(11)式积分：∫τj(x,rj)·drj＝∫Gj·du(12)∫rgriτj(x,rj)·drj=∫rgri(-rg22ri·Eg·dϵgdx)·drj---(13)]]>变形位移协调条件：ui-ug-ugL1·L22=-Eg2Gj·rg2·ln(rirg)·dϵgdx=-1k2·dϵgdx---(14)]]>式中，ui为基体位移，ug为光纤m段位移，ri为钢管内径。Gj=Ej2(1+μ)---(15)]]>其中k2=1(1+μ)·EgEj·rg2·ln(rirg)---(16)]]>设并定义a为标距比系数：ui-a·ug=-1k2·dϵgdx---(17)]]>式中，L1为光纤光栅m段长度，L2为光纤光栅n段长度，μ为泊松比。将式(17)对x求导，得出光纤m段应变与基体应变微分方程：dϵg2dx2-a·k2·ϵg=-k2·ϵi---(18)]]>微分方程通解为：ϵg(x)=C1·eakx+C2·e-akx+ϵia---(19)]]>式中，C1和C2为积分常数，光纤A、D两点截面均为自由端面，不受胶层影响，故边界条件为：εg(L1)＝εg(-L1)＝0(20)确定积分常数：C1=C2=-ϵi2a·cosh[-a·k·L1]---(21)]]>光纤m段应变传递率分布为：α(x)=ϵg(x)ϵi=1a{1-cosh(a·k·x)cosh(a·k·L1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，通过夹持式光纤光栅应变传感器监测基体应变；进行夹持式光纤光栅应变传递分析，给定光纤光栅波长的基体应变方程，修正基体应变；其特征在于：封装过程采用两个相同细钢管，内径为ri，长度为L1，在标距点用细钢管封装裸光纤光栅，封装胶采用353ND胶；夹持式光纤光栅应变传感器与夹持式光纤光栅理论模型一致。

【技术特征摘要】
1.一种夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，通过夹持式光纤光栅应变传感器监测基体应变；进行夹持式光纤光栅应变传递分析，给定光纤光栅波长的基体应变方程，修正基体应变；其特征在于：封装过程采用两个相同细钢管，内径为ri，长度为L1，在标距点用细钢管封装裸光纤光栅，封装胶采用353ND胶；夹持式光纤光栅应变传感器与夹持式光纤光栅理论模型一致。2.根据权利要求1所述的夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，其特征在于：夹持式光纤光栅应变传感器和光纤光栅解调仪组成数据采集系统，解调仪解调反射波长，监测基体应变。3.根据权利要求1所述的夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，其特征在于：得到光纤光栅波长的基体应变方程的过程：(1)裸光纤光栅应变为：ϵg=ΔλBKϵ]]>式中，εg为光纤应变；ΔλB为解调仪解调反射波长变化；Kε为应变灵敏度系数。(2)对光纤m段微元体模型受力分析，建立m段力学平衡方程：2πrg·τg(x,rg)·dx+πrg2·dσg＝0式中，rg为光纤光栅半径；τg(x,rg)为胶层内表面切应力；σg为光纤截面正应力。(3)对胶层微元体模型受力分析，建立胶层力学平衡方程：2πrj·τj(x,rj)·dx-2πrg·τg(x,rg)·dx+π(rj2-rg2)·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基体应变变化率一致、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：τj(x,rj)=-rg22rj·dσgdx=-rg22rj·Eg·dϵgdx]]>式中，Eg为光纤弹性模量。(5)由于胶层发生剪切变形，建立基体切应变与位移...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙丽，李闯，李生效，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21