CN106092393A - 一种传感光纤温敏补偿封装装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感光纤温敏补偿封装装置及运行方法，该装置包括载纤导连模块和温敏补偿模块，所述载纤导连模块中穿过第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤，载纤导连模块上设有固定第一传感光纤和第三传感光纤的内置固纤模块，第一传感光纤和第三传感光纤通过内置固纤模块固定后与第二传感光纤平行布置；所述第一传感光纤和第三传感光纤位于圆弧形壳体的上表面，第二传感光纤穿过温度补偿装置后固定在另一个载纤导连模块上。本发明可从监测层面上去除温度干扰影响、可较为真实地反映待测结构体内部应力应变性态的新型的监测装置，为真实监测实际工程的应力应变性态提供了重要的保障。

Description

一种传感光纤温敏补偿封装装置及运行方法

技术领域

本发明涉及一种传感光纤温敏补偿封装装置及运行方法，属于涉水工程、土木工程等安全健康监测领域。

背景技术

20世纪60年代，由于激光和光纤的发明，光纤技术取得了举世瞩目的成功，在光通信技术的推动下，各种光纤、器件、元件、仪器和机械设别等相关器件的研究与开发取得了巨大的进步，随着光纤应用研究不断地深入和传感技术不断地发展，光纤已经成为了一种不仅仅可以以高速率和大容量传送传感器获取的信息，并且其本身就可以做为传感元件，与传统的传感元件相比，光纤传感技术具有抗电磁干扰、抗化学腐蚀、抗辐射性能好、且本身不带电、体积小、质量轻、容易弯曲等优势。

自从1989年蒙德兹等首先将光纤传感器埋入混凝土结构体中进行结构安全监测以来，各国学者进一步推动了该技术在土木、水利工程中的应用，现在光纤传感技术已经在监控复合材料固化、结构无损检测、损伤监测、识别及评估方面取得了一些成果，对于点式的光纤传感技术而言，其监测精度高，但是并没有脱离最为传统的监测仪器的弊端，因此，分布式传感光纤技术得到了长足的发展，但是不管是点式光纤传感监测技术还是分布式传感光纤监测技术，在实际工作环境下单纯获取结构体的应力应变数值时，都逃脱不了结构体外界与内部温度的影响，当前很多温度补偿的方法极为粗简、且极不准确，在很多地方温度的影响却极为明显，因此，研制一种可实现温度补偿的传感光纤封装装置显得极为重要。

对于待测结构体而言，外界多复杂因素的干扰导致待测结构体表征出多种复杂的外部特征，且该外部信息为待测结构体内部信息的柔和体，根据所提取出来的外部信息，即使使用了很多先进的数据优化算法，但是对于内嵌在结构体内反映结构体各种信息也无法真实地进行分离与辨识，这就需要从监测装置出发，研究一种可以去除某些干扰因素的监测仪器设备。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种传感光纤温敏补偿封装装置及运行方法，可从监测层面上去除温度干扰影响、可较为真实地反映待测结构体内部应力应变性态的新型的监测装置，基于传感光纤的多种布设形式与方法，其最大程度地实现了多层级的互校正，为真实监测实际工程的应力应变性态提供了重要的保障。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种传感光纤温敏补偿封装装置，包括载纤导连模块和温敏补偿模块，所述载纤导连模块中穿过第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤，载纤导连模块上设有固定第一传感光纤和第三传感光纤的内置固纤模块，第一传感光纤和第三传感光纤通过内置固纤模块固定后与第二传感光纤平行布置；所述第一传感光纤和第三传感光纤位于圆弧形壳体的上表面，第二传感光纤穿过温度补偿装置后固定在另一个载纤导连模块上，第一传感光纤和第三传感光纤通过另一对内置固纤模块固定在载纤导连模块上。

作为优选，所述载纤导连模块包括光纤容载台、上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽、过渡载台段、上楔形载台段、下楔形载台段，其中，上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽从上到下依次布设于光纤容载台中，第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤依次固定在上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽中，光纤容载台通过过渡载台段与上楔形载台段、下楔形载台段连接。

作为优选，所述内置固纤模块包括上弧端紧固体、下弧端紧固体、锁纤螺纹柱、上横向螺纹控柱、下横向螺纹控柱、凸台和一对滑块，所述凸台位于上楔形载台段和下楔形载台段上，凸台与上横向螺纹控柱和下横向螺纹控柱活动连接，所述上横向螺纹控柱和下横向螺纹控柱分别与一对滑块螺纹连接，所述锁纤螺纹柱与其中一个滑块螺纹连接，所述下弧端紧固体与另一个滑块固定连接。

作为优选，所述圆弧形壳体包含三层，最外面一层为特种复合材料层，中间层为金属隔槽层，最里层为内层复合材料层。

作为优选，所述温度补偿装置包含一对弧复合材料体构成的椭球体，两个椭球体位于圆弧形壳体的两端，椭球体内设有第二传感光纤通过的第一通纤管，在两个椭球体之间设有复合材料制成的葫芦状的葫芦体，葫芦体内设有第二通纤管，第二传感光纤依次穿过第一通纤管、第二通纤管和另一个第一通纤管，椭球体和葫芦体均通过内支撑柱支撑在圆弧形壳体内。

作为优选，所述特种复合材料层与经过该材料的第一传感光纤，它们的热膨胀系数之差与第一传感光纤应变值的乘积，等于该光纤的温度系数；特种复合材料层与经过该材料的第三传感光纤，它们的热膨胀系数之差与该光纤应变值的乘积，等于第三传感光纤的温度系数。

作为优选，所述椭球体和葫芦体的复合热膨胀系数与通过对应段的第二传感光纤的热膨胀系数之差，与该对应段的第二传感光纤应变值的乘积，等于该对应段的第二传感光纤的温度系数值。

一种上述的传感光纤温敏补偿封装装置的运行方法，包括以下步骤：

第一步，配备三根待监测用的传感光纤作为第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤，制作圆弧形壳体，配备特种复合材料、内层复合材料、上半弧复合材料体、下半弧复合材料体，且要求特种复合材料层与通过这些材料的相应第一传感光纤和第三传感光纤，它们的热膨胀系数之差与对应段第一传感光纤和第三传感光纤的应变值乘积，等于该对应段第一传感光纤和第三传感光纤各自的温度系数；椭球体和葫芦体它们的复合热膨胀系数与通过对应段的第二传感光纤的热膨胀系数之差，与该对应段的第二传感光纤应变值的乘积，等于该对应段的第二传感光纤的温度系数值；

第二步，将第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤分别通过传感光纤温敏补偿封装装置初始端处光纤容载台上的上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽中，并且在上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽中分别注入胶水，将穿入传感光纤温敏补偿封装装置的三根传感光纤的初始端处进行固定，后将第一传感光纤和第三传感光纤以一定的弧度过渡到过渡载台段，将第二传感光纤水平拉直到第一通纤管和第二通纤管中，并且对第一通纤管和第二通纤管进行封装；

第三步，将第一传感光纤以与水平面夹角为60°的角度将第一传感光纤过渡到凸台中，且在凸台中注入胶水将第一传感光纤进行再次固定，分布在首尾两端的锁纤螺纹柱带动上弧端紧固体的运动，将第一传感光纤进行预拉应力的伸长固定，并且在圆弧形壳体中注入胶水将第一传感光纤布设到与其接触的特种复合材料层中；

第四步，重复第二步的操作，对第三传感光纤进行同样的布设，并将第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤通过传感光纤温敏补偿封装装置的末端处光纤容载台上的上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽处，且向上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽注入胶水，进而完成传感光纤温度不敏感化操作；

第五步，为了更加精确去除温度的干扰，将经过特种复合材料层处理过的第一传感光纤和第三传感光纤应变值取平均数，作为第一次获取的较为准确的传感光纤应变数值，后用第二传感光纤的应变值来校正第一传感光纤和第三传感光纤应变值的平均数，作为最终的去温度影响的传感光纤监测的应变数值。

在本发明中，椭球体由上半弧复合材料体和下半弧复合材料体组成，葫芦体由左弧复合材料体和右弧复合材料体构成，上半弧复合材料体和下半弧复合材料体以及左弧复合材料体和右弧复合材料体都处于内层复合材料和内撑柱之间的空腔中。

有益效果：本发明的传感光纤温敏补偿封装装置，通过载纤导连模块、内置固纤模块、温敏补偿模块的组装，并采用多层级的复合材料体结构形式，为温度补偿提供了基础，采用三通道同步互校正的方法最大化地实现了监测结果的高精度性，通过内置固纤模块和载纤导连模块实现了多位置处灵活布设与测试，其灵活性强、操作简单、使用便捷，在实际工程现场与室内外试验中都具有较好的应用潜力。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为1-1截面的结构示意图；

图3为2-2截面的结构示意图；

图4为3-3截面的结构示意图；

图5为图1中上弧端紧固体的细部结构图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本发明的一种传感光纤温敏补偿封装装置，包括载纤导连模块、内置固纤模块、温敏补偿模块。载纤导连模块包括长20cm、宽10cm、高5cm的光纤容载台100、开槽深度为2cm的上容纤槽104、开槽深度为2cm的中容纤槽105、开槽深度为2cm的下容纤槽106、长10cm、宽5cm、高3cm的过渡载台段107、与水平方向夹角为60°的上楔形载台段108和下楔形载台段109，其中，上容纤槽104、中容纤槽105、下容纤槽106从上到下依次布设于光纤容载台100中，光纤容载台100通过过渡载台段107与上楔形载台段108、下楔形载台段109连接，向上容纤槽104、中容纤槽105和下容纤槽106中灌注518瞬间胶将G.652D型号的第一传感光纤101、G.652D型号的第二传感光纤102和G.652D型号的第三传感光纤103固定在光纤容载台100中，第一传感光纤101与第三传感光纤103分别通过与水平面夹角为60°的上楔形载台段108与下楔形载台段109。

内置固纤模块包括厚度2cm的上弧端紧固体112、厚度2cm的下弧端紧固体118、直径1cm、长度4cm的锁纤螺纹柱113、长度5cm、直径1cm的上横向螺纹控柱114、长度5cm、直径1cm的下横向螺纹控柱115、凸台110和一对滑块111，所述凸台110位于上楔形载台段108和下楔形载台段109上，凸台110与上横向螺纹控柱114和下横向螺纹控柱115活动连接，上横向螺纹控柱114和下横向螺纹控柱115在凸台110上只能转动不能移动，所述上横向螺纹控柱114和下横向螺纹控柱115分别与一对滑块111螺纹连接，所述锁纤螺纹柱113与其中一个滑块111螺纹连接，所述下弧端紧固体118与另一个滑块111固定连接。通过转动上横向螺纹控柱114和下横向螺纹控柱115带动滑块111左右移动，拧动锁纤螺纹柱113带动锁纤螺纹柱113上下移动，从而带动上弧端紧固体112移动通过与下弧端紧固体118配合锁紧第一传感光纤101与第三传感光纤103。

温敏补偿模块包括长度40cm、高度4cm、外直径为15cm的圆弧形壳体116、特种复合材料层117、内层复合材料层127、金属隔槽层128、长度40cm、上半弧复合材料体129、下半弧复合材料体121、直径2cm、长度15cm的第一通纤管122、左弧复合材料123、右弧复合材料130、直径2cm、长度25cm的第二通纤管124、长度20cm的内撑柱131，其中圆弧形壳体116内配置有特种性能树脂基复合材料的特种复合材料层117，特种性能树脂基复合材料的特种复合材料层117紧邻铬材质的金属隔槽层128，金属隔槽层128的内侧紧邻特种性能树脂基复合材料的内层复合材料层127，内层复合材料层127通过内撑柱131与特种性能树脂基复合材料的上半弧复合材料体129和特种性能树脂基复合材料的下半弧复合材料体121连接，上半弧复合材料体129和下半弧复合材料体121组成椭球体，直径2cm、长度15cm的第一通纤管122处于上半弧复合材料体129和下半弧复合材料体121的中间位置处，特种性能树脂基复合材料的左弧复合材料123和特种性能树脂基复合材料的右弧复合材料130中间为直径2cm、长度25cm的第二通纤管124，左弧复合材料123和右弧复合材料130组成了葫芦体，特种性能树脂基复合材料的特种复合材料层117和与经过特种复合材料层117对应的G.652D型号第一传感光纤101、G.652D型号第三传感光纤103的热膨胀系数之差与该对应段第一传感光纤101和第三传感光纤103的应变值乘积等于该对应段第一传感光纤101和第三传感光纤103的温度系数。

内置固纤模块一共配置有四个，分别位于传感光纤温敏补偿封装装置初始端处，通过四个内置固纤模块可以调制固定G.652D型号的第一传感光纤101、G.652D型号的第三传感光纤103的位置，将对布设的第一传感光纤101和第三传感光纤103施加一定的预拉应力，铬材质的金属隔槽层128将特种性能树脂基复合材料的特种复合材料层117与特种性能树脂基复合材料的内层复合材料层127隔离分开，将内层复合材料层127以内的部分形成一个独立的结构体，第二传感光纤102首先通过上半弧复合材料体129和下半弧复合材料体121，后再通过左弧复合材料体123和右弧复合材料体130，上半弧复合材料体129和下半弧复合材料体121以及左弧复合材料体123和右弧复合材料体130都处于内层复合材料层127和内撑柱131之间的空腔中，且上半弧复合材料体129和下半弧复合材料体121、左弧复合材料体123和右弧复合材料体130和内层复合材料层127之间的复合热膨胀系数与通过该对应段的第二传感光纤102的热膨胀系数的插值与该对应段的第二传感光纤102应变值的乘积等于该对应段的第二传感光纤102的温度系数值。

一种传感光纤温敏补偿封装装置的运行方法的运行方法，包括以下步骤：

(1)构建及配备传感光纤及装配各模块

在需要去温度干扰的传感光纤段确定具体的监测范围及确定传感光纤温敏补偿封装装置的个数，根据本次所选定的待测水工混凝土结构体中，由于所处的温度范围值基本相似，以及根据监测的长度为1000m，且根据实际工程需要，确定5处需要布设的区域，每处的长度为2m，为更好地阐述具体的细节化的运行方法，仅对其中一处进行详细论述，其他处与本处方法一致，并且依据从左到右，从上到下的原则将传感光纤温敏补偿封装装置进行装配；

(2)引导及固定各不同位置处的第一传感光纤

将G.652D型号的第一传感光纤101分别通过上容纤槽104、过渡载台段107、凸台110、下弧端紧固体118、圆弧形壳体116，且通过对上容纤槽104和凸台110进行注胶，进行初始端固定，后通过调整下横向螺纹控柱115和上横向螺纹控柱114将上弧端紧固体112和下弧端紧固体118移动到靠近凸台110处，转动锁纤螺纹柱113对上弧端紧固体112进行预拉应力的设置；

(3)引导及固定各不同位置处的第二传感光纤和第三传感光纤

按照第二步的步骤形式，将第三传感光纤103以同样的操作方法布设到过渡载台段107、下楔形载台段109处，对于第二传感光纤102，主要是将其引至第一通纤管122和第二通纤管124中，并且对第一通纤管122和第二通纤管124进行封装；

(4)完成去温度干扰后的监测数值获取

由于所设置的特种复合材料层117、内层复合材料层127、上半弧复合材料体129、下半弧复合材料体121、左弧复合材料123、右弧复合材料130为具有特殊热膨胀系数的材料，通过构建了一系列多平行布设的传感光纤与不同材料之间的材料参数的差别，即可以消除温度的影响，又根据多级校准，通过使用第二传感光纤的应变值来校正第一传感光纤和第三传感光纤应变值的平均值，进而确立最可靠的无温度干扰的传感光纤监测应变的数值。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种传感光纤温敏补偿封装装置，其特征在于：包括载纤导连模块和温敏补偿模块，所述载纤导连模块中穿过第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤，载纤导连模块上设有固定第一传感光纤和第三传感光纤的内置固纤模块，第一传感光纤和第三传感光纤通过内置固纤模块固定后与第二传感光纤平行布置；所述第一传感光纤和第三传感光纤位于圆弧形壳体的上表面，第二传感光纤穿过温度补偿装置后固定在另一个载纤导连模块上，第一传感光纤和第三传感光纤通过另一对内置固纤模块固定在载纤导连模块上。

2.根据权利要求1所述的传感光纤温敏补偿封装装置，其特征在于：所述载纤导连模块包括光纤容载台、上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽、过渡载台段、上楔形载台段、下楔形载台段，其中，上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽从上到下依次布设于光纤容载台中，第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤依次固定在上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽中，光纤容载台通过过渡载台段与上楔形载台段、下楔形载台段连接。

3.根据权利要求2所述的传感光纤温敏补偿封装装置，其特征在于：所述内置固纤模块包括上弧端紧固体、下弧端紧固体、锁纤螺纹柱、上横向螺纹控柱、下横向螺纹控柱、凸台和一对滑块，所述凸台位于上楔形载台段和下楔形载台段上，凸台与上横向螺纹控柱和下横向螺纹控柱活动连接，所述上横向螺纹控柱和下横向螺纹控柱分别与一对滑块螺纹连接，所述锁纤螺纹柱与其中一个滑块螺纹连接，所述下弧端紧固体与另一个滑块固定连接。

4.根据权利要求3所述的传感光纤温敏补偿封装装置，其特征在于：所述圆弧形壳体包含三层，最外面一层为特种复合材料层，中间层为金属隔槽层，最里层为内层复合材料层。

5.根据权利要求4所述的传感光纤温敏补偿封装装置，其特征在于：所述温度补偿装置包含一对弧复合材料体构成的椭球体，两个椭球体位于圆弧形壳体的两端，椭球体内设有第二传感光纤通过的第一通纤管，在两个椭球体之间设有复合材料制成的葫芦状的葫芦体，葫芦体内设有第二通纤管，第二传感光纤依次穿过第一通纤管、第二通纤管和另一个第一通纤管，椭球体和葫芦体均通过内支撑柱支撑在圆弧形壳体内。

6.根据权利要求5所述的传感光纤温敏补偿封装装置，其特征在于：所述特种复合材料层与经过该材料的第一传感光纤，它们的热膨胀系数之差与第一传感光纤应变值的乘积，等于该光纤的温度系数；特种复合材料层与经过该材料的第三传感光纤，它们的热膨胀系数之差与该光纤应变值的乘积，等于第三传感光纤的温度系数。

7.根据权利要求6所述的传感光纤温敏补偿封装装置，其特征在于：所述椭球体和葫芦体的复合热膨胀系数与通过对应段的第二传感光纤的热膨胀系数之差，与该对应段的第二传感光纤应变值的乘积，等于该对应段的第二传感光纤的温度系数值。

8.一种如权利要求7所述的传感光纤温敏补偿封装装置的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，配备三根待监测用的传感光纤作为第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤，制作圆弧形壳体，配备特种复合材料和椭球体，且要求特种复合材料层与通过这些材料的相应第一传感光纤和第三传感光纤，它们的热膨胀系数之差与对应段第一传感光纤和第三传感光纤的应变值乘积，等于该对应段第一传感光纤和第三传感光纤各自的温度系数；椭球体和葫芦体它们的复合热膨胀系数与通过对应段的第二传感光纤的热膨胀系数之差，与该对应段的第二传感光纤应变值的乘积，等于该对应段的第二传感光纤的温度系数值；

第二步，将第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤分别通过传感光纤温敏补偿封装装置初始端处光纤容载台上的上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽中，并且在上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽中分别注入胶水，将穿入传感光纤温敏补偿封装装置的三根传感光纤的初始端处进行固定，后将第一传感光纤和第三传感光纤以一定的弧度过渡到过渡载台段，将第二传感光纤水平拉直到第一通纤管和第二通纤管中，并且对第一通纤管和第二通纤管进行封装；

第三步，将第一传感光纤以与水平面夹角为60°的角度将第一传感光纤过渡到凸台中，且在凸台中注入胶水将第一传感光纤进行再次固定，分布在首尾两端的锁纤螺纹柱带动上弧端紧固体的运动，将第一传感光纤进行预拉应力的伸长固定，并且在圆弧形壳体中注入胶水将第一传感光纤布设到与其接触的特种复合材料层中；

第四步，重复第二步的操作，对第三传感光纤进行同样的布设，并将第一传感光纤、第二传感光纤和第三传感光纤通过传感光纤温敏补偿封装装置的末端处光纤容载台上的上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽处，且向上容纤槽、中容纤槽、下容纤槽注入胶水，进而完成传感光纤温度不敏感化操作；

第五步，为了更加精确去除温度的干扰，将经过特种复合材料层处理过的第一传感光纤和第三传感光纤应变值取平均数，作为第一次获取的较为准确的传感光纤应变数值，后用第二传感光纤的应变值来校正第一传感光纤和第三传感光纤应变值的平均数，作为最终的去温度影响的传感光纤监测的应变数值。