CN106441652A - 避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置及方法，其锚杆测试装置包括中空圆柱体结构的外部套管，外部套管的两端分别与左连接体、右连接套螺纹连接，左连接体包括左连接套、应变基座、应变传递体和温度基座，所述左连接套、应变传递体分别与外部套管螺纹连接，应变基座、应变传递体和温度基座位于外部套管的内腔中，温度基座悬空放置，应变基座内设置有测量光栅，温度基座内设置有参考光栅。本发明利用温度—应变处理结构，对温度结果进行补偿，解决了光纤光栅锚杆测量中温度与应变交叉敏感的问题，以及在参考光栅处锚杆形变无法测量的问题，对应变测量精度更高，具有响应速度快、抗干扰能力强、安装空间小、可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅锚杆测量领域，具体的来说，是指一种避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置及方法。
背景技术
随着光纤光栅技术的发展，光纤光栅锚杆的应用也愈加广泛，其传输采用光作为信息载体，在其传输过程中，与电信号无直接的联系。在一些电信号无法到达的环境，如电磁干扰、强辐射、易燃易爆、强腐蚀性的环境中有较为理想的效果。被广泛地应用于民用工程、航空、船舶、电力、石油、建筑物结构健康监测，光纤光栅锚杆与其他传统的液压式、电测式传感器相比，更安全、稳定性更好、测量精度更高。而利用分布式光纤传感技术，能够实现对大面积检测区域的网络式布设，从而得到结构内部应力场分布随时间的变化情况，而且可以实现全天无人值守环境下的远距离监控。
目前，采用光纤光栅锚杆进行检测的技术已趋于成熟。然而，在用锚杆进行检测时，光纤光栅反射光波长在其所在环境的温度发生变化时，由于热光效应和热膨胀作用，会发生相应改变。而光纤光栅对温度和应变同时敏感，这种交叉敏感现象使光纤光栅锚杆在测量时，不能区分应变和温度各自的变化量，导致光纤光栅锚杆在测量时的精确度很难提高。
有一些专利涉及采用锚杆结构来解决光纤光栅锚杆对温度与应变交叉敏感问题：例如，在中国专利《一种温度自补偿光纤光栅锚杆测力环》(申请号：2013201368007)中，由于锚杆弯曲使处于其上下表面的两个光纤光栅波长产生反向漂移，而温度变化引起量光栅变化方向一致，故采用锚杆上下两侧的光栅波长差作为检测信号，有效消除温度变化的影响，但其采用的温度补偿方法仅适用于锚杆在上下两个方向处的弯曲，而对其他情况下的弯曲无法检测。在中国专利《光纤光栅腐蚀传感器》(申请号：2013102048015)中，其在锚杆根部布设传感器，首先制作水泥灌浆垫层，预留出保护温度补偿光栅的钢管，并在锚杆上粘贴一个光纤光栅传感器，对纵向应力的影响进行修正，构成整个温度补偿单元。但其温度补偿仅限于在锚杆无应变或者只有纵向应力的情况下，对于锚杆弯曲时，温度补偿光栅会随之弯曲，而应力修正光纤光栅与温度补偿光栅的位置不对称，无法对温度补偿光栅的应力影响进行修正。
发明内容
本发明的目的是针对光纤光栅锚杆温度和应变交叉敏感的问题，而提出的一种响应速度快、抗干扰能力强、安装空间小、可靠性高的避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置及方法，光纤光栅在整个锚杆形变时不受应变影响，能有效的区分测量时的温度与应变，在不降低测量范围的前提下，提高测量的精度。
为实现上述目的，本发明所设计的一种避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置，包括中空圆柱体结构的外部套管，其特殊之处在于，所述外部套管的两端分别与左连接体、右连接套螺纹连接，所述左连接体包括左连接套、应变基座、应变传递体和温度基座，所述左连接套、应变传递体分别与外部套管螺纹连接，所述应变基座、应变传递体和温度基座位于外部套管的内腔中，所述温度基座悬空放置，所述应变基座内设置有测量光栅，所述温度基座内设置有参考光栅。
进一步地，所述锚杆测试装置为若干个，前一个锚杆测试装置的右连接套与后一个锚杆测试装置的左连接体通过螺纹串接。由于在实际测量过程中，单根锚杆长度有限，无法进行大面积测量。首先，多个锚杆测试装置可以通过双侧连接套将多根光纤光栅锚杆进行串行连接，进而构成分布式光纤光栅锚杆传感网络。根据每根光纤光栅锚杆传回的中心波长信息，得到整个检测区域的变化情况。其次，区域面积增大，区域各部分温度分布不均匀，多个空腔结构可以测量多个点的温度变化情况，对不同地点的光纤光栅锚杆的测量结果进行不同的处理。提高了大面积监测时的准确性。
更进一步地，所述测量光栅和参考光栅的光栅尾纤通过外部套管右部上端的通孔引出。多个锚杆测试装置通过光栅尾纤引出光纤跳线，准确测量多个点的温度变化情况。
一种根据上述避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆的测试方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：
1)引出测量光栅和参考光栅的光纤跳线，接入解调仪中，测量得到测量光栅与参考光栅的中心波长值，由于是相同值，记为λ1；
2)使锚杆结构发生形变，通过解调仪，得到参考光栅与测量光栅的新的中心波长值，分别记为λ2、λ3；
则所述锚杆结构形变引起波长变化为：(λ3-λ1)-(λ2-λ1)，温度变化引起的波长变化为：λ2-λ1；
4)根据所述结构形变引起波长变化和温度变化引起的波长变化计算所述锚杆结构的结构温度变化ΔT和结构应变ε。
优选地，所述锚杆结构的结构温度变化ΔT的计算公式为其中为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数。
优选地，所述锚杆结构的结构应变ε的计算公式为ε＝[(λ3-λ1)-(λ2-λ1)]/[λ3(1-Pe)]，其中，Pe为有效弹光系数。
本设计通过利用温度补偿的方法，对测量的结果补偿。设计出温度——应变处理结构，解决了光纤光栅锚杆测量过程中应力温度交叉敏感的问题，同时采用串联式锚杆——空腔结构，构成分布式传感网络，提高了测量的精度。
本发明的优点在于：相较于其他传统的区分应变温度的结构，本发明利用温度——应变处理结构，对温度的结果进行补偿。结构简单，解决了普通光纤光栅锚杆测量中温度与应变交叉敏感的问题，以及在参考光栅处锚杆形变无法测量的问题，对应变测量精度更高。
附图说明
图1为本发明避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置的主视结构图；
图2为图1中左连接体结构主视图；
图3为图1中外部套管结构主视图；
图4为图1中右连接套结构主视图；
图中：左连接体1(其中：左连接套1-1，应变基座1-2，应变传递体1-3，温度基座1-4)，外部套管2，测量光栅3，参考光栅4，光栅尾纤5，右连接套6。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1～4所示，本发明一种避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置，包括中空圆柱体结构的外部套管2，外部套管2的两端分别与左连接体1、右连接套6螺纹连接，左连接体1包括左连接套1-1、应变基座1-2、应变传递体1-3和温度基座1-4，左连接套1-1、应变传递体1-3分别与外部套管2螺纹连接，应变基座1-2、应变传递体1-3和温度基座1-4位于外部套管2的内腔中，温度基座1-4悬空放置，应变基座1-2内设置有测量光栅3，温度基座1-4内设置有参考光栅4。测量光栅3和参考光栅4的光栅尾纤5通过外部套管2右部上端的通孔引出。外部套管2管壁上留有通孔并接有外连管。通孔和外连管的作用是用于光栅尾纤5的引出，以便于其他锚杆结构进行串接。外部套管2内圈为螺纹结构，以便安装左连接体1和右连接套6。
如图2所示，左连接体1包括左连接套1-1、应变基座1-2、应变传递体1-3和温度基座1-4，其构成一个整体。左连接体1通过左连接套1-1和应变传递体1-3上的螺纹装配在外部套管2内，应变基座1-3的两端分别为左连接套1-1和应变传递体1-3，外部套管2发生形变时通过左连接套1-1和应变传递体1-3把应变传递到应变基座上1-2，应变传递体的另一端为温度基座1-4，温度基座1-4在外部套管3内悬空放置，以消除应变对温度的影响。应变基座1-2内布置有测量光栅3,温度基座1-4包裹参考光栅4。
左连接体1通过左连接套1-1和应变传递体1-3上的螺纹装配在外部套管2内，应变基座1-3的两端分别为左连接套1-1和应变传递体1-3，外部套管2发生形变时通过左连接套1-1和应变传递体1-3把应变传递到应变基座1-2上，应变传递体1-3的另一端为温度基座1-4，温度基座1-4在外部套管2内悬空放置，以消除应变对温度的影响。中心波长相同的测量光栅3和参考光栅4分别放置于应变基座1-3与温度基座1-4内，并串接。外部套管2强度大小与锚杆结构相同，保证其在受应力作用时形变量与锚杆相同。
应变基座1-2的两端分别为左连接套1-1和应变传递体1-3，外部套管2发生形变时通过左连接套1-1和应变传递体1-3把应变传递到应变基座1-2上，应变基座1-2内布置有测量光栅3。
温度基座1-3包裹参考光栅4，在整个系统形变时不受应力影响，使参考光栅4中心波长相对偏移量仅受温度影响。
利用上述避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置的测试方法，包括如下步骤：
1)引出测量光栅3和参考光栅4的光栅尾纤5的跳线，接入解调仪中，测量得到测量光栅3与参考光栅4的中心波长值，由于是相同值，记为λ1；由于热胀系数相同，因而参考光栅4的温度敏感系数与其他光栅相同，在未受到应变影响时，参考光栅4的中心波长偏移量不变，参考光栅4和测量光栅3由于中心波长相同，只产生一个反射信号。
2)使锚杆结构发生形变，通过解调仪，得到参考光栅3与测量光栅4的新的中心波长值，分别记为λ2、λ3；当光纤光栅锚杆受到应力作用，锚杆结构产生形变，置于其内部的温度基座1-4无形变，参考光栅3与测量光栅4中心波长偏移不同，产生两个反射信号λ2、λ3。
则锚杆结构形变引起波长变化为：(λ3-λ1)-(λ2-λ1)，温度变化引起的波长变化为：λ2-λ1；
4)根据结构形变引起波长变化和温度变化引起的波长变化计算所述锚杆结构的结构温度变化ΔT和结构应变ε。
假定参考光栅3与测量光栅4的波长漂移分别为Δλ1和Δλ2，那么这两个反射波长可以表示为：
式中，为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数，Pe为有效弹光系数，这样就能把温度和应变区分开来。
则锚杆结构的结构温度变化ΔT的计算公式为 其中为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数。
锚杆结构的结构应变ε的计算公式为ε＝[(λ3-λ1)-(λ2-λ1)]/[λ3(1-Pe)]，其中，Pe为有效弹光系数。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (6)
1.一种避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置，包括中空圆柱体结构的外部套管(2)，其特征在于：所述外部套管(2)的两端分别与左连接体(1)、右连接套(6)螺纹连接，所述左连接体(1)包括左连接套(1-1)、应变基座(1-2)、应变传递体(1-3)和温度基座(1-4)，所述左连接套(1-1)、应变传递体(1-3)分别与外部套管(2)螺纹连接，所述应变基座(1-2)、应变传递体(1-3)和温度基座(1-4)位于外部套管(2)的内腔中，所述温度基座(1-4)悬空放置，所述应变基座(1-2)内设置有测量光栅(3)，所述温度基座(1-4)内设置有参考光栅(4)。
2.根据权利要求1所述的避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置，其特征在于：所述锚杆测试装置为若干个，前一个锚杆测试装置的右连接套(6)与后一个锚杆测试装置的左连接体(1)通过螺纹串接。
3.根据权利要求2所述的避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置，其特征在于：所述测量光栅(3)和参考光栅(4)的光栅尾纤(5)通过外部套管(2)右部上端的通孔引出。
4.一种根据权利要求1～3中任一种避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置的测试方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)引出测量光栅(3)和参考光栅(4)的光纤跳线，接入解调仪中，测量得到测量光栅(3)与参考光栅(4)的中心波长值，由于是相同值，记为λ1；
2)使锚杆结构发生形变，通过解调仪，得到参考光栅(3)与测量光栅(4)的新的中心波长值，分别记为λ2、λ3；
则所述锚杆结构形变引起波长变化为：(λ3-λ1)-(λ2-λ1)，温度变化引起的波长变化为：λ2-λ1；
4)根据所述结构形变引起波长变化和温度变化引起的波长变化计算所述锚杆结构的结构温度变化ΔT和结构应变ε。
5.根据权利要求4所述的一种避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置的测试方法，其特征在于：所述锚杆结构的结构温度变化ΔT的计算公式为其中为光纤的热膨胀系数，ζ为光纤的热光系数。
6.根据权利要求4或者5所述的一种避免温度与应变交叉敏感的光纤光栅锚杆测试装置的测试方法，其特征在于：所述锚杆结构的结构应变ε的计算公式为ε＝[(λ3-λ1)-(λ2-λ1)]/[λ3(1-Pe)]，其中，Pe为有效弹光系数。
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