CN110044526A - 一种光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法。该传感器包括：锚杆和光纤；在锚杆的侧面开设有四个沿轴向延伸的凹槽，每个凹槽的两端均延伸至锚杆的两端，四个凹槽均匀分布在锚杆的四周；每个凹槽内放置有一根沿轴向贯穿凹槽的光纤；四个光纤首尾依次相连，形成串联光纤线路；串联光纤线路的一端与光源连接，另一端与解调器连接；每根光纤上均设置有一个应变光纤光栅，各应变光纤光栅位于锚杆的同一径向截面上；在每个凹槽内固定有两个定位部件，两个定位部件位于同一凹槽内的应变光纤光栅的两侧；定位部件用于将同一凹槽内的光纤固定在凹槽内；各个应变光纤光栅的中心波长不同。本发明不但能够测量应力的大小，还能测量应力的方向。

Description

一种光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法

技术领域

本发明涉及应力检测领域，特别是涉及一种光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法。

背景技术

光纤光栅(FiberBragg Grating)传感器简称FBG传感器，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格(Bragg)波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。FBG传感器是一种无源器件，具有抗电磁干扰、电绝缘性、耐腐蚀、体积小、稳定性高等优良特点。由于光纤光栅传感器具有电类传感器无法替代的以上优势，近年来在应力测量方面受到广泛应用。

现有的基于光纤光栅的应力测量方案大多将光纤光栅置于固定锚杆的垫板上或锚杆的两侧，这种光纤光栅应力测量方式只能测量应力的大小，无法实现应力方向的测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法，不但能够测量应力的大小，还能测量应力的方向。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种光纤光栅应力传感器，包括：锚杆和光纤；在所述锚杆的侧面开设有四个沿轴向延伸的凹槽，每个凹槽的两端均延伸至所述锚杆的两端，四个所述凹槽均匀分布在所述锚杆的四周；每个所述凹槽内放置有一根沿轴向贯穿所述凹槽的光纤；四个所述光纤首尾依次相连，形成串联光纤线路；所述串联光纤线路的一端与光源连接，另一端与解调器连接；每根所述光纤上均设置有一个应变光纤光栅，各所述应变光纤光栅位于所述锚杆的同一径向截面上；在每个凹槽内固定有两个定位部件，两个所述定位部件位于同一凹槽内的应变光纤光栅的两侧；所述定位部件用于将同一凹槽内的光纤固定在凹槽内；

各个所述应变光纤光栅的中心波长不同。

可选的，在所述锚杆侧面的两端设置有锁紧装置，所述锁紧装置用于锁紧所述锚杆。

可选的，在任意一个光纤上安装有温度光纤光栅，所述温度光纤光栅用于测量环境温度。

可选的，每个所述凹槽内的两个定位部件之间的光纤处于拉伸状态。

可选的，所述光纤为聚酰亚胺光纤。

本发明还公开一种光纤光栅应力传感器的加工方法，包括：

在锚杆的侧面沿轴向打磨四个凹槽，使四个凹槽均匀分布在所述锚杆的侧面；

选取四根光纤，在每个光纤的同一位置上均安装一个应变光纤光栅；

在每个光纤上将两个定位部件在预设温度下用低熔点玻璃固定在应变光纤光栅的两侧；

将四个带有定位部件的光纤分别置于对应的凹槽内；

对于每个光纤，先将一个定位部件使用紫外光胶固定在凹槽内，然后对另一个定位部件施加拉力，在保留拉力的同时将另一个定位部件用紫外光胶固定在凹槽内，使应变光纤光栅保持拉伸状态；

在固定好的定位部件上涂胶，并将涂胶后的锚杆置于恒温箱中进行固化处理；在每个定位部件的外侧的凹槽内涂软胶；

待所述软胶初步固化后，在光纤的两侧套上松套管，并将所述松套管固定在凹槽内；

将四根光纤依次串联连接。

可选的，在所述将四根光纤依次串联连接之后，还包括：

将锁紧装置固定在锚杆的两侧；

将所述锚杆置于恒温箱中进行老化处理。

本发明还公开一种光纤光栅应力传感器的标定方法，包括：

将具有斜断面的第一应力块和第二应力块的斜断面相对设置并贴合在一起；

将所述光纤光栅应力传感器插入所述第一应力块和所述第二应力块；

沿所述光纤光栅应力传感器的分布方向在所述第一应力块和所述第二应力块的表面粘贴多个应变片；

固定第二应力块，对第一应力块沿第一方向和第二方向均施加第一预设值的压力，并记录解调器的数据；所述第一方向和所述第二方向均朝向所述斜断面，且所述第一方向与所述第二方向相互垂直；

保持第一方向上施加的压力不变，将第二方向上的压力施加到第二预设值，使第一应力块产生滑动，记录解调器的数据和应变片对应的应力数据；

待解调器的数据变化稳定后，使第一方向上施加的压力增大到第二预设值；

继续在第二方向上施加压力使第一应力块在第二方向上的位移达到预设距离，记录解调器的数据和应变片对应的应力数据；

根据解调器的数据和应变片的数据的对应关系对光纤光栅应力传感器进行标定。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法，通过在锚杆侧面设置四个光纤，各个光纤均分分布在锚杆侧面，实现了对锚杆侧面的四个位置所受应力的测量，结合四个位置的应力，可以得到应力的方向。即本发明的光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法不但能够测量应力的大小，还能测量应力的方向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明光纤光栅应力传感器实施例的整体结构图；

图2为本发明光纤光栅应力传感器实施例的光纤分布图；

图3为本发明光纤光栅应力传感器实施例的光纤、定位部件和锚杆的结构图；

图4为本发明光纤光栅应力传感器的加工方法实施例的方法流程图；

图5为本发明光纤光栅应力传感器的标定方法实施例的两个应力块的结构图；

图6为本发明光纤光栅应力传感器的标定方法实施例的施加应力时的实验台布局及应变片分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法，不但能够测量应力的大小，还能测量应力的方向。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：

参见图1和图3，该光纤光栅应力传感器，包括：锚杆1和光纤3；在所述锚杆1的侧面开设有四个沿轴向延伸的凹槽，每个凹槽的两端均延伸至所述锚杆1的两端，四个所述凹槽均匀分布在所述锚杆1的四周；每个所述凹槽内放置有一根沿轴向贯穿所述凹槽的光纤3。参见图2，每两个相邻的光纤所对应的圆心角均为90度。四个所述光纤3首尾依次相连，形成串联光纤线路；所述串联光纤线路的一端与光源(图中未示出)连接，另一端与解调器7连接；每根所述光纤3上均设置有一个应变光纤光栅5，各所述应变光纤光栅5位于所述锚杆1的同一径向截面上；在每个凹槽内固定有两个定位部件4，两个所述定位部件4位于同一凹槽内的应变光纤光栅5的两侧；所述定位部件4用于将同一凹槽内的光纤3固定在凹槽内；

各个所述应变光纤光栅5的中心波长不同且中心波长间距较大，防止应变测量时因中心波长相距太小出现混叠，进而影响测量效果。

在所述锚杆1侧面的两端设置有锁紧装置2，所述锁紧装置2用于锁紧所述锚杆1。

在任意一个光纤3上安装有温度光纤光栅6，所述温度光纤光栅6用于测量环境温度。通过锚杆上设置的一个温度光纤光栅测量环境温度，消除温度对应变光纤光栅的影响。锚杆上共设置有五个光栅，其中四个用作应变，一个用作温度补偿，利用插值法将锚杆上的四个应变光纤光栅的波长变化量分别减去温度引起的波长变化量，得到消除温度影响后的应变波长变化量。

每个所述凹槽内的两个定位部件4之间的光纤3处于拉伸状态。

所述光纤3为聚酰亚胺光纤。所述锚杆的直径为8mm，长度为10cm～12cm。

实施例2：

参见图4，上述光纤光栅应力传感器的加工方法，包括：

步骤201：在锚杆的侧面沿轴向打磨四个凹槽，使四个凹槽均匀分布在所述锚杆的侧面；每个凹槽均沿轴向延伸至所述锚杆的两端。

步骤202：选取四根光纤，在每个光纤的同一位置上均安装一个应变光纤光栅；所述光纤选用聚酰亚胺光纤。

步骤203：在每个光纤上将两个定位部件在预设温度下用低熔点玻璃固定在应变光纤光栅的两侧；预设温度为270摄氏度～350摄氏度，每个定位部件与应变光纤光栅的距离均不小于3mm，防止在固定定位部件时粘合剂触碰应变光纤光栅而影响测量效果。

光纤选用聚酰亚胺光纤能够适应350摄氏度的高温环境，并保证锚杆具有良好的抗拉能力。

步骤204：将四个带有定位部件的光纤分别置于对应的凹槽内；

步骤205：对于每个光纤，先将一个定位部件使用紫外光胶固定在凹槽内，然后对另一个定位部件施加拉力，在保留拉力的同时将另一个定位部件用紫外光胶固定在凹槽内，使应变光纤光栅保持拉伸状态；拉力的大小应保证应变光纤光栅的中心波长偏移2nm。在固定时，紫外光的照射时间需保证固定完好，防止定位部件的滑动和脱落。

步骤206：在固定好的定位部件上涂353ND胶，使353ND胶能够充分包裹定位部件，并将涂胶后的锚杆置于恒温箱中在60摄氏度下进行4个小时的固化处理；待四个凹槽内的光纤均固定完成，在每个定位部件的外侧的凹槽内涂704软胶，防止定位部件处的光纤在安装松套管时损坏；

步骤207：待704软胶初步固化后，在光纤的两侧套上松套管，并将所述松套管通过AB胶固定在凹槽内；

步骤208：将四根光纤依次串联连接。

作为一种可选的实施方式，在所述将四根光纤依次串联连接之后，还包括：

将锁紧装置固定在锚杆的两侧；

将所述锚杆置于恒温箱中在60摄氏度下进行24小时的老化处理。

实施例3：

上述的光纤光栅应力传感器的标定方法是在仿断层面平台上完成的，包括：

将具有斜断面的第一应力块和第二应力块的斜断面相对设置并贴合在一起。参见图5，为了模拟断层面的移动，监测断层的应力，使用两个带有一定度数切角的铝块来模拟断层，通过切角形成斜断面。铝块中设计了3行2列的通孔用于放置锚杆应力计，两个铝块在外力情况下将沿着斜断面滑动。

将所述光纤光栅应力传感器插入所述第一应力块和所述第二应力块；使锚杆上的其中两个同一直径上的光纤所在平面沿竖直方向，另外两个同一直径上的光纤所在平面沿水平方向；光纤光栅应力传感器的数量根据需要可选择1～6个。

沿所述光纤光栅应力传感器的分布方向在所述第一应力块和所述第二应力块的表面粘贴多个应变片；参见图6，应变片的数量为12个，包括两组轴向测量应变片和两组应变花。应变花中含有3个应变片，分别与锚杆成水平、垂直以及45°夹角，用于监测不同方向上的应变。

固定第二应力块，对第一应力块沿第一方向和第二方向均施加第一预设值的压力，并记录解调器的数据；所述第一方向和所述第二方向均朝向所述斜断面，且所述第一方向与所述第二方向相互垂直。具体为：参见图6，将安装有锚杆的应力块放置到仿断层面实验台上，应力块底部放有万向钢珠轴承板用于减少底部摩擦，并应力块四周加装固定钢块用于实验前固定应力块。将试验台推入实验位置，并锁紧试验台底部，防止实验过程中滑动，影响实验效果。将应变片和锚杆应力预实验设备连接，启动设备。将应力块的前方和右方与试验台接触并锁紧，前方和右方是固定端无法移动。然后由计算机控制启动F2和F3方向上的液压推进装置，推进到与放置好的应力块在F2和F3方向上的钢块恰好接触，接下来在应力块左方和后方接同时逐步从0加力到10KN，用于约束应力块，此刻开始记录数据。

保持第一方向上施加的压力不变，将第二方向上的压力施加到第二预设值，使第一应力块产生滑动，记录解调器的数据和应变片对应的应力数据；具体为：参见图6，在F2方向上液压装置保持10KN的力不变，在F3方向上的液压装置逐步加力到50KN，由于F2与F3方向上的力不同，应力块将产生滑动，然后保持一段时间的稳定后再继续下一步实验。

待解调器的数据变化稳定后，使第一方向上施加的压力增大到第二预设值，即50KN；

继续在第二方向上施加压力使第一应力块在第二方向上的位移达到预设距离，记录解调器的数据和应变片对应的应力数据；具体为：在F2方向上的液压装置继续保持50KN的力不变，F3方向上的液压装置逐步施加位移直到1mm，模拟断层移动。

根据解调器的数据和应变片的数据的对应关系对光纤光栅应力传感器的标定。

将制作完成的锚杆安装到了预先设计的应力块上，将安装过锚杆的应力块放到仿断层面实验平台上，对断层加载力模拟断层的移动。锚杆与应力块相接触，当应力块发生变化时给锚杆作用力，从而导致锚杆发生形变。然后布置在锚杆表面相应位置的光纤光栅发生变化，其栅距发生变化导致中心波长的变化。

通过光纤将光信号传输到解调仪，通过解调仪将信号进行解析，根据公式即可获得相应应变光纤光栅位置锚杆的应变情况，式中Δλ光纤中心波长的变化量，α_τ为应变与波长变化的系数。

获得锚杆受到轴向力的情况时，锚杆受到轴向拉伸，获得设置于锚杆上的应变光纤光栅所在位置的应变情况，然后分别将每个截面上的应变光纤光栅应变情况取均值获得锚杆一点上的应变ε，得到截面应力σ＝Eε，然后根据公式F＝Sσ，得到锚杆轴向力F，其中E是锚杆材质的弹性模量，S是锚杆截面面积。

获得锚杆受到切向力的情况时，根据应变光纤光栅设置，获得截面四点的应变量，根据截面四点的应变量，获得锚杆在截面位置中心线的曲率半径R，以及表示该位置的弯曲方向角度α，之后根据截面位置的弯曲情况判断锚杆的切向方向受力情况，并根据锚杆所处的状态，得到该状态下的挠度方程ω(x)＝f(x)。

其中，ω(x)是锚杆x位置的锚杆切向变形量；

l表示锚杆两个固定端之间的长度；

a表示受力位置到锚杆下端的固定位置；

b表示受力位置到锚杆上端的固定位置；

a+b＝l

再根据曲线的曲率半径方程将截面位置的曲率半径R以及ω(x)带入曲率半径方程，即得到锚杆受力的大小，再通过判断锚杆的弯曲方向角度α得到锚杆所受切向力的方向。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明所公开的光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法，通过在锚杆侧面设置四个光纤，各个光纤均分分布在锚杆侧面，实现了对锚杆侧面的四个位置所受应力的测量，结合四个位置的应力，可以得到应力的方向。即本发明的光纤光栅应力传感器及其加工和标定方法不但能够测量应力的大小，还能测量应力的方向。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种光纤光栅应力传感器，其特征在于，包括：锚杆和光纤；在所述锚杆的侧面开设有四个沿轴向延伸的凹槽，每个凹槽的两端均延伸至所述锚杆的两端，四个所述凹槽均匀分布在所述锚杆的四周；每个所述凹槽内放置有一根沿轴向贯穿所述凹槽的光纤；四个所述光纤首尾依次相连，形成串联光纤线路；所述串联光纤线路的一端与光源连接，另一端与解调器连接；每根所述光纤上均设置有一个应变光纤光栅，各所述应变光纤光栅位于所述锚杆的同一径向截面上；在每个凹槽内固定有两个定位部件，两个所述定位部件位于同一凹槽内的应变光纤光栅的两侧；所述定位部件用于将同一凹槽内的光纤固定在凹槽内；

各个所述应变光纤光栅的中心波长不同。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅应力传感器，其特征在于，在所述锚杆侧面的两端设置有锁紧装置，所述锁紧装置用于锁紧所述锚杆。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅应力传感器，其特征在于，在任意一个光纤上安装有温度光纤光栅，所述温度光纤光栅用于测量环境温度。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅应力传感器，其特征在于，每个所述凹槽内的两个定位部件之间的光纤处于拉伸状态。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅应力传感器，其特征在于，所述光纤为聚酰亚胺光纤。

6.一种如权利要求1～5中任意一项所述的光纤光栅应力传感器的加工方法，其特征在于，包括：

在锚杆的侧面沿轴向打磨四个凹槽，使四个凹槽均匀分布在所述锚杆的侧面；

选取四根光纤，在每个光纤的同一位置上均安装一个应变光纤光栅；

在每个光纤上将两个定位部件在预设温度下用低熔点玻璃固定在应变光纤光栅的两侧；

将四个带有定位部件的光纤分别置于对应的凹槽内；

对于每个光纤，先将一个定位部件使用紫外光胶固定在凹槽内，然后对另一个定位部件施加拉力，在保留拉力的同时将另一个定位部件用紫外光胶固定在凹槽内，使应变光纤光栅保持拉伸状态；

在固定好的定位部件上涂胶，并将涂胶后的锚杆置于恒温箱中进行固化处理；在每个定位部件的外侧的凹槽内涂软胶；

待所述软胶初步固化后，在光纤的两侧套上松套管，并将所述松套管固定在凹槽内；

将四根光纤依次串联连接。

7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，在所述将四根光纤依次串联连接之后，还包括：

将锁紧装置固定在锚杆的两侧；

将所述锚杆置于恒温箱中进行老化处理。

8.一种如权利要求1～5中任意一项所述的光纤光栅应力传感器的标定方法，其特征在于，包括：

将具有斜断面的第一应力块和第二应力块的斜断面相对设置并贴合在一起；

将所述光纤光栅应力传感器插入所述第一应力块和所述第二应力块；

沿所述光纤光栅应力传感器的分布方向在所述第一应力块和所述第二应力块的表面粘贴多个应变片；

固定第二应力块，对第一应力块沿第一方向和第二方向均施加第一预设值的压力，并记录解调器的数据；所述第一方向和所述第二方向均朝向所述斜断面，且所述第一方向与所述第二方向相互垂直；

保持第一方向上施加的压力不变，将第二方向上的压力施加到第二预设值，使第一应力块产生滑动，记录解调器的数据和应变片对应的应力数据；

待解调器的数据变化稳定后，使第一方向上施加的压力增大到第二预设值；

继续在第二方向上施加压力使第一应力块在第二方向上的位移达到预设距离，记录解调器的数据和应变片对应的应力数据；

根据解调器的数据和应变片的数据的对应关系对光纤光栅应力传感器进行标定。