CN105115440B

CN105115440B - 一种基于光纤光栅传感器的局部位移测量方法

Info

Publication number: CN105115440B
Application number: CN201510512482.3A
Authority: CN
Inventors: 徐东升; 刘华北
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2017-09-12
Anticipated expiration: 2035-08-19
Also published as: CN105115440A

Abstract

一种基于布拉格光纤光栅传感器的测量局部位移方法，包括弹性体结构和尺寸选择、FBG传感器安装固定和计算被测对象的局部位移步骤。其主要原理是，当被测对象受到压缩时，其变形会引起弹性体的变形，进而引起光纤光栅的变形，根据本发明中的公式可知，光栅的变形与被测对象的局部位移有唯一的对应公式，因此可以得到被测对象的变形，实现被测对象局部位移的精密测量。

Description

一种基于光纤光栅传感器的局部位移测量方法

技术领域

本发明涉及一种采用光纤光栅传感器测量固体表面局部位移方法，特别涉及一种采用FBG传感器原理的固体表面局部位移的测量方法。

背景技术

传统的固体表面局部位移测量采用电磁位移计，可以测量被测对象上下两个表面之间的位移，但是很难高精度两侧被测对象中间局部的应变和变形。然而，局部的小位移会影响到被测对象的力学性能计算，如固体的局部小应变的力学特性关系到基坑开挖引起临近建筑物的变形计算，同时也会影响隧道开挖引起的沉降计算等。因此，本发明提出的方法可以精确测量固体小应变情况下的力学特性，为工程设计和变形计算提供重要的参数。

布拉格光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating Sensor,FBG)属于光纤光栅传感器的一种，基于外界物理参量的变化引起FBG中心波长的漂移，波长的漂移与温度和应变呈线性关系，其关系式如下：

式中，Δλ_B为波长变化值，λ_B为波长值，Pe为光纤的光弹系数，为常量，ε为应变变化值，α和ξ为光纤的热光系数，为常量，ΔT为温度变化值。如无特别注明，本发明采用国家法定计量单位。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题而提供的一种基于光纤光栅传感器的局部位移测量方法。本发明的技术原理是利用FBG传感器，将FBG传感器安装于弹性体的表面，固定在被测对象的表面，固体的变形会导致弹性体的屈曲变形，所述的弹性体的力学特性可以等效为弹性梁，因此根据梁的控制方程，梁的扰度与弯曲力矩之间的关系式为：

其中，y为弹性体的扰度，x为沿着弹性体轴向的坐标，M为梁的弯曲力矩，EI为梁的弯曲刚度。I是截面惯矩

进一步的，上述的梁的弯曲力矩M可以表示为：M＝-Py，其中P为作用在弹性体端部的合力，代入到方程(2)中可以得到：

这是一个二阶齐次微分方程，通过解这个方程可以得到：

其中c₁和c₂为系数，是常量，可以根据边界条件确定，在本发明中的边界条件为x＝0,y＝0和x＝L,y＝0，将此边界条件代入到方程(4)中，可以得到

c₂＝0和

其中L为梁的长度。因为系数c₁不可能等于0，而且本发明中弹性体只有一阶的屈曲模态，因此

将公式(5)和(6)代入到公式(4)中，可以得到

上述的弹性体的实际长度并不会改变，因此在弹性体弯曲变形后，其垂直方向的位移变化量Δ可以表示为：

将公式(7)代入到公式(8)中，可以得到

Δ＝(c₁π)²/(4L)或

由式(2)，在弹性梁上的弯曲力矩可以表示为：

M＝-EI(d²y/dx²) (10)

由公式(7)可知：

将公式(11)代入到公式(10)可以得到梁上任何一个位置x₀处的弯曲力矩M₀为：

M₀＝EI(π/L)²c₁sin(πx₀/L) (12)

由梁的弹性理论可以知道，在位置x₀处的切线应力为：

σ₀＝M₀t/2I (13)

其中t为梁的厚度，I是截面惯矩。根据胡克定理可知：

σ₀＝Eε_FBG (14)

ε_FBG为在x₀处，用FBG传感器测量得到的应变值。将公式(13)和(14)代入到公式(12)中可以得到：

进一步可变换为：

此公式为本发明的关键公式，公式表明了通过FBG传感器得到的应变与局部位移变化量Δ有唯一的对应关系。这个关系只与弹性体的厚度t，长度L和FBG传感器中点的坐标x₀有关。如果FBG传感器安装于弹性体的中部，也即x₀＝L/2，因此公式(16)可以简化为：

此公式表明了FBG传感器安装于弹性体的中部位置情况下，FBG传感器得到的应变与局部位移变化量Δ的唯一对应关系。并且从公式可以看出，通过控制弹性体的厚度t和长度L，可以调节测量的范围和灵敏度。

基于式(16)，为了解决局部位移的测量问题，本发明提出一种局部位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据被测对象尺寸和测量要求，选择弹性体结构和尺寸，所述弹性体是长方体或矩形片状具有良好弹性的金属材料制成；

(2)将FBG传感器安装在弹性体表面纵向中轴线上，使两者紧密结合，构成应变传感部件，将其FBG传感器通过光纤与光纤光栅信号处理器相连；

(3)将所述应变传感部件固定在被测对象需要监测的部位，记下光栅传感器应变初值；

(4)通过光纤光栅信号处理器测量FBG传感器的应变值，计算被测对象的局部位移Δ：

其中，ε_FBG为FBG传感器的应变值与应变初值的差值，L和t分别为所述弹性体的长度和厚度，x₀为所述FBG传感器的坐标，该坐标以弹性体下端部为基准。

所述的局部位移测量方法中，所述光纤光栅信号处理器包括包括宽带光源、3dB耦合器和光探测器、接口部件和计算机，用以采集、接收、存储、显示FBG传感器的应变值。

进一步的，在所述的局部位移测量方法中，FBG传感器安装在所述弹性体表面几何中心位置，到弹性体上下端面距离相同，构成应变传感部件，并根据下式计算被测对象的局部位移，

进一步的，在所述的局部位移测量方法中，多个光纤光栅局部位移测量装置的应变传感部件以对称方式安装在被测对象表面上，以取均值方式计算出局部位移平均值。

进一步的，在所述的局部位移测量方法中，通过调节弹性体初始应变和弹性体的长度，设定测量量程。

进一步的，在所述的局部位移测量方法中，通过调节弹性体的厚度，调节测量灵敏度，弹性体越厚，灵敏度越高。

工作状态下，固体被测对象的局部位移引起固定于固体表面的弹性体变形，从而使光纤光栅的变形，从而引起FBG传感器应变值的改变，通过本发明提出的公式，可算出被测对象的局部位移。

本发明的优点在于：1、能够解决三轴试样固体局部位移的精密测量问题，满足局部小应变的测量需求。2、本发明从理论上推导了光纤光栅测量固体小应变理论公式，可以通过调节参数达到控制FBG-LDT的测量范围和灵敏度。3、传感器测量精度高，安全性高，机构简单。4、具有抗电磁干扰以及耐腐蚀，并且不存在水中短路的问题。

附图说明

图1为本发明的基于光纤光栅传感器的局部位移测量方法的变形模型；

图2为本发明的基于光纤光栅传感器的局部位移测量方法的结构示意图。

其中:1-弹性体、2-FBG传感器、3-固定部件、4-光纤、5-光纤光栅信号处理器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图2示，本实施例中，对土体内部变形进行测量，用到的部件和设备包括铜质弹性体(1)、FBG传感器(2)、固定部件(3)、光纤(4)、光纤光栅信号处理器(5)。

本实施例所采用的光纤光栅信号处理器主要结构包括宽带光源(即宽频段、低偏振度的高功率稳定光源，其波段范围非常广阔,通过高能发光二极管的高精度控制实现更高的稳定性)、3dB耦合器、光探测器以及计算机和相应的接口部件。宽带光源发出的激光经过3dB耦合器后沿光纤传输到FBG传感器，有一部分光经过干涉后会沿着光纤反向传回，发射回来的光经过3dB耦合器被光探测器采集，反射回来的光的波长与FBG传感器所受到的应变和温度有唯一的对应关系，如公式(1)所示。因此，根据采集到的波长的变化，可以得到FBG传感器的应变或温度值。在温度变化较大情况下，单独的FBG温度传感器测量得到温度的值，然后消除温度的影响，通过公式(1)可得到FBG传感器(2)的应变值。

本实施例采用这样的方法进行的：将FBG传感器(2)安装弹性体中间位置，本发明中用到的弹性体(1)为铜质材料，尺寸为80mm长，3mm宽，0.3mm厚，然后将FBG传感器(2)用环氧树脂固定在弹性体的表面，FBG传感器通过光纤连接到光纤光栅信号处理器，采集、显示、计算和储存数据。测量时，将固定部件用环氧树脂固定在被测对象外表面，待固定部件完全固定好后，将本发明的FBG传感器(2)和弹性体(1)构成的传感部件安装于两个固定部件之间，通过光纤连接到光纤光栅信号处理器就可以得到本发明的局部位移测量装置的试验数据。通过增加弹性体的长度可以增加测量的量程；进一步的，如果增加弹性体的初始应变，可以提高循环加卸载试验时的测量精度。

本发明所设计的测试方法，没有涉及到电信号，所以在水环境中不存在短路问题，本方法还可应用于岩石、混凝土的局部小应变测试。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种局部位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(4)通过所述光纤光栅信号处理器测量FBG传感器的应变值，计算被测对象的局部位移Δ：

<mrow> <mi>&Delta;</mi> <mo>=</mo> <msup> <mi>L</mi> <mn>3</mn> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>&epsiv;</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mi>B</mi> <mi>G</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mi>&pi;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&pi;x</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>/</mo> <mi>L</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>,</mo> </mrow>

2.根据权利要求1所述的局部位移测量方法，其特征在于，所述FBG传感器安装在所述弹性体表面几何中心位置，到所述弹性体上下端面距离相同，构成应变传感部件，并根据下式计算被测对象的局部位移，

<mrow> <mi>&Delta;</mi> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>&epsiv;</mi> <mrow> <mi>F</mi> <mi>B</mi> <mi>G</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mi>&pi;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <msup> <mi>L</mi> <mn>3</mn> </msup> <mo>.</mo> </mrow>

3.根据权利要求1或2所述的局部位移测量方法，其特征在于，多个光纤光栅局部位移测量装置的应变传感部件以对称方式安装在被测对象表面上，以取均值方式计算出局部位移平均值。

4.根据权利要求1或2所述的局部位移测量方法，其特征在于，可通过调节弹性体初始应变和弹性体的长度，设定测量量程。

5.根据权利要求1或2所述的局部位移测量方法，其特征在于，可通过调节弹性体的厚度，调节测量灵敏度，弹性体越厚，灵敏度越高。

6.根据权利要求1或2所述的局部位移测量方法，其特征在于，所述光纤光栅信号处理器包括包括宽带光源、3dB耦合器和光探测器、接口部件和计算机，用以采集、接收、存储、显示FBG传感器的应变值。