CN105136041A - 一种基于fbg传感器的局部位移测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于布拉格光纤光栅传感器的测量局部位移的装置，包括FBG传感器、光纤、弹性体、光纤光栅信号处理器；工作状态下，当被测对象发生位移时，结构的变形会引起弹性体的变形，进而引起光纤光栅的变形，光纤光栅的变形可通过光纤光栅信号处理器得到，进一步通过公式可以反算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FBG传感器的局部位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种采用FBG传感器测量固体(如土体、岩石、混凝土等)表面局部位移的装置，特别涉及一种采用FBG传感器原理的局部位移的装置。

背景技术

传统的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，本发明的装置和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(FiberBraggGratingSensor,简称FBG传感器)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：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=\[1-p_e\]\·\mathrm{\ϵ}+(\mathrm{\α}+\mathrm{\ξ})\mathrm{\Δ}T\≅0.78\mathrm{\ϵ}+6.7\×{10}^{-6}\mathrm{\Δ}T---\left(1\right)$

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FBG传感器的局部位移测量装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是包括弹性体、FBG传感器、固定部件、光纤、光纤光栅信号处理器。

所述局部位移测量装置工作原理为FBG传感器安装于弹性体的表面，弹性体通过固定部件固定在被测对象的表面，被测对象的局部位移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：

$\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{M}{EI}---\left(2\right)$

其中，y为弹性体的扰度，x为沿着弹性体轴向方向的位置，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：

$\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}+\frac{P}{EI}y=0---\left(3\right)$

这是一个二阶齐次微分方程，通过解这个方程可以得到：

$y=c_{1}sin\sqrt{\frac{P}{EI}}x+c_{2}cos\sqrt{\frac{P}{EI}}x---\left(4\right)$

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 $c_{1}sin\sqrt{\frac{P}{EI}}l=0---\left(5\right)$

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

$c_1\sin \sqrt{\frac{P}{EI}}l=\mathrm{\π}---\left(6\right)$

将公式(5)和(6)代入到公式(4)中，可以得到

$y=c_{1}sin\frac{\mathrm{\π}x}{l}---\left(7\right)$

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：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}={\∫}_0^l\sqrt{1+{\left(dy/dx\right)}^2}-l\\ \≈{\∫}_0^l\[1+\frac{1}{2}{\left(dy/dx\right)}^2\]dx-l\\ =\frac{1}{2}{\∫}_0^l{\left(dy/dx\right)}^{2}dx\end{array}---\left(8\right)$

将公式(7)代入到公式(8)中，可以得到

Δ＝(c₁π)²/(4l)或 $c_1=2\sqrt{l\mathrm{\Δ}}/\mathrm{\π}---\left(9\right)$

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：

$d^{2}y/{\mathrm{dx}}^2=-a{\left(\frac{\mathrm{\π}}{l}\right)}^{2}sin\left(\frac{\mathrm{\π}x}{l}\right)---\left(11\right)$

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：

${\mathrm{\ϵ}}_{FBG}=\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}}{l}}\left(\frac{\mathrm{\π}t}{l}\right)sin({\mathrm{\πx}}_0/l)---\left(15\right)$

进一步可变换为：

$\mathrm{\Δ}=l^3{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{FBG}}{\mathrm{\π}t}\right)}^2{\left(\frac{1}{sin({\mathrm{\πx}}_0/l)}\right)}^2---\left(16\right)$

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传感器中心位置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：

$\mathrm{\Δ}={\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{FBG}}{\mathrm{\π}t}\right)}^2{l}^3---\left(17\right)$

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装置，包括弹性体、FBG传感器、光纤、光纤光栅信号处理器；其特征在于：

其中，所述弹性体是长方体或矩形片状具有弹性的金属材料制成；

所述FBG传感器安装在所述弹性体表面纵向中轴线上，构成应变传感部件，其FBG传感器通过光纤连接光纤光栅信号处理器；

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，并根据下式计算被测对象的局部位移，

$\mathrm{\Δ}=l^3{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{FBG}}{\mathrm{\π}t}\right)}^2{\left(\frac{1}{sin({\mathrm{\πx}}_0/l)}\right)}^2,$

其中，ε_FBG为FBG传感器的应变变化值，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；

工作中，将应变传感部件两端通过固定部件安装到被测对象部位，对FBG传感器的应变进行监测，由光纤光栅信号处理器根据FBG传感器的应变变化值计算出局部位移。所述固定部件由强度高、比重低的材料制成，固定在被测对象表面，其安装位置，可以根据弹性体尺寸和被测对象的尺寸进行调节。

进一步的，所述的局部位移测量装置中，所述FBG传感器安装在所述弹性体表面几何中心处，到弹性体上下端面距离相同，构成局部位移测试部件，并根据下式计算被测对象的局部位移，

$\mathrm{\Δ}={\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{FBG}}{\mathrm{\π}t}\right)}^2{l}^3.$

进一步的，所述的局部位移测量装置中，FBG传感器通过胶贴方式安装在弹性体表面。

进一步的，所述的局部位移测量装置，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，所述的局部位移测量装置，通过调节弹性体的厚度来调节测量灵敏度，弹性体越厚，灵敏度越高。

本发明的优点在于：1、能够解决三轴试样局部位移的精密测量问题，满足小应变的测量需求。2、测量精度高，安全性好，装置简单。3、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FBG的局部位移测量装置示意图；

图2为本发明的固定部件的结构示意图；

图3为本发明的光纤光栅信号处理器的结构简图。

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、6-被测对象(土体)。

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1示，本实施例中，该局部位移测量装置包括铜质弹性体(1)，FBG传感器(2)，固定部件(3)，光纤(4)和光纤光栅信号处理器(5)；被测对象(6)为土体。

本实施例装置是采用这样的方法制作的：选用FBG传感器，波长在1510nm-1590nm之间，将FBG传感器安装铜质弹性体表面几何中心位置，安装之前，铜质弹性体表面需要做抛光处理，使其表面洁净，然后将FBG传感器用环氧树脂保护封装，FBG传感器安装时需将FBG传感器拉直并施加一定的预应变，FBG传感器通过光纤连接到光纤光栅信号处理器，采集、储存数

据，并计算和显示测量结果。试验时，将固定部件首先固定在被测对象外表面，待固定部件完全固定好后，将本发明的局部位移测量装置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采集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。

如图2示，本实施例所设计的固定部件(3)，选用强度高、质量轻的金属材料，如铝材、铜、不锈钢等，将所选材料按如图所示的尺寸加工，制作好的固定装置通过固定在被测对象表面。所述的固定部件(3)的安装位置之间的距离略小于弹性体的长度(通常小于1mm～2mm)，以提供初始应变值。

如图3所示，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、3dB耦合器、光探测器和计算机及接口部件。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。在温度恒定的情况下，可直接通过FBG传感器得到弹性体的应变；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，然后进行温度补偿，通过公式(1)可得到应变值。

本发明所设计的测量装置，没有涉及到电信号，所以在水下和潮湿环境中不存在短路问题，本装置还可应用于钢铁、木材、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 (5)

1.一种局部位移测量装置，包括弹性体(1)、FBG传感器(2)、光纤(4)、光纤光栅信号处理器(5)；其特征在于：

其中，所述弹性体(1)是长方体或矩形片状具有弹性的金属材料制成；

所述FBG传感器(2)安装在所述弹性体(1)表面纵向中轴线上，构成应变传感部件，其FBG传感器(2)通过光纤(4)连接光纤光栅信号处理器(5)；

所述光纤光栅信号处理器(5)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(2)的应变值，并根据下式计算被测对象的局部位移，

$\mathrm{\Δ}=l^3{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{FBG}}{\mathrm{\π}t}\right)}^2{\left(\frac{1}{sin({\mathrm{\πx}}_0/l)}\right)}^2,$

其中，ε_FBG为FBG传感器的应变变化值，l和t分别为所述弹性体(1)的长度和厚度，x₀为所述FBG传感器(2)的坐标，该坐标以弹性体下端部为基准；

工作中，将应变传感部件两端通过固定部件安装到被测对象部位，对FBG传感器(2)的应变进行监测，由光纤光栅信号处理器(5)根据FBG传感器(2)的应变变化值计算出局部位移。

2.根据权利要求1所述的局部位移测量装置，其特征在于，所述FBG传感器(2)安装在所述弹性体(1)表面几何中心处，到弹性体上下端面距离相同，构成局部位移测试部件，并根据下式计算被测对象的局部位移，

$\mathrm{\Δ}={\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{FBG}}{\mathrm{\π}t}\right)}^2{l}^3.$

3.根据权利要求1或2所述的局部位移测量装置，其特征在于，所述的FBG传感器(2)通过胶贴方式安装在弹性体(1)表面。

4.根据权利要求1或2所述的局部位移测量装置，其特征在于，可通过调节弹性体(1)初始应变和弹性体(1)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装置，其特征在于，可通过调节弹性体(1)的厚度，调节测量灵敏度，弹性体(1)越厚，灵敏度越高。