一种采用弹性薄片与光纤光栅的裂缝传感器及其使用方法技术

本发明专利技术公开了一种采用弹性薄片与光纤光栅的裂缝传感器及其使用方法，所述弹性薄片包括圆弧部和两个支脚部，所述圆弧部为左右对称的变曲率圆弧，所述圆弧部的两端延伸成为支脚部，两个所述支脚部分别用于固定在裂缝的两侧，使得圆弧部跨越裂缝上方；所述光纤光栅包括光栅段和传输段；所述光栅段的一部分粘贴于所述圆弧部，光栅段的剩余部分与所述圆弧部分离，所述传输段的输出口用于输出传感器信号。本发明专利技术只用一根光纤光栅就能够同时测量裂缝位移量及当前温度，节省成本，安装便捷，并且避免了温度对光栅测量裂缝位移的影响，使得测量结果更准确。结果更准确。结果更准确。

【技术实现步骤摘要】
一种采用弹性薄片与光纤光栅的裂缝传感器及其使用方法


[0001]本专利技术涉及建筑裂缝位移和温度的传感测量领域，尤其涉及一种采用弹性薄片与光纤光栅的裂缝传感器及其使用方法。

技术介绍

[0002]与传统的电子式温度和应变传感器相比，光纤光栅传感器具有传感单元无需供电、尺寸小、可远距离传输信号、可多点复用、抗电磁波干扰等优点，光纤光栅温度和应变传感器在土木工程领域有广阔的应用前景。
[0003]建筑物表面裂缝或结构变形的监测对评估建筑物及其结构的健康安全具有十分重要的作用。现有的电子和其它型式的裂缝或位移传感器存在体积较大、安装不便、多点复用困难、信号传输易受电磁干扰等问题。因此人们提出一种采用光纤光栅测量裂缝位移变化的方法，但在实际应用中，由于环境温度变化也会对光纤光栅中心波长产生影响，需对传感器的温度特性进行补偿。常见的补偿方式是采用两根光纤光栅，一根测量裂缝位移，另一根只对温度有响应。但这种方法存在增加系统成本、增大安装难度、两根光纤光栅不在同一温度点等问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中采用光纤光栅的传感器需要两个光纤光栅以进行补偿温度的问题。本专利技术利用光纤光栅在不均匀应变下光谱的啁啾特性，采用一根光纤光栅即可实现裂缝位移和温度的同时测量。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种采用弹性薄片与光纤光栅的裂缝传感器，所述弹性薄片包括圆弧部和两个支脚部，所述圆弧部为左右对称的变曲率圆弧，所述圆弧部的两端延伸成为支脚部，两个所述支脚部分别用于固定在裂缝的两侧，使得圆弧部跨越裂缝上方；所述光纤光栅包括光栅段和传输段；所述光栅段的一部分粘贴于所述圆弧部，光栅段的剩余部分与所述圆弧部分离，所述传输段的输出口用于输出传感器信号。
[0006]优选的，所述光栅段的一部分焊接于所述圆弧部。
[0007]优选的，所述光栅段的一半粘贴于所述圆弧部，且所述光栅段的中点与所述圆弧部的中点重合。
[0008]优选的，所述光栅段粘贴于所述圆弧部的上表面。
[0009]优选的，所述弹性薄片呈“Ω”状。
[0010]本专利技术还提供一种基于上述任一项的一种裂缝传感器的使用方法，包括如下步骤：
[0011]S1，将所述裂缝传感器的两个支脚部分别固定于裂缝两侧，使得所述圆弧部跨越裂缝上方，且圆弧部中点和裂缝中点的连线与所述圆弧部的对称轴重合；
[0012]S2，持续接收传感器信号，根据传感器信号生成光谱曲线；
[0013]S3，根据初始时刻的传感器信号，生成光谱曲线作为初始光谱，并记录此时的裂缝位移和环境温度，分别作为初始裂缝位移和初始温度；
[0014]S4，根据实时接收到的传感器信号与初始光谱、初始裂缝位移和初始温度，求得裂缝当前位移与当前温度。
[0015]优选的，所述S2的具体操作为：所述光纤光栅的输出口与光纤光栅解调仪相连接，光纤光栅解调仪接收从光纤光栅发射的传感器信号，生成光谱曲线。
[0016]优选的，所述S4包括：
[0017]S41，所述传感器信号生成的光谱曲线图具有明显的双峰，粘贴在弹性薄片上的光栅段对应的峰为移动峰，未粘贴在弹性薄片上的光栅段对应的峰为参考峰；在裂缝位移变化ΔS、温度变化ΔT时，移动峰的波长对压力和温度的波长响应Δλ1表示为Δλ1＝A
S1
ΔS+A
T1
ΔT，参考峰波长对位移和温度的波长响应Δλ2表示为Δλ2＝A
S2
ΔS+A
T2
ΔT，其中，A
s1
、A
T1
、A
S2
和A
T2
为灵敏度响应因子系数，与传感器的材料及工艺有关；
[0018]S42，构建如下位移与温度求解方程：
[0019][0020]S43，对比当前检测到的移动峰和参考峰与初始光谱的移动峰和参考峰的波长响应，根据所述位移与温度求解方程，得到裂缝位移变化ΔS、温度变化ΔT；
[0021]S44，根据所述初始裂缝位移与所述初始温度，可求得当前裂缝位移S和当前温度T。
[0022]优选的，所述支脚部通过膨胀螺丝固定于裂缝两侧。
[0023]本专利技术具有如下有益效果：
[0024]本专利技术一种采用弹性薄片与光纤光栅的裂缝传感器，可实时监控裂缝位移和环境温度的变化情况，同时可避免温度对裂缝位移测量的影响；
[0025]本专利技术一种采用弹性薄片与光纤光栅的裂缝传感器，只需要一个光纤光栅，结构简单，更节省成本，同时也使得安装更便捷。
[0026]以下结合附图及实施例对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术不局限于实施例。
附图说明
[0027]图1为光纤光栅在不均匀应变情况下的光谱曲线图；
[0028]图2为本专利技术实施例的立体图；
[0029]图3为本专利技术实施例的左视图；
[0030]图4为本专利技术实施例的A
‑
A方向的剖视图；
[0031]图5为本专利技术实施例在不同位移产生时的光谱与初始光谱的曲线图。
具体实施方式
[0032]针对现有的裂缝位移传感器在设计制作、安装等方面存在的问题，本实施例提出一种采用弹性薄片与光纤光栅的裂缝传感器，将光纤光栅部分焊接或胶粘在弯曲的弹性薄片的表面，焊接或胶粘在弹性薄片的光纤光栅部分，由于热胀冷缩会产生不均匀应变。光纤光栅在均匀应变的情况下，光谱曲线为单峰曲线；在不均匀应变的情况下，其光谱会向左移
动；因此，焊接或胶粘在弹性薄片的光纤光栅部分，其光谱向左移动，使得整个光纤光栅的光谱曲线形成明显的双峰，如图1所示。当光纤光栅粘贴在弹性薄片表面时，光纤光栅的应变∈与曲率ρ的关系为：其中K与光纤和弹性薄片的参数有关(周金龙，董小鹏，石志东，D形光纤Bragg光栅弯曲灵敏度的理论和实验研究，光子学报，2006，35(11)：1734～1737)。因为光纤光栅的振荡周期及峰/谷位置的波长对光纤光栅受到的应力与温度有不同响应，因此，利用光纤光栅在不均匀应变情况下的光谱啁啾特性变化，即可实现裂缝位移和当前温度的同时测量。测量时，将弹性薄片两端固定在裂缝两端，使与薄片接触的光纤光栅在裂缝位移的过程中受到与弹性薄片相等效的非均匀应变场的作用，而未和薄片接触的光纤光栅不会受到非均匀应变场的作用，则裂缝位移和外界温度发生变化会造成光纤光栅的光谱曲线发生变化。通过研究光谱曲线的振荡周期和特定峰/谷波长随裂缝位移和温度的变化规律，联立求解方程，就可实现裂缝位移和当前温度的同时测量，克服环境温度变化对裂缝测量结果的影响。
[0033]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]参见图2至图4所示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种采用弹性薄片与光纤光栅的裂缝传感器，其特征在于，所述弹性薄片包括圆弧部和两个支脚部，所述圆弧部为左右对称的变曲率圆弧，所述圆弧部的两端延伸成为支脚部，两个所述支脚部分别用于固定在裂缝的两侧，使得圆弧部跨越裂缝上方；所述光纤光栅包括光栅段和传输段；所述光栅段的一部分粘贴于所述圆弧部，光栅段的剩余部分与所述圆弧部分离，所述传输段的输出口用于输出传感器信号。2.根据权利要求1所述的裂缝传感器，其特征在于，所述光栅段的一部分焊接于所述圆弧部。3.根据权利要求1所述的裂缝传感器，其特征在于，所述光栅段的一半粘贴于所述圆弧部，且所述光栅段的中点与所述圆弧部的中点重合。4.根据权利要求1所述的裂缝传感器，其特征在于，所述光栅段粘贴于所述圆弧部的上表面。5.根据权利要求1所述的裂缝传感器，其特征在于，所述弹性薄片呈“Ω”状。6.一种基于权利要求1至5所述任一项的一种裂缝传感器的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，将所述裂缝传感器的两个支脚部分别固定于裂缝两侧，使得所述圆弧部跨越裂缝上方，且圆弧部中点和裂缝中点的连线与所述圆弧部的对称轴重合；S2，持续接收传感器信号，根据传感器信号生成光谱曲线；S3，根据初始时刻的传感器信号，生成光谱曲线作为初始光谱，并记录此时的裂缝位移和环境温度，分别作为初始裂缝位移和初始温度；S4，根据实时接收到的传感器信号与初始光谱、初始裂缝位移和初始温度，求得裂缝当前位移与当前温度。7.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：董小鹏，林鑫，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：