CN109737999B - 在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法，包括以下步骤：根据光纤布里渊频移与温度和应变的关系模型，在热力耦合环境下标定光纤的温度系数和应变系数；将两根光纤复合入结构中的复材筋内部，在热力耦合环境下测得与两根光纤对应的布里渊频移数据；结合标定的光纤的温度系数和应变系数，利用布里渊频移与温度和应变的关系模型，获得在热力耦合环境下结构中的复材筋的温度和应变。本发明方法可用于实际结构中的复材筋的测量，能在高温或火灾环境下获得结构中的复材筋的应变数据，测量准确，具有高可靠性。

Description

在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法

技术领域

本发明涉及纤维复材筋、分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种在热力耦合环境下获 取结构中的复材筋温度和应变的方法。

背景技术

目前，在复材筋拉伸试验中，常采用引伸计来获得筋材在加载过程中的应变，从而可得 到筋材的应力应变曲线。通过引伸计采集室温下筋材的应变数据非常有效，但是在火灾或高 温中该方法却难以实现。虽然有学者通过改善引伸计可实现高温后筋材的应变数据采集，但 火灾或高温中筋材应变数据的采集仍是一个难点。此外，引伸计仅局限于试验中的裸筋，而 实际工程中复材筋外侧包裹有混凝土或砂浆等材料，因此应用于裸筋测试的引伸计也难以应 用到实际结构中的复材筋的测试。

基于布里渊散射机理的传感技术因其对温度和应变的测试精度高、信息全面以及测试距 离长等方面的巨大优势而受到研究者的青睐，目前已经有学者将光纤传感和纤维复合材料巧 妙结合在一起，制备自传感复材筋，并将这种自传感复材筋应用于试验研究中，通过试验研 究分析了常温下光纤的传感性能、自传感复材筋的传感特性以及自传感复材筋的力学性能， 研究结果表明自传感复材筋性能稳定，应变测试精度高。

然而，在高温或火灾环境中复材筋处于热力耦合的环境下，目前还未有研究人员将基于 布里渊散射机理的光纤传感技术及自传感复材筋应用到高温环境中复材筋温度及应变数据的 采集。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法， 实现高温环境下结构中的复材筋应变和温度的测量。

为实现上述目的，本发明提出一种在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的 方法，包括以下步骤：

S10根据光纤布里渊频移与温度和应变的关系模型，在热力耦合环境下标定光纤的温度 系数和应变系数；其中，所述布里渊频移与温度和应变的关系模型如式(1)所示：

υ_B-υ_B0＝C_ε(ε-ε₀)+C_T(T-T₀) 式(1)

式中，ε表示光纤的应变，T表示光纤的温度，ε₀表示光纤的初始应变，T₀表示光纤的初 始温度，C_ε表示光纤的应变系数，C_T表示光纤的温度系数，υ_B表示温度T和应变ε条件下的布里渊频移，υ_B0表示初始布里渊频移；

S20将两根光纤复合入结构中的复材筋内部，在热力耦合环境下测得与两根光纤对应的 布里渊频移数据；结合步骤S10标定的光纤的温度系数和应变系数，利用布里渊频移与温度 和应变的关系模型，获得结构中的复材筋的温度和应变。

作为本发明进一步的限定，步骤S10得到的温度系数标定结果为：若光纤初始应变为 0～4000με，则标定光纤的温度系数为0.92MHz/℃；若光纤初始应变为4000～9000με，则标定 光纤的温度系数为0.84MHz/℃；若光纤初始应变大于9000με，则标定光纤的温度系数为 -1.07426e^-5x+0.91364，其中x为光纤初始应变。

作为本发明进一步的限定，步骤S10得到的应变系数标定结果为：若光纤初始应变为 0～2500με，温度t为100℃时，则标定光纤的应变系数为43.0MHz/0.1％，温度t为350℃时， 则标定光纤的应变系数为40.4MHz/0.1％，温度t为：100℃＜t＜350℃时，则在该温度区间进 行差值取值来标定光纤的应变系数；若光纤初始应变为2500～17500με，温度t为：100℃≤t≤350℃时，则标定光纤的应变系数为45.0MHz/0.1％。

作为本发明进一步的限定，步骤S20具体包括：

S201将两根光纤预埋在结构中的复材筋内部，两根光纤沿复材筋长度方向布设在复材筋 内部，其中一根光纤上套有套管；所述两根光纤的两端均可引出；

S202将两根光纤的一端相连，另一端分别通过光纤跳线与光纤解调仪相连；

S203使用光纤解调仪测得常温下光纤的布里渊频移，再按预定速率对结构进行升温，每 隔预定时间通过光纤解调仪记录布里渊频移，待升到预定温度后进行恒温，然后对结构进行 分级拉伸加载，通过光纤解调仪记录每级荷载下的布里渊频移；

S204结合步骤S10得到的光纤的温度系数和应变系数，利用布里渊频移与温度和应变的 关系模型，获得光纤温度和应变，即获得任意时刻下复材筋的温度以及每级荷载下复材筋的 应变。

作为本发明进一步的限定，所述光纤为单模光纤中的UV光纤。

作为本发明进一步的限定，步骤S203中，预定温度为400℃。

作为本发明进一步的限定，所述光纤解调仪为基于PPP-BOTDA技术的光纤解调仪，光 纤解调仪的传感距离为25km，空间分辨率为0.1m，温度测试精度为0.75℃，应变测试精度 为7.5με。

本发明方法提出光纤布里渊频移与温度和应变的关系模型，利用该模型对所测光纤的温 度系数和应变系数进行标定，再将光纤预埋在所测结构中的复材筋内，通过测试光纤的布里 渊频移，使用光纤布里渊频移与温度和应变的关系模型，获得热力耦合环境下结构中的复材 筋温度和应变。本发明方法利用普通的单模UV光纤即可实现高温环境下结构中复材筋温度 和应变的测量，从而克服了以往高温或火灾环境下结构中的复材筋应变无法测量的问题；此 外，普通单模UV光纤的造价较低，一般只用于常温环境下应变等的监测，但本发明方法将 其应用范围进一步扩大至包含有高温或火灾的热力耦合环境，充分发挥了普通单模UV光纤 的用途，并有效减少了现有的昂贵的耐高温光纤的使用，进而大大节约了测试所需成本。此 外，本发明方法测量准确，具有较高的可靠性。

附图说明

图1为本发明方法实施例的流程图；

图2为本发明方法实施例在350℃下、大应变范围内测得的布里渊频移和应变的线性拟 合度示意图；

图3为本发明第一实施例加载阶段记录的布里渊频移数据图。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图进一步详细、清楚地阐明本发明的实质性特点和技术方 案，但本发明的内容不仅仅局限于下面实施例。

本发明实施例的一种在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法，如图1 所示，包括以下步骤：

S10根据光纤布里渊频移与温度和应变的关系模型，在热力耦合环境下标定光纤的温度 系数和应变系数；其中，所述布里渊频移与温度和应变的关系模型如式(1)所示：

υ_B-υ_B0＝C_ε(ε-ε₀)+C_T(T-T₀) 式(1)

式中，ε表示光纤的应变，T表示光纤的温度，ε₀表示光纤的初始应变，T₀表示光纤的初 始温度，C_ε表示光纤的应变系数，C_T表示光纤的温度系数，υ_B表示温度T和应变ε条件下的布里渊频移，υ_B0表示初始布里渊频移；

S20将两根光纤复合入结构中的复材筋内部，在热力耦合环境下测得与两根光纤对应的 布里渊频移数据；结合步骤S10标定的光纤的温度系数和应变系数，利用布里渊频移与温度 和应变的关系模型，获得结构中的复材筋的温度和应变。

本发明实施例中，所述光纤为单模光纤中的UV光纤。本发明方法利用普通的单模UV 光纤即可实现高温环境下结构中复材筋温度和应变的测量，从而克服了以往高温或火灾环境 下结构中的复材筋应变无法测量的问题；此外，普通单模UV光纤的造价较低，一般只用于 常温环境下应变等的监测，但本发明方法将其应用范围进一步扩大至包含有高温或火灾的热 力耦合环境，充分发挥了普通单模UV光纤的用途，并有效减少了现有的昂贵的耐高温光纤 的使用，进而大大节约了测试所需成本。

本发明实施例中，步骤S10包括：

S101根据光纤布里渊频移与温度和应变的关系模型，在热力耦合环境下标定光纤的温度 系数C_T。

本发明实施例使用的具体标定方法如下：

在电炉中串联多根光纤，为的是可以在一次测试中设置多种初始应变，节约测试时间。 本发明实施例采用六根。

利用熔焊机将光纤与光纤跳线连接到光纤解调仪上，常温下测得与六根光纤对应的一组 布里渊频移数值，再在五根光纤上分别挂不同质量的砝码，测得与六根光纤对应的另一组布 里渊频移数值，将两组布里渊频移差值作为六根光纤的初始布里渊频移。在本发明实施例的 标定方法中，优选采用型号为NBX-6050A的光纤解调仪。通过NBX-6050A解调仪测得六根 光纤的初始应变值，即得到六个不同初始应变工况。

本发明实施例中，在其中一根光纤上未加砝码，另五根光纤上加质量不同的砝码，可以 模拟多种小初始应变工况和大初始应变工况。本发明实施例中，在光纤上挂砝码采用的方法 是先将玄武岩粗纱粘在光纤上，再将砝码挂在玄武岩粗砂上。需要说明的是，使光纤产生初 始应变的方法不唯一。

在光纤上布置热电偶，将热电偶与TDS-530静态数据采集仪相连，且初始温度T₀由TDS530采集得到。对电炉进行升温，由常温升至400℃，每隔30℃待温度稳定下来采集 TDS-530的温度数据，以及与六根光纤分别对应的布里渊频移读数。炉温升到400℃后即完 成一次全过程升温，之后冷却至室温，次日重复同样的升温过程，共进行五次全过程升温。

根据布里渊频移与温度和应变的关系模型，由于上述升温过程中，光纤应变未发生变化， 即始终保持初始应变，故式(1)可转化为式(2)：

υ_B-υ_B0＝C_T(T-T₀) 式(2)

将上述过程采集的温度数据和与六根光纤分别对应的布里渊频移数据带入式(2)，可得 到六种初始应变工况下布里渊频移随温度产生的线性变化关系，其线性关系对应的斜率即为 一种工况下所测得的温度系数。对不同初始应变工况下的温度系数进行统计处理，确定一个 适用于一般工况下的温度系数，即完成光纤温度系数C_T的标定。

采用上述标定方法，得到光纤温度系数标定结果如下：若光纤初始应变为0～4000με，则 标定光纤的温度系数为0.92MHz/℃；若光纤初始应变为4000～9000με，则标定光纤的温度系 数为0.84MHz/℃；若光纤初始应变大于9000με，则标定光纤的温度系数为 -1.07426e^-5x+0.91364，其中x为光纤初始应变。

S102根据光纤布里渊频移与温度和应变的关系模型，在热力耦合环境下标定光纤的应变 系数C_ε。

本发明实施例使用的具体标定方法如下：

采用两根光纤，其中一根用于拉伸(下文称拉伸光纤)，另外一根用于温度补偿(下文 称补偿光纤)，将拉伸光纤固定于安装有千分表的标定架上，标定架用于对拉伸光纤进行拉 伸试验，由千分表测量实际应变值。利用太阳灯照射模拟高温环境(100℃～350℃)，通过调 节太阳灯与两个光纤之间的距离从而模拟不同的温度环境。在补偿光纤中部设置热电偶，热 电偶与TDS-530静态数据采集仪相连，用于获得光纤的温度。利用熔焊机将两根光纤通过光 纤跳线连接到光纤解调仪上，用于获得与两根光纤对应的布里渊频移。

常温下采集TDS-530的温度数据和与两根光纤对应的布里渊频移数据，太阳灯照射光纤， 高温下待温度稳定后采集温度数据和布里渊频移数据。使用标定架对拉伸光纤进行拉伸，读 取实际应变值并采集与两根光纤对应的布里渊频移数据。调节太阳灯和光纤之间的距离，即 改变环境温度，重复上述操作，采集温度、实际应变值以及布里渊频移数据。

通过式(3)可以得到一次工况下的光纤应变系数，如下：

式中，

表示第一次工况下两根光纤的第一段光纤布里渊频移差值，

表示第一次工 况下两根光纤的第二段光纤布里渊频移差值，依此类推，

表示第一次工况下两根光纤的第 n段光纤布里渊频移差值，L表示标距，l表示将标距L内的光纤平分为n段时每段光纤长度， ε_平均表示平均应变。本发明实施例中，L取1000mm。

对不同工况下的应变系数进行统计处理，确定一个适用于任何工况下的应变系数，即完 成光纤应变系数C_ε的标定。

采用上述应变标定方法，得到光纤应变标定结果如下：若光纤初始应变为0～2500με，温 度t为100℃时，则标定光纤的应变系数为43.0MHz/0.1％，温度t为350℃时，则标定光纤的 应变系数为40.4MHz/0.1％，温度t为：100℃＜t＜350℃时，则在该温度区间进行差值取值来 标定光纤的应变系数；若光纤初始应变为2500～17500με，温度t为：100℃≤t≤350℃时， 则标定光纤的应变系数为45.0MHz/0.1％。所述差值取值为：(t-100℃)/(a-43MHz/0.1％) ＝(350℃-100℃)/(40.4MHz/0.1％-43MHz/0.1％)，式中a为温度t对应的标定光纤的应变 系数。

图2为应变系数标定过程中350℃环境下、大应变范围(大于2500με)内，所得布里渊 频移与应变数据的线性拟合结果，从图中可见R²值为0.99831，线性拟合度很高，与式(1) 所表示的线性关系一致，表明本发明实施例方法利用布里渊频移与温度和应变的关系模型来 获得温度和应变具有高可靠性。

本发明实施例中，步骤S20包括：

S201将两根光纤预埋在结构中的复材筋内，两根光纤沿复材筋长度方向布设在复材筋内 部中心处，其中一根光纤上套有套管；所述两根光纤的两端均可引出；

S202将两根光纤的一端相连，另一端分别通过光纤跳线与光纤解调仪相连；

S203使用光纤解调仪测得常温下光纤的布里渊频移，再按预定速率对结构进行升温，每 隔预定时间通过光纤解调仪记录布里渊频移，待升到预定温度后进行恒温，然后对结构进行 分级拉伸加载，通过光纤解调仪记录每级荷载下的布里渊频移；

S204结合步骤S10得到的光纤的温度系数和应变系数，利用布里渊频移与温度和应变的 关系模型，获得光纤温度和应变，即获得任意时刻下复材筋的温度以及每级荷载下复材筋的 应变。

本发明实施例的步骤S201中，将两根光纤预埋进复材筋中制备自传感智能复材筋时，相 比于普通复材筋生产工艺增加了加热控制过程，以控制筋材在不同位置形成固化段和未固化 段，固化段处使光纤和玄武岩纤维有良好的粘结，未固化段处可将光纤剥离出来，保证光纤 可自由引出。在筋材内部封装的两根光纤，一根光纤与复材筋紧密贴合，在外力作用下随着 复材筋一起发生形变，用于测量应变。另一根光纤上套有套管，套管与复材筋紧密贴合，光 纤在套管内处于自由状态，用于测量温度。本发明实施例中采用聚四氟乙烯管制成的套管， 套管内径0.5mm，外径0.9mm。

本发明实施例中，步骤S203中的预定温度为400℃。

本发明实施例中，所述光纤解调仪优选采用基于PPP-BOTDA技术的光纤解调仪，其传 感距离为25km，空间分辨率为0.1m，温度测试精度为0.75℃，应变测试精度为7.5με。具体 可采用型号为NBX-6050A的光纤解调仪。

第一实施例

采用本发明实施例方法对一根带砂浆包覆层复材筋试件进行温度和应变的测量，具体包 括以下步骤：

使用上述温度系数标定方法，在热力耦合环境下标定光纤的温度系数C_T为0.92MHz/℃。

使用上述应变系数标定方法，在热力耦合环境下标定光纤的应变系数C_ε为45.0MHz/0.1％。

将两根光纤(下文称自由光纤和粘贴光纤)预埋进纤维筋材中制备自传感智能复材筋， 其中粘贴光纤与筋材紧密贴合，自由光纤上套有套管，套管与筋材紧密贴合，自由光纤在套 管内处于自由状态。在筋材表面和试件表面均匀布置热电偶，热电偶与TDS-530静态数据采 集仪相连。

使用光纤熔焊机将两根光纤的一端相连，另一端与光纤跳线连接到光纤解调仪上。

使用TDS-530测得光纤的初始温度，使用光纤调节仪测得光纤的初始布里渊频移数据。 将带砂浆包覆层的筋材放入高温炉，使用高温炉对其进行加热，高温炉以100℃/min左右的 速率升至400℃，升温过程中，通过TDS-530进行热电偶温度数据采集，并用光纤解调仪每 隔1min自动记录一次布里渊频移。

由于升温过程应变未发生变化，故将标定的光纤的温度系数C_T、自由光纤的初始布里渊 频移数据、初始温度和升温过程中每个时间点的布里渊频移数据代入式(2)，即可得到每个 时间点的光纤温度，即每个时间点的筋材温度。

待筋材表面温度达到400℃持时1h后对筋材进行加载，其中加载步长为5kN， 加载速率为300N/s，每个荷载步下持时2min左右采集光纤布里渊频移数据。图 3为加载阶段记录的粘贴光纤和自由光纤的布里渊频移数据图。将T＝400℃、光 纤初始温度、光纤初始应变(现有技术表明，NBX-6050A型号的光纤解调仪能 够对光纤常温下的应变进行可靠的测量，所以光纤的初始应变可直接通过仪器读 取)、标定的光纤应变系数C_ε、初始布里渊频移数据以及每级荷载下粘贴光纤的 布里渊频移数据代入式(1)，即可得到每级荷载下所对应的光纤应变，即每级荷 载下筋材的应变。

本发明实施例方法可用于实际结构中的复材筋的测量，能在高温环境下获得复材筋的温 度和应变数据，测量准确，具有高可靠性。

上述说明是针对本发明优选的实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利 申请范围，应当指出，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这 些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10根据光纤布里渊频移与温度和应变的关系模型，在热力耦合环境下标定光纤的温度系数和应变系数；其中，所述布里渊频移与温度和应变的关系模型如式(1)所示：

υ_B-υ_B0＝C_ε(ε-ε₀)+C_T(T-T₀) 式(1)

式中，ε表示光纤的应变，T表示光纤的温度，ε₀表示光纤的初始应变，T₀表示光纤的初始温度，C_ε表示光纤的应变系数，C_T表示光纤的温度系数，υ _B 表示温度T和应变ε条件下的布里渊频移，υ _B0

表示初始布里渊频移；

S20将两根光纤复合入结构中的复材筋内部，在热力耦合环境下测得与两根光纤对应的布里渊频移数据；结合步骤S10标定的光纤的温度系数和应变系数，利用布里渊频移与温度和应变的关系模型，获得结构中的复材筋的温度和应变；

步骤S10在由常温升至400℃这一温度条件下进行标定，得到的温度系数标定结果为：若光纤初始应变为0～4000με，则标定光纤的温度系数为0.92MHz/℃；若光纤初始应变为4000～9000με，则标定光纤的温度系数为0.84MHz/℃；若光纤初始应变大于9000με，则标定光纤的温度系数为-1.07426e^-5x+0.91364，其中x为光纤初始应变。

2.根据权利要求1所述的在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法，其特征在于，所述光纤为单模光纤中的UV光纤。

3.根据权利要求1所述的在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法，其特征在于，步骤S10得到的应变系数标定结果为：若光纤初始应变为0～2500με，温度T为100℃时，则标定光纤的应变系数为43.0MHz/0.1％，温度T为350℃时，则标定光纤的应变系数为40.4MHz/0.1％，温度T为：100℃＜T＜350℃时，则在该温度区间进行差值取值来标定光纤的应变系数；若光纤初始应变为2500～17500με，温度T为：100℃≤T≤350℃时，则标定光纤的应变系数为45.0MHz/0.1％；所述差值取值为：(T-100℃)/(a-43MHz/0.1％)＝(350℃-100℃)/(40.4MHz/0.1％-43MHz/0.1％)，式中a为温度T对应的标定光纤的应变系数。

4.根据权利要求1所述的在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法，其特征在于，步骤S20具体包括：

S201将两根光纤预埋在结构中的复材筋内部，两根光纤沿复材筋长度方向布设在复材筋内部，其中一根光纤上套有套管；所述两根光纤的两端均可引出；

S202将两根光纤的一端相连，另一端分别通过光纤跳线与光纤解调仪相连；

S203使用光纤解调仪测得常温下光纤的布里渊频移，再按预定速率对结构进行升温，每隔预定时间通过光纤解调仪记录布里渊频移，待升到预定温度后进行恒温，然后对结构进行分级拉伸加载，通过光纤解调仪记录每级荷载下的布里渊频移；

S204结合步骤S10得到的光纤的温度系数和应变系数，利用布里渊频移与温度和应变的关系模型，获得光纤温度和应变，即获得任意时刻下复材筋的温度以及每级荷载下复材筋的应变。

5.根据权利要求4所述的在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法，其特征在于，步骤S203中，预定温度为400℃。

6.根据权利要求4所述的在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法，其特征在于，所述光纤解调仪为基于PPP-BOTDA技术的光纤解调仪，光纤解调仪的传感距离为25km，空间分辨率为0.1m，温度测试精度为0.75℃，应变测试精度为7.5με。

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