CN107300362A - 一种用于三维应变检测的直角三棱锥光纤光栅结构体 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于三维应变检测的直角三棱锥光纤光栅结构体，属于光纤光栅传感技术领域，用于测量混凝土内部的三维应变。本发明所述的直角三棱锥光纤光栅三维应变检测结构体由直角三棱锥形状的高弹性金属构件和六个不同波长的布拉格光纤光栅组成，这六个特征波长不相同的布拉格光栅使用环氧型胶黏剂固定在结构体的六条棱上。应用时需将光纤光栅三维应变检测结构体埋入混凝土内部。再通过监测光纤光栅特征值的变化可以得到六条棱各自方向的线应变，再通过和常规应变状态的映射关系可以计算出混凝土内部的三维应变。

Description

一种用于三维应变检测的直角三棱锥光纤光栅结构体

技术领域

本发明属于光纤光栅传感技术领域，特别涉及一种检测混凝土内部三维应变的光纤光栅应变检测结构体，其结构体由高弹性金属直角三棱锥框架和六个布拉格光纤光栅组成，用于混凝土内部的三维应变检测。

背景技术

光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一，自从1978 K.O.Hill年等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光栅以来，由于它具有许多独特的优点，因而在光纤传感检测领域取得了广泛的应用。以光纤光栅为敏感单元的检测器件相比传统电类检测器件有很多的优点，比如抗电磁干扰、体积小、重量轻、结构简单、易于成网等。事实上光纤光栅已成为目前最有前途、最具有代表性的光纤传感检测器件之一，它极大地拓宽了传感技术的应用范围，检测精度高，可以用于易燃易爆场合的检测，但是光纤光栅也有一些缺点，其中一点就是它本身很脆弱，很容易在应变检测中受到不可逆转的破坏。

物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称应变。工程上常常需要用应变来对材料的工作状态进行研究和评估。一般来说，要确定空间某处的应变状态，需要用3个正应变和3个剪应变进行描述，即需要确定6个不同方向上的应变分量。目前，混凝土内部的三维应变状态或应力状态常常是根据理论计算获得的。由于材料的不均匀性，理论计算往往误差较大。为了获得真实的应力和应变状态，有必要对受力体内部的应变状态进行直接检测。因此，混凝土内部三维应变状态的检测需要设计合理的应变检测结构。

发明内容

本发明的目的在于解决混凝土内部三维应变检测的问题，同时兼顾光纤光栅脆弱性的问题，提出一种直角三棱锥光纤光栅结构体，能对混凝土内部进行三维应变检测，并对光纤光栅提供有效的保护。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

直角三棱锥光纤光栅结构体，由直角三棱锥式高弹性材料结构和六个三维布局的布拉格光纤光栅组成，如图1所示。

所述的直角三棱锥式高弹性材料结构材料应尽量选用弹性好，耐腐蚀的的材料，可以考虑不锈钢，铝合金或者特殊的高分子材料。OABC-DEFG为虚构的正方体。直角三棱锥光纤光栅结构体的六条棱为图中的OA、OC、OD、AC、CD和AD。在相互垂直的3条棱OA、OC和OD上可以布置3个布拉格光纤光栅1、2和3；在AC、CD和AD方向上可以布置另外3个布拉格光纤光栅4、5和6。当该测试装置布置于受力体内部某处时，就可以测得该点6个不同方向上的线应变。

所述的直角三棱锥光纤光栅结构体有六条棱OA、OC、OD、AC、CD和AD。棱OA、OC、OD两两垂直并相交与O点。OA、OC和OD的长度为30mm，AC、CD和AD的长度为42mm，截面如图所示，截面宽度为3mm，高度为3mm，每条棱上开0.5mm深、0.5mm宽的光纤光栅安装槽。

所述的六根不同特征波长的布拉格光纤光栅使用环氧型胶黏剂(如Epo-tek353ND)固定在安装槽上，布拉格光纤光栅在进行固定时，须有适当的拉伸，以保证布拉格光纤光栅能检测构件的双向应变，在布拉格光纤固定在安装槽里之后用环氧型胶黏剂填充安装槽，以起到对布拉格光纤光栅的保护作用。

附图说明

图1为本发明所述的直角三棱锥光纤光栅结构体示意图。

图2为本发明所述的直角三棱锥光纤光栅结构体的棱的截面图。

具体实施方式

下面将结合图1，对本发明作进一步说明。

本发明是一种能对物体内部三维应变进行检测的直角三棱锥光纤光栅结构体，具体实施步骤如下：

步骤一：制作高弹性材料结构

根据需要选择铝合金或者不锈钢等高弹性材料按照尺寸制作相应结构。并在高弹性材料结构的六个棱上刻一道0.5mm深、0.5mm宽的光纤光栅安装槽。

步骤二：固定布拉格光纤光栅

采用环氧型胶黏剂把六根不同特征波长的布拉格光纤光栅固定在光纤光栅安装槽中。

步骤三：通过填充环氧型胶黏剂的方式将光纤光栅固定在直角三棱锥光纤光栅结构体的棱的内部起到保护光纤光栅的作用。

步骤四：将固定了光纤光栅的直角三棱锥光纤光栅结构体埋入混凝土的内部，通过读取特征波长计算相应方向的线应变ε_i＝{ε₁，ε₂，ε₃，ε₄，ε₅，ε₆}，某点的一般应变状态可以从以下方法计算：

方法一：

如图1所示，根据a、b和c这3个方向的应变读数可以获得3个正应变，而3个对应的剪应变可以得到。根据应变分量之间的关系，当已知xOy平面内正交方向的正应变和对应的剪应变时，平面内任一方向的线应变可以由下式得到：

式中：ε_x、ε_y分别为正交方向的两个正应变；ε_xy为对应的剪应变；ε_α为与 方向成α角度方向上的线应变。因此，有

从图2中我可以可得知所以

ε_xy＝ε_x+ε_y-2ε_α

同理，

ε_yz＝ε_y+ε_z-2ε_β

ε_zx＝ε_x+ε_y-2ε_θ

式中：ε_x、ε_y和ε_z分别为应变片a、b和c的应变；ε_α、ε_β和ε_θ分别为应变片d、e和f的应变。因此，采用直角三棱锥光纤光栅结构体，可以很方便地得到一点的三维应变状态。

方法二：

推广到一般情况考虑，三维空间中一条直线OA如，该直线在xyz方向的方向角余弦l、m、n分别为：

n＝cosδ

式中：δ为直线与z轴的夹角；为直线在平面xOy的投影与x轴的夹角。若已知一点的应变状态为

ε_j＝{ε_xε_yε_zε_xyε_yzε_zx}

则OA方向的线应变为

ε＝ε_xl²+ε_ym²+ε_zn²+ε_xylm+ε_yzmn+ε_zxnl

亦即，如果知道一点的应变状态，则任意方向的线应变均可通过上式得到。相应的，若已知6个不同方向上的线应变，则常规应变状态也可以得到。设已 知6个不同方向上的线应变分别为

式中i＝1，2，3，4，5，6。由常规应变状态到不同方向线应变的映射关系为

{ε_i}＝T{ε_j}

则{ε_j}＝T^-1{ε_i}

式中：j＝x，y，z，xy，yz，zx；ε_i＝{ε₁，ε₂，ε₃，ε₄，ε₅，ε₆}，且有

综上所述，通过该结构体可以利用上述两种方式计算某处的应变状态。

Claims (2)

1.一种能对混凝土内部进行三维应变检测的光纤光栅结构体，它是由直角三棱锥形状的高弹性金属构件和六个不同波长的布拉格光纤光栅组成的，在建筑进行三维应变检测时将该结构体埋入混凝土内部。

2.权利要求1所述的高弹性金属构件，其特征是：构件结构为直角三棱锥，该直角三棱锥高弹性金属构件有六条棱，其中两两垂直的三条棱较短，长度为30mm到50mm，其他三条棱较长，长度为42mm到70mm，棱上刻一道0.5mm宽，1mm深的光纤光栅安装槽，使用环氧型胶黏剂固定光纤光栅并对光纤光栅进行保护性封装。