CN105738407B - 锚杯热膨胀系数检测方法和检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锚杯热膨胀系数检测方法，所述检测方法包括以下步骤：步骤1：选取若干组光纤光栅传感器，每组包括一个光纤光栅应变计和一个光纤光栅温度计；步骤2：将所述应变计、温度计和锚杯按不同组合方式放入水浴温度箱内；步骤3：每种组合方式下，在升温前纪录所述应变计和温度计的波长值；步骤4：升温直至达到60℃，每变换2～3℃测量一次所述应变计和温度计的波长值，并记录；步骤5：根据步骤4的测量值，计算得出不同组合方式下应变计或锚杯的热膨胀系数。

Description

锚杯热膨胀系数检测方法和检测装置

技术领域

本发明涉及一种锚杯热膨胀系数检测方法，用于提高钢索索力测量的精确度、光纤光栅传感器使用精确度、以及检测不同传感器之间的差异。本发明还涉及一种锚杯热膨胀系数检测装置。

背景技术

在大型建筑结构中为了监测结构安全性，经常用到光纤光栅传感器，有光纤光栅温度计和光纤光栅应变计。

例如中国发明专利“FAST射电望远镜健康监测方法，201510080202.6”和“FAST射电望远镜健康监测系统,201510080869.6”中，为了监测望远镜圈梁和格构柱的安全，均需要使用监测传感器。

为了监测FAST射电望远镜主索网的工况，也需要在主索锚杯处设置监测传感器。

在研究光纤光栅应变计用于钢索索力测量的方法时，需要使用到锚杯的实际热膨胀系数。传感器自身已经有标定的修正系数，锚杯的热膨胀系数在材质的牌号标准中已经列出，但是在研究方法中如果直接选取这些系数，这种方法有两个弊端：

其一，钢索索头锚杯中具有复合材料，其实际热膨胀系数与锚杯材质的标准热膨胀系数不同；

其二，将光纤光栅应变计连接到锚杯上时，其自身的热膨胀系数可能会受到锚杯的影响而产生差异。

不同的监测传感器灵敏度不同，不同规格的锚杯热膨胀系数也有差异，为了获得监测传感器置于锚杯上之后的性能变化情况，也为了获得不同规格的锚杯与监测传感器组合后的性能差异，需要比较不同规格锚杯下传感器之间的差异化。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种锚杯热膨胀系数检测方法，还提供一种锚杯热膨胀系数检测装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

锚杯热膨胀系数检测方法，所述检测方法包括以下步骤：

步骤1：选取若干组光纤光栅传感器，每组包括一个光纤光栅应变计和一个光纤光栅温度计；

步骤2：将所述应变计、温度计和锚杯按不同组合方式放入水浴温度箱内；

步骤3：每种组合方式下，在升温前纪录所述应变计和温度计的波长值；

步骤4：升温直至达到60℃，每变换2～3℃测量一次所述应变计和温度计的波长值，并记录；

步骤5：根据步骤4的测量值，计算得出不同组合方式下应变计或锚杯的热膨胀系数。

进一步，所述步骤2中包括以下组合方式：

状态1：将每组传感器中的所述应变计和温度计捆绑在一起直接放入水浴温度箱内；

状态2：将每组传感器中的所述应变计安装在4孔锚杯上，所述温度计捆绑在应变计上，一起放入水浴温度箱内；

状态3：将每组传感器中的所述应变计安装在6孔锚杯上，所述温度计捆绑在应变计上，一起放入水浴温度箱内。

进一步，所述传感器通过螺钉拧紧固定在锚杯连接座上。

进一步，所述步骤5中计算方式如下：

1)被测物体由于温度变化引起的应变，加上荷载变化引起的应变：

总和计算如下：

公式1:ε总＝K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)

2)仅因荷载变化引起的应变：

公式2:ε＝K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)-α×ΔT

上式中：

ε总——为应变量,单位με；

ε——为应变量,单位με；

K——为应变计应变系数，单位με/nm；

B——为传感器温度修正系数,单位με/nm；

λ1——为应变光栅当前的波长值，单位nm；

λ0——为应变光栅初始的波长值，单位nm；

λt1——为温补光栅当前的波长值，单位nm；

λt0——为温补光栅初始的波长值，单位nm；

α——为被测物体热膨胀系数，单位με/℃；

ΔT＝100×(λt1-λt0)，单位℃；

利用公式2反推出α：

公式3：α＝{K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)-ε}/{100×(λt1-λt0)}。

进一步，所述光纤光栅应变计仅受到锚杯温度变化引起的应变，因荷载变化引起的应变为零，即ε＝0。

进一步，所述锚杯材质采用40Cr，4孔锚杯和6孔锚杯直径不等。

上述锚杯热膨胀系数检测方法中使用的检测装置，包括水浴温度箱和光纤光栅调节仪，所述光纤光栅调节仪与待测光纤光栅传感器连接，测量所述波长值。

进一步，所述水浴温度箱设置有箱体和箱盖，箱体内设置有加热装置，利用水介质加热待测光纤光栅传感器和锚杯。

采用上述技术手段的锚杯热膨胀系数检测方法，具有以下优点：

本方法通过水浴温度试验，测得锚杯准确的相对热膨胀系数值，提升了光纤光栅应变计测量索力法的精度。

本方法能够准确地检测出性能合格的监测传感器，也可以获得性能相近的监测传感器。

当光纤光栅应变计安装到不同规格的锚具时，热膨胀系数是有区别的，不能完全按照实验室标定的那个数据用，本发明方法能对这个参数进行修正，提高测量精度。

附图说明

图1为温度计状态1曲线图；

图2为温度计状态2曲线图；

图3为温度计状态3曲线图；

图4为应变计状态1曲线图；

图5为应变计状态2曲线图；

图6为应变计状态3曲线图；

图7为第一组3种状态下变化曲线图；

图8为第二组3种状态下变化曲线图；

图9为第三组3种状态下变化曲线图；

图10为钢索索头的立体图。

图中：1.主索；2.锚杯；3.连接座。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达到预定技术目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图和较佳实施例，对本发明的结构、特征以及功效详细说明如后。

一、实验目的

1、分析光纤光栅温度计之间是否存在差异；

2、分析光纤光栅应变计之间是否存在差异；

3、分析主索锚杯热膨胀对光纤光栅应变计的影响，并分析计算出锚杯的热膨胀系数。

二、试验设备

表1试验设备

序号	名称	型号	数量	备注
					1	水浴温度箱		1台
2	光纤光栅解调仪	BSTL-GS603-16	1台
					3	光纤光栅应变计传感器	BSTL-GS201	3支
4	光纤光栅温度计传感器	BSTL-GS100	3支
					5	四孔锚杯		3个
6	六孔锚杯		3个

三、试验步骤

1.选取三组光纤光栅传感器，每组一个光纤光栅应变计和一个光纤光栅温度计。

2.将三组光纤光栅传感器按三种状态放入水浴温度箱内：

状态1：将每组传感器中的光纤光栅应变计和光纤光栅温度计捆绑在一起直接放入水浴温度箱内；

状态2：将每组传感器中的光纤光栅应变计安装在4孔锚杯上(如图10所示，用螺钉拧紧固定在连接座3上，并非焊接在连接座3上)，光纤光栅温度计捆绑在应变计上，一起放入水浴温度箱内；

状态3：将每组传感器中的光纤光栅应变计安装在6孔锚杯上(如图10所示，用螺钉拧紧固定在连接座3上，并非焊接在连接座3上)，光纤光栅温度计捆绑在应变计上，一起放入水浴温度箱内。

4孔锚杯和6孔锚杯都是主索网上常用的锚杯型号。

3.每种状态下，在升温前纪录光纤光栅应变计和光纤光栅温度计的波长值；

4.升温直至达到60℃，每2～3℃变换测量一次光纤光栅应变计和光纤光栅温度计的波长值，并记录。

四、试验数据

1、传感器未安装于锚杯(状态1)试验数据三组传感器未安装于锚杯(状态1)试验数据如表2、3、4所示：

表2第一组状态1试验数据

表3第二组状态1试验数据

表4第三组状态1试验数据

2、传感器安装于四孔锚杯(状态2)试验数据三组传感器安装于四孔锚杯(状态2)试验数据如表5、6、7所示：

表5第一组状态2试验数据

表6第二组状态2试验数据

表7第三组状态2试验数据

3、传感器安装于六孔锚杯(状态3)试验数据三组传感器安装于六孔锚杯(状态3)试验数据如表8、9、10所示：

表8第一组状态3试验数据

表9第二组状态3试验数据

表10第三组状态3试验数据

五、数据分析

1、在三种状态下，从初始温度升温至60℃后，每组光纤光栅温度计波长值变化量如表11所示，三种状态下变化曲线图如图1、2、3所示。

表11波长值变化量

分析：根据以上数据及图形可以看出，在三种状态下，三组温度计的变化趋势和变化量基本一致，即温度计与温度计之间并不存在明星差异。

2、在三种状态下，从初始温度升温至60℃后，每组光纤光栅应变计波长值变化量如表12所示，三种状态下变化曲线图如图4、5、6所示。

表12波长值变化量

分析：根据以上数据及图形可以看出，在三种状态下，第一组和第二组的应变计变化量基本一致，第三组与其他两组相比变化量偏大；应变计的变化趋势并不一致，即应变计与应变计之间存在差异。

3、利用SOIL公司提供的计算公式，计算得出在三种状态下应变计或锚杯的热膨胀系数，计算过程如下。

应变计算公式：

1)被测物体由于温度变化引起的应变，加上荷载变化引起的应变总和计算如下(当应变计没有安装到锚杯上时，被测物体是应变计本身，α即应变计的热膨胀系数；当应变计安装到锚杯上时，被测物体是锚杯，α即锚杯的热膨胀系数)：

公式1:ε总＝K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)

2)仅因荷载变化引起的应变：

公式2:ε＝K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)-α×ΔT

上式中：

ε总——为应变量,单位με；

ε——为应变量,单位με；

K——为应变计应变系数(με/nm)；该系数是传感器出厂标定的系数；

B——为传感器温度修正系数,单位(με/nm)；该系数是传感器出厂标定的系数；

λ1——为应变光栅当前的波长值(nm)；

λ0——为应变光栅初始的波长值(nm)；

λt1——为温补光栅当前的波长值(nm)；

λt0——为温补光栅初始的波长值(nm)；

α——为被测物体热膨胀系数，单位取(με/℃)；

ΔT＝100×(λt1-λt0)，单位取℃。

利用公式2反推出α：

公式3：α＝(K(λ1-λ0)+B(λt1-λt0)-ε)/(100×(λt1-λt0))

由于试验中光纤光栅应变计仅受到锚杯温度变化引起的应变，因荷载变化引起的应变为零，即ε＝0。现已知ε、K、B值如表13所示，将所测波长值代入公式3，既可求得α，各组α均值如表14所示；每组传感器在三种状态下的曲线图如图7、8、9所示。

表13各组K、B值

表14各组α均值(热膨胀系数)

με/℃	无孔	四孔	六孔
				第一组	9.10864127	9.377804957	8.840252883
第二组	9.825442763	10.13492021	9.258296558
				第三组	12.87333401	11.23505276	11.46092097

分析：根据以上数据及图形可以看出，三组应变计传感器在安装于六孔和四孔锚杯的状态下，变化趋势基本一致；在未安装于锚杯状态下(无孔)的变化趋势与安装于锚杯上的状态有所偏离，即锚杯的热胀冷缩对应变计的测值有影响；根据计算得出的热膨胀系数表看出，每组应变计的热膨胀系数并不一致，且计算得出的锚杯热膨胀系数也并不一致，于9～12με/℃之间浮动。

FAST项目主索锚杯所用材料为40Cr，根据《最新金属材料牌号、性能、用途及中外牌号对照速用速查实用手册》得出40Cr材料线膨胀系数表，如表15所示。

表15 40Cr线膨胀系数

线膨胀系数：固体物质的温度每改变1℃时，其长度的变化和它在原温度时长度的比值。

微应变：表示长度相对变化量。

根据胡克定律可以得出：微应变με＝线膨胀系数×温度；所以40Cr材料的线膨胀系数与前面所求α为同一系数。(注：根据查找得到的资料显示，金属材料膨胀系数温度范围皆从20℃起计算，且为该温度范围内的平均系数，20℃以下无参考系数)

上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.锚杯热膨胀系数检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

步骤1：选取若干组光纤光栅传感器，每组包括一个光纤光栅应变计和一个光纤光栅温度计；

步骤2：将所述应变计、温度计和锚杯按不同组合方式放入水浴温度箱内；

步骤3：每种组合方式下，在升温前纪录所述应变计和温度计的波长值；

步骤4：升温直至达到60℃，每变换2～3℃测量一次所述应变计和温度计的波长值，并记录；

步骤5：根据步骤4的测量值，计算得出不同组合方式下应变计或锚杯的热膨胀系数；

所述步骤2中包括以下组合方式：

状态1：将每组传感器中的所述应变计和温度计捆绑在一起直接放入水浴温度箱内；

状态2：将每组传感器中的所述应变计安装在4 孔锚杯上，所述温度计捆绑在应变计上，一起放入水浴温度箱内；

状态3：将每组传感器中的所述应变计安装在6 孔锚杯上，所述温度计捆绑在应变计上，一起放入水浴温度箱内；

所述步骤5中计算方式如下：

1) 被测物体由于温度变化引起的应变，加上荷载变化引起的应变：

总和计算如下：

公式1 :ε总=K(λ1-λ0)+B（λt1-λt0 ）

2) 仅因荷载变化引起的应变：

公式2 :ε =K(λ1-λ0)+B（λt1-λt0）-α×ΔT

上式中：

ε总——为应变量,单位με；

ε——为应变量,单位με；

K——为应变计应变系数，单位με/nm ；

B——为传感器温度修正系数,单位με/nm；

λ1—— 为应变光栅当前的波长值，单位nm；

λ0——为应变光栅初始的波长值，单位nm；

λt1——为温补光栅当前的波长值，单位nm；

λt0——为温补光栅初始的波长值，单位nm；

α——为被测物体热膨胀系数，单位με/℃；

ΔT=100×（λt1-λt0），单位℃；

利用公式2 反推出α：

公式3：α=｛K(λ1-λ0)+B（λt1-λt0）-ε｝/｛100×（λt1-λt0）｝；

所述光纤光栅应变计仅受到锚杯温度变化引起的应变，因荷载变化引起的应变为零，即ε=0。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述传感器通过螺钉拧紧固定在锚杯连接座上。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述锚杯材质采用40Cr，4 孔锚杯和6孔锚杯直径不等。

4.权利要求1-3任一项所述锚杯热膨胀系数检测方法中使用的检测装置，包括水浴温度箱和光纤光栅调节仪，所述光纤光栅调节仪与待测光纤光栅传感器连接，测量所述波长值。

5.如权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述水浴温度箱设置有箱体和箱盖，箱体内设置有加热装置，利用水介质加热待测光纤光栅传感器和锚杯。