CN109540356B - 一种光纤光栅剪切力传感器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤光栅剪切力传感器及其工作方法，包括若干间隔设置的剪切力传感器，每个所述剪切力传感器包括两层相互平行设置的固定层，两所述固定层之间还填充有变形层，两所述固定层之间倾斜地贯穿有一光纤，所述光纤在所述变形层内设置光纤光栅。本发明的优点是：克服了传统应变花类传感器易受电磁干扰、长期稳定性差的问题；传感器体积小，施工粘贴便捷，测量精度高；可进行多点分布式测量，在地下结构振动台试验中，能够测取任意时刻的地震剪切力的分布情况。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种光纤光栅剪切力传感器及其工作方法。
背景技术
剪切力测量在结构健康监测及城市地下结构地震工程等领域的工程应用上是一个关键的问题。从国内外地下结构地震反应与分析方法的发展可以看出，地震剪应力在地下结构四周的分布模式的研究目前还没有实质进展，因此如何准确、合理的测试出地下结构构件的剪切力是现阶段亟待解决的问题，。
现有的土木工程中采用应变花测量剪切力，需要将大量应变传感器布置成三角形或矩形，通过测量正应变分量并求解方程组，从而计算得到剪切力。设备布置及计算过程较为繁琐。同时，应变片布设数目多时，需要较多电线，不可避免带来了易受电磁辐射干扰，测试精度不高，长期稳定性差的缺点。此外，应变花的布设受限于被测体的尺寸，基于振动台的性能参数的影响，模型试验通常为缩尺试验，采用镀锌钢丝替代受力钢筋，致使应变花不能较平整的固定在被测体上，破坏了被测体的完整性。
发明内容
本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种光纤光栅剪切力传感器及其工作方法，本发明的方案通过倾斜设置的光纤光栅所构成的剪切力传感器对地下结构构件的剪切力进行测试，能够便捷地对测试结构进行准分布式测量。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
一种光纤光栅剪切力传感器，其特征在于，包括若干间隔设置的剪切力传感器，每个所述剪切力传感器包括两层相互平行设置的固定层，两所述固定层之间还填充有变形层，两所述固定层之间倾斜地贯穿有一光纤，所述光纤在所述变形层内设置光纤光栅。
所述固定层的材质为碳纤维复合材料。
所述剪切力传感器通过在高温真空炉中加热将所述光纤光栅、所述光纤、所述固定层、所述变形层的位置进行固定，所述高温真空炉的加热温度为110-130℃，加热时长为3-5小时。
所述变形层的材质为硅橡胶材料。
各所述剪切力传感器通过同一所述光纤依次连接。
一种上述任一所述的光纤光栅剪切力传感器的工作方法，应用于地下结构振动台试验中，所述工作方法包括以下步骤：
步骤1：在振动台上固定安装试验模型，所述试验模型内预设有若干剪切力传感器；
步骤2：所述振动台向所述试验模型输入台面激励，所述剪切力传感器实时记录测试数据；
步骤3：根据所述测试数据计算获取所述结构模型中各个位置的剪切力分布数据。
所述试验模型包括固定于所述振动台上的叠层剪切型土箱、所述土箱内水平放置的结构模型，所述结构模型外的区域装填土层，所述结构模型的侧墙上间隔地设置多个微粒混凝土块，所述微粒混凝土块与所述结构模型侧墙的接触面上粘贴有所述剪切力传感器。
在所述结构模型上粘贴所述剪切力传感器包括以下步骤：打磨所述结构模型上用以粘贴所述剪切力传感器的基面以去除所述基面上的杂质，并用丙酮擦拭所述基面；在所述基面上均匀涂刷底胶；所述底胶固化后，将所述基面的凸起部分打磨平整，采用整平胶料填平所述基面的凹陷部位；在所述剪切力传感器一侧的固定层和所述基面上均匀涂抹粘贴胶料，将所述固定层粘贴至所述基面，采用光滑滚子沿同一方向反复滚压所述剪切力传感器，静置养护。
在所述剪切力传感器上粘贴所述微粒混凝土块包括以下步骤：打磨所述微粒混凝土块上用以粘贴所述剪切力传感器的粘贴面以去除所述粘贴面上的杂质，并用丙酮擦拭所述粘贴面；在所述粘贴面上均匀涂刷底胶；所述底胶固化后，将所述粘贴面的凸起部分打磨平整，采用整平胶料填平所述粘贴面的凹陷部位；在所述剪切力传感器另一侧的固定层和所述粘贴面上均匀涂抹粘贴胶料，将所述粘贴面粘贴至所述固定层，按压所述微粒混凝土块表面，固定并静置养护。
所述步骤3中根据所述测试数据计算剪切力的公式为：
其中，F为剪切力、b为变形层的宽度、l为光纤嵌入变形层中水平向投影的长度、h为所述变形层的厚度，为变形层的弹性模量、/>为变形层的泊松比、/>为光纤的弹性模量、为所述光纤的横截面面积、/>为布拉格波长、/>为布拉格波长的变化量、/>为所述光纤纤芯的有效折射率，/>和/>为单模光纤的弹光系数，/>是所述光纤的泊松比。
本发明的优点是：（1）克服了传统应变花类传感器易受电磁干扰、长期稳定性差的问题；（2）传感器体积小，施工粘贴便捷，测量精度高；（3）可进行多点分布式测量，在地下结构振动台试验中，能够测取任意时刻的地震剪切力的分布情况。
附图说明
图1为本发明实施例中剪切力传感器的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例中试验模型的剖面结构示意图；
图3为本发明实施例中试验模型的局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
如图1-3，图中标记1-9分别为：剪切力传感器1、固定层2、变形层3、光纤光栅4、光纤5、结构模型6、微粒混凝土块7、叠层剪切土箱8、振动台9。
实施例：如图1-3所示，本实施例具体涉及一种光纤光栅剪切力传感器及其工作方法，通过倾斜设置的光纤光栅4所构成的剪切力传感器1对地下结构构件的剪切力进行测试，能够便捷地对测试结构进行准分布式测量，测量精度高，不易受测试环境的干扰。
如图1和3所示，本实施例中的光纤光栅剪切力传感器包括若干间隔的剪切力传感器1，每个剪切力传感器1包括两层相互平行设置的固定层2，两固定层2之间还设置有变形层3，两固定层2之间倾斜地贯穿有一光纤5，光纤5在固定层2之间的变形层3区域内设置光纤光栅4。光纤5与固定层2的连接处为固定结构。剪切力传感器1通过同一光纤5依次连接。其中固定层2用于直接接触或粘贴在待测的模拟结构上，变形层3为弹性材料可以在水平方向及垂直方向变形，光纤5及其上的光纤光栅4在固定层2之间呈倾斜状态。当剪切力作用时，固定层2朝着剪切力的方向移动，中间的变形层3相应产生形变，从而使得固定层2之间的光纤光栅4也受到拉伸并随着变形层3发生物理形变。上述变形层3与光纤光栅4的位移协调过程将光纤5受到的剪切力应变转换为等效的轴向应变。通过测量光纤5的轴向应变，可推出作用在被测体上的应力，由此可得到当前的剪切力值。剪切力的大小直接与光纤光栅4的形变量关联，光纤光栅4的形变量与光纤5中的光电信号的波长直接有关，可以通过光电信号构成测试数据获取到作用在剪切力传感器1上的剪切力的值。
如图1所示，固定层2的材质为碳纤维复合材料。变形层3的材质为硅橡胶材料。碳纤维复合材料与硅橡胶材料易于获取可恢复性和自粘贴性强，较高的自粘性能有效降低了两者之间对额外粘贴性的要求。同时，硅橡胶具有良好的复位和变形能力，且与碳复合材料的固化条件相兼容。剪切力传感器1通过在高温真空炉中加热将固定层2、变形层3、光纤光栅4、光纤5的位置进行固定，高温真空炉的加热温度为110-130℃，加热时长为3-5小时。根据碳纤维复合材料的固化要求，采用加热的方式加强固定结构的结合强度。
如图2和图3所示，本实施例中的光纤光栅剪切力传感器的工作方法应用于地下结构振动台试验中，包括以下步骤：步骤1：在振动台9的台面上固定叠层剪切型土箱8并装填土层及结构模型，试验模型内预设有若干剪切力传感器1；步骤2：振动台9向试验模型输入台面激励，剪切力传感器1实时记录测试数据；步骤3：根据测试数据计算获取结构模型中各个位置的剪切力分布数据。
如图2和图3所示，试验模型包括固定于振动台9上的叠层剪切型土箱8、叠层剪切型土箱8内水平放置结构模型6，结构模型6外的区域装填土层，结构模型6的侧墙上间隔地设置多个微粒混凝土块7，微粒混凝土块7与结构模型6侧墙的接触面上粘贴有剪切力传感器1。
如图2和图3所示，对一缩尺比为1/30的地下结构模型6进行剪切力测试，结构模型6的截面宽为666.7 毫米，截面高为467.4 毫米，微粒混凝土块7的尺寸为40毫米40毫米/>15毫米。在结构模型6的侧墙与微粒混凝土块7接触面粘贴光纤光栅剪切力传感器，光纤光栅剪切力传感器测试精度为0.01 N。在结构模型6的侧墙两侧分别采用一根光缆连接各剪切力传感器1，实现准分布式测量，确保测量精度和稳定性。叠层剪切型土箱8的填土达到一定高度后，用光滑木板将土层表面扫平，吊装结构模型6，安装就位后，继续在模型两侧铺设上部土层。在进行振动台试验时，台面输入的激励分别为白噪声、50Hz正弦波和卧龙地震动，通过剪切力传感器1记录各测点的实时测试数据。振动结束后，基于剪切力传感器1记录的数据通过计算，得出各测点处剪切力的大小，从而得到整个地下结构周边作用的地震剪力。剪切力传感器1布置的越多，得到的剪切力分布模式越精确。
如图2所示，上述实施例中，在结构模型6上粘贴剪切力传感器1包括以下步骤：
基面处理，用混凝土角向磨光机、砂轮、砂纸等去除粘贴剪切力传感器1的基面的浮浆、油污等杂质，将基面打磨平整，尤其是基面的凸起部位要磨平。
基面清洗，用钢丝刷刷去表面的松散浮渣，用压缩空气除去表面的粉尘，再用丙酮擦拭基面表面，待其充分干燥。
涂刷底胶，按预设比例将主剂和固化剂先后置于容器中，用低速旋转的方法搅拌均匀，根据现场实际气温决定用量，并严格控制使用时间，针对混凝土面底胶与底胶固化剂的比例为100:15。用滚桶刷或毛刷将底胶均匀地涂抹于混凝土构件表面，厚度不超过0.5毫米，避免漏刷或有流淌、气泡，待底胶固化。
平整处理，待底胶固化后将基面的凸起部分用磨光机或砂纸打磨平整，采用整平胶料填平基面的凹陷部位。整平胶料中整平胶与整平胶固化剂的比例为100:25，搅拌均匀后，用灰刀将整平胶料嵌刮于混凝土表面凹陷部位进行修补填平，待整平胶料固化。
粘贴传感器，粘贴所用粘贴胶料中粘贴胶与粘贴胶固化剂的比例为100:40，搅拌均匀后，用毛刷均匀涂抹于传感器一侧固定层2及基面，再把传感器粘贴在预设的测试位置，然后用光滑滚子在传感器另一侧的固定层2表面沿同一方向反复滚压至胶料渗出用于粘贴的固定层2的外表面，以去除气泡使固定层2充分浸润胶料。光纤光栅剪切力传感器粘贴后，为保证碳纤维复合材料层的树脂的充分渗浸，应至少放置30分钟以上，若发生浮起、错位及时进行处理。
在结构模型6的剪切力传感器1上粘贴混凝土块7的方法与上述在结构模型6上粘贴剪切力传感器1方法近似，区别在于将微粒混凝土块7粘贴到剪切力传感器1另一固定层2后，直接按压微粒混凝土块7表面，并固定。静置养护，对于有风吹、雨淋或有可能人为扰动的地方应进行遮挡封闭养护，养护期一般为一周。
上述的粘贴材料选取上海化工材料有限公司生产的HCJ碳纤维胶粘剂，包括底胶、找平胶和粘贴胶料。
如图1所示，本实施例中，根据测试数据计算剪切力的公式由以下过程推导得出：
建立剪切力传感器1分析模型，导出光纤5轴向应变与施加的剪切力F的关系式：施加在传感器上的剪切力F为，其中，/>为作用在硅橡胶材料变形层3上的轴力，/>为作用在变形层3中光纤5上的水平力。变形层3的水平向伸长率表述为/>，其中，/>为变形层3的刚度。而根据胡克定律，变形层3刚度/>可表示为/>，其中，b为变形层3的宽度、l为变形层3的有效长度也就是光纤5嵌入变形层3中水平向投影的长度、h为变形层3的厚度，/>为变形层3材料弹性模量，/>为变形层3材料泊松比。变形层3中光纤5沿斜向的伸长率为/>，其与水平向伸长率/>的关系为/>。/>为光纤5在固定层2之间倾斜的角度。作用在变形层3中光纤5上的水平力/>与其斜向力F dia的关系为。斜向伸长率/>又可以表示为/>。/>为光纤5的刚度，依据胡克定律，，其中，/>为光纤5弹性模量，/>为光纤5横截面面积。因此，光纤5水平向伸长率可表示为/>。根据位移兼容性条件/>得到/>。推导出。假定光纤5与变形层3的夹角/>是非常小的，因此，/>。剪切力F作用下光纤5长度发生改变，夹角/>也相应会变化，由于夹角/>值很小，任何微小的角度变化导致的弦值的变化可以忽略，可将夹角/>视为常量，得到光纤5沿着斜向的伸长率表示为：。光纤5的轴向应变/>为/>，其中，/>为光纤5沿着斜向的原始长度。进而导出光纤5轴向应变与施加的剪切力F的关系式。
建立光纤光栅4的波长变化率与施加的剪切力之间的关系式：光纤光栅4在外力作用下产生形变变化，从而引起光纤光栅4中心波长的变化。光纤光栅4中心波长的变化率与轴向应变及温度的关系为，其中，/>为布拉格波长、/>为布拉格波长的变化量、/>为光纤5纤芯的有效折射率，/>和/>为单模光纤的弹光系数，/>是光纤5的泊松比，/>是热光系数，/>是温度变化率。由于试验的开展处于稳定的室内环境温度，可以忽略温度变化率带来的影响，即/>。光纤光栅4中心波长的变化率与轴向应变及温度的关系式简化为/>。结合上述光纤5轴向应变与施加的剪切力的关系式得到/>，即施加在传感器上的剪切力与光纤光栅4波长变化率之间的公式/>。通过上述公式的计算可以准确实时的测量得到结构组件接触之间的剪切力。
本实施例具有如下优点：（1）克服了传统应变花类传感器易受电磁干扰、长期稳定性差的问题；（2）传感器体积小，施工粘贴便捷，测量精度高；（3）可进行多点分布式测量，在地下结构振动台试验中，能够测取任意时刻的地震剪切力的分布情况。
Claims (6)
1.一种光纤光栅剪切力传感器，其特征在于，包括若干间隔设置的剪切力传感器，每个所述剪切力传感器包括两层相互平行设置的固定层，两所述固定层之间还填充有变形层，两所述固定层之间倾斜地贯穿有一光纤，所述光纤在所述变形层内设置光纤光栅；所述固定层的材质为碳纤维复合材料；所述剪切力传感器通过在高温真空炉中加热将所述光纤光栅、所述光纤、所述固定层、所述变形层的位置进行固定，所述高温真空炉的加热温度为110-130℃，加热时长为3-5小时；所述变形层的材质为硅橡胶材料；各所述剪切力传感器通过同一所述光纤依次连接。
2.一种涉及权利要求1中所述的光纤光栅剪切力传感器的工作方法，其特征在于，应用于地下结构振动台试验中，所述工作方法包括以下步骤：
步骤1：在振动台上固定安装试验模型，所述试验模型内预设有若干剪切力传感器；
步骤2：所述振动台向所述试验模型输入台面激励，所述剪切力传感器实时记录测试数据；
步骤3：根据所述测试数据计算获取所述结构模型中各个位置的剪切力分布数据。
3.根据权利要求2所述的一种光纤光栅剪切力传感器的工作方法，其特征在于，所述试验模型包括固定所述振动台上的叠层剪切型土箱、所述土箱内水平放置的结构模型，所述结构模型外的区域装填土层，所述结构模型侧墙上间隔地设置多个微粒混凝土块，所述微粒混凝土块与所述结构模型侧墙的接触面上粘贴有所述剪切力传感器。
4.根据权利要求3所述的一种光纤光栅剪切力传感器的工作方法，其特征在于，在所述结构模型上粘贴所述剪切力传感器包括以下步骤：打磨所述结构模型上用以粘贴所述剪切力传感器的基面以去除所述基面上的杂质，并用丙酮擦拭所述基面；在所述基面上均匀涂刷底胶；所述底胶固化后，将所述基面的凸起部分打磨平整，采用整平胶料填平所述基面的凹陷部位；在所述剪切力传感器一侧的固定层和所述基面上均匀涂抹粘贴胶料，将所述固定层粘贴至所述基面，采用光滑滚子沿同一方向反复滚压所述剪切力传感器，静置养护。
5.根据权利要求3所述的一种光纤光栅剪切力传感器的工作方法，其特征在于，在所述剪切力传感器上粘贴所述微粒混凝土块包括以下步骤：打磨所述微粒混凝土块上用以粘贴所述剪切力传感器的粘贴面以去除所述粘贴面上的杂质，并用丙酮擦拭所述粘贴面；在所述粘贴面上均匀涂刷底胶；所述底胶固化后，将所述粘贴面的凸起部分打磨平整，采用整平胶料填平所述粘贴面的凹陷部位；在所述剪切力传感器另一侧的固定层和所述粘贴面上均匀涂抹粘贴胶料，将所述粘贴面粘贴至所述固定层，按压所述微粒混凝土块表面，固定并静置养护。
6.根据权利要求3所述的一种光纤光栅剪切力传感器的工作方法，其特征在于，所述步骤3中根据所述测试数据计算剪切力的公式为：
其中，F为剪切力、b为变形层的宽度、l为光纤嵌入变形层中水平向投影的长度、h为所述变形层的厚度，Ed为变形层的弹性模量、υd为变形层的泊松比、Ef为光纤的弹性模量、Af为所述光纤的横截面面积、λb为布拉格波长、Δλb为布拉格波长的变化量、neff为所述光纤纤芯的有效折射率，P11和P12为单模光纤的弹光系数，υf是所述光纤的泊松比。
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