CN101995226A - 新型光纤光栅的多点裂缝监测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光纤光栅的多点裂缝监测器，它包括多个光纤光栅裂缝监测器，每个光纤光栅裂缝监测器均包括套管，套管的一端与基座Ⅰ滑动连接，另一端与基座Ⅱ滑动连接；套管内设有传输光纤，传输光纤上设有光纤光栅，传输光纤一端与基座Ⅰ连接，另一端与弹性体一端连接，所述弹性体另一端与基座Ⅱ连接。利用本发明能够同时测量温度和裂缝的大小，并且具有良好的防水性能，抗电磁干扰，提高了测量精度和测量结果的可靠性。

Description

新型光纤光栅的多点裂缝监测器

技术领域

本发明涉及一种新型光纤光栅多点裂缝监测器，具体的说是一种能够同时测量多个测点温度与裂缝大小的高精度光纤光栅传感器。

背景技术

目前在隧道、煤矿等大型工程领域与桥梁、大型建筑等大型结构工程领域，受施工条件与工程服役时间的影响，易出现裂缝，造成了巨大的隐患，因此实施监测关键点的裂缝发生发展过程具有重要意义。目前大多采用振弦式裂缝计，防水性能差，寿命短，易发生零点漂移，严重限制了它的广泛应用。

光纤光栅是一种性能优良的温度传感器件，与传统的电传感器等相比具有体积小，精度高，防水性能强，易于组网等独特的优点，受到科研人员与工程技术人员的青睐。尤其是聚合物光纤光栅，除了具有普通光栅的优点外，还具有温度和应变灵敏度高，测量范围大，价格便宜等优点。并且聚合物光纤光栅与石英光栅的温度系数与应变系数不同，因此同时应用这两种不同材料的光栅能够实现温度和应变的解耦。

在实际工程领域，要求快速精确地测量结构表面或内部的温度与裂缝，目前没有新型光纤光栅多点裂缝监测器的报道，并且未见相关专利。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种测量精度高，测量范围大，具有良好的防水性能，抗电磁干扰，并且安装方便的光纤光栅裂缝监测器。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

新型光纤光栅的多点裂缝监测器，它包括多个串联的光纤光栅裂缝监测器，每个光纤光栅裂缝监测器均包括套管，套管的一端与基座Ⅰ滑动连接，另一端与基座Ⅱ滑动连接；套管内设有传输光纤，传输光纤上设有光纤光栅，传输光纤一端与基座Ⅰ连接，另一端与弹性体一端连接，所述弹性体另一端与基座Ⅱ连接。

所述传输光纤为两根平行放置的传输光纤，其中一根为聚合物传输光纤，另一根为石英传输光纤；聚合物传输光纤和石英传输光纤上分别设有光纤光栅。

所述光纤光栅包括多个串联的聚合物光纤光栅及多个串联的石英光纤光栅，聚合物光纤光栅设在聚合物传输光纤上，石英光纤光栅设在石英传输光纤上。

所述基座Ⅰ或基座Ⅱ为相邻光纤光栅裂缝监测器的共用基座。

原理：首先将基于聚合物光纤光栅及石英光纤光栅的多点裂缝监测器固定在待测点处，若待测点处产生裂缝，则基座之间的距离发生变化，使弹性体伸长产生对聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的拉力，使两个光栅的中心波长发生变化。裂缝越大聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的拉力也越大，两光栅中心波长变化也随之增大。同时待测点处温度的变化也引起两根光栅中心波长的变化。但聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的温度系数与应变系数都不相同。因此，在聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的温度系数与应变系数已知的情况下，可通过测量两光栅中心波长的变化实现温度与应变的解耦，进而消除光纤光栅对温度与应变的交叉敏感，通过测量单独由应变引起的两光栅中心波长的变化实现裂缝的测量。

由以上技术方案可以看出，本发明利用聚合物光纤光栅和石英光纤光栅构成的多点裂缝监测器监测传感器中心波长的变化，根据中心波长变化可测量出温度和裂缝的大小，并且具有良好的防水性能，抗电磁干扰，提高了测量精度和测量结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明新型光纤光栅多点裂缝监测器的结构图；

图2为本发明中聚合物光纤光栅温度特性曲线图；

图3为本发明中石英光纤光栅温度特性曲线图；

图4为本发明中聚合物光纤光栅裂缝测试曲线图；

图5为本发明中石英光纤光栅裂缝测试曲线图。

其中1.聚合物光纤光栅，2.石英光纤光栅，3.套管，4.基座，5.弹性体，6.聚合物传输光纤，7.石英传输光纤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1中，一种新型光纤光栅多点裂缝监测器，包括多个光纤光栅裂缝监测器，每个光纤光栅裂缝检测器都包括聚合物光纤光栅1，聚合物光纤光栅1一端与弹性体5连接，另一端固定在传感器的基座4处，石英光纤光栅2与聚合物光纤光栅1平行放置，并且也是一端与弹性体5连接，另一端固定在传感器基座4处。弹性体5另一端则连接到裂缝监测器另一端的基座4处。聚合物光纤光栅1和石英光纤光栅2与弹性体5有套管3保护，套管3与两端的基座4滑动连接。相邻两个裂缝监测器共用一个基座4，聚合物光纤光栅1和石英光纤光栅2都采用串联的方式连接，前端裂缝监测器的弹性体处聚合物传输光纤6和石英传输光纤7处于弯曲状态，弯曲程度为不影响裂缝监测器的量程。

同时采用了聚合物光纤光栅1与普通石英光纤光栅2作为温度与应变敏感器件。

包括多个光纤光栅裂缝监测器，可以实现多个测点温度的同时测量。

前后两个裂缝监测器共用一个基座4。

套管3与基座4滑动连接，并且该连接处有一卡槽。

本发明的具体制作过程为：首先，选定中心波长在1510nm～1590nm范围内的聚合物光纤光栅1与石英光纤光栅2，将二者的一端与弹性体5连接，聚合物光纤光栅1与石英光纤光栅2的另一端固定在基座上4，弹性体5另一端固定在裂缝监测器另一端的基座4处，与弹性体5平行的聚合物传输光纤6与石英传输光纤7处于弯曲状态，伸直时不影响裂缝监测器的量程。其他裂缝监测器采用同样的方式制作，聚合物光纤光栅1与石英光纤光栅2都分别采用串联的方式。每个裂缝监测器的长度和监测的点数都根据实际需要设计。

聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的温度系数分别为ξ₁与ξ₂，应变系数分别为K₁与K₂，中心波长漂移分别为Δλ₁与Δλ₂，温度变化为ΔT，应变为ε。则

Δλ₁＝ξ₁×ΔT+K₁×ε          (1)

Δλ₂＝ξ₂×ΔT+K₂×ε          (2)

假设弹性体的长度与变化量分别为L和ΔL，弹性体的弹性系数为K₃。由于光栅的弹性变形非常小，可忽略，因此根据胡克定律可得：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{1}{K_3}\mathrm{\ΔF}---\left(3\right)$

ΔF为弹性体处的拉力。假设聚合物光纤光栅和石英光纤光栅的长度、变形与截面积都相同，它们的截面积A，弹性模量分别为M₁与M₂，它们所受的拉力ΔF₁与ΔF₂分别如公式(4)与公式(5)所示：

$\mathrm{\Δ}{F}_1=\frac{M_1}{M_1+M_2}\mathrm{\ΔF}---\left(4\right)$

$\mathrm{\Δ}{F}_2=\frac{M_2}{M_1+M_2}\mathrm{\ΔF}---\left(5\right)$

又因为

ΔF₁＝A×M₁×ε                (6)

ΔF₂＝A×M₂×ε                (7)

由公式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)可得

$\mathrm{\ΔL}=\frac{A\×(M_1+M_2)}{K_3}\mathrm{\ϵ}---\left(8\right)$

由(8)式可以看出，应变与裂缝大小乘正比关系，在其他常数已知的情况下，可根据聚合物光纤光栅与石英光纤光栅中心波长的变化可得待测点处的温度变化与应变，并根据应变的变化情况得到裂缝的产生与扩展信息。

为了实现本发明的目的，首先对该裂缝监测器进行了标定，聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的初始中心波长分别为1531nm与1543nm，传感器中心波长随温度与裂缝扩展的变化关系分别如图2，图3，图4和图5所示。图2为应变不变的情况下聚合物光纤光栅的温度变化曲线，可以看出聚合物光纤光栅的中心波长随着温度升高向短波方向漂移，温度系数为-0.015nm/℃。图3为应变不变的情况下石英光纤光栅的温度变化曲线，可以看出石英光纤光栅的中心波长随着温度升高向长波方向漂移，温度系数为0.010nm/℃。图4为温度不变的情况下该裂缝监测器中聚合物光纤光栅的随裂缝扩展的变化曲线，可以看出聚合物光纤光栅的中心波长随着裂缝扩展向长波方向漂移，系数为1.134nm/mm。图5为温度不变的情况下该裂缝监测器中石英光纤光栅的随裂缝扩展的变化曲线，可以看出石英光纤光栅的中心波长随着裂缝扩展也向长波方向漂移，系数为0.826nm/mm。并且该裂缝监测器中聚合物光纤光栅与石英光纤光栅的线性度都能达到0.999，这说明本发明是一个线性度非常好的实验模型，且具有一般性。

在实际工程应用中，首先打孔或清理待测点处表面，再将新型光纤光栅多点裂缝监测器固定在待测点处，通过测量传感器中心波长的变化检测待测点的温度变化与裂缝产生于扩展情况。

通过以上测量方法，该发明的检测精度为0.1℃和0.005mm，有效提高了检测的质量和效率。

Claims (4)

1.新型光纤光栅的多点裂缝监测器，其特征是，它包括多个串联的光纤光栅裂缝监测器，每个光纤光栅裂缝监测器均包括套管，套管的一端与基座Ⅰ滑动连接，另一端与基座Ⅱ滑动连接；套管内设有传输光纤，传输光纤上设有光纤光栅，传输光纤一端与基座Ⅰ连接，另一端与弹性体一端连接，所述弹性体另一端与基座Ⅱ连接。

2.如权利要求1所述的新型光纤光栅的多点裂缝监测器，其特征是，所述传输光纤为两根平行放置的传输光纤，其中一根为聚合物传输光纤，另一根为石英传输光纤；聚合物传输光纤和石英传输光纤上分别设有光纤光栅。

3.如权利要求2所述的新型光纤光栅的多点裂缝监测器，其特征是，所述光纤光栅包括多个串联的聚合物光纤光栅及多个串联的石英光纤光栅，聚合物光纤光栅设在聚合物传输光纤上，石英光纤光栅设在石英传输光纤上。

4.如权利要求1所述的新型光纤光栅的多点裂缝监测器，其特征是，所述基座Ⅰ或基座Ⅱ为相邻光纤光栅裂缝监测器的共用基座。

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