CN110319958B - 光纤光栅传感装置及使用其的压力环的制备和使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用光纤光栅应变传感器监测结构构件受力的装置，具体涉及光纤光栅传感装置及使用其的压力环的制备和使用方法。光纤光栅传感装置包括光纤光栅传感器、封装杆件及连接螺帽，所述封装杆件中间段设有纵向凹槽，光纤光栅传感器置于纵向凹槽内，所述封装杆件两端设有螺纹，封装杆件通过两端的螺纹与连接螺帽连接，封装杆件两端通过连接螺帽以压力环为受力支撑对裸光栅实施预拉力，使封装杆件连同裸光栅在整个服役期处于受拉状态。本申请还公开了包含光纤光栅传感装置的压力环，本申请减少偏载情况下弯曲应力的影响，减少测量误差，提高测量精度，消除光纤光栅受压监测会因弯曲而产生的测量误差，同时减少生产成本，加工时省时省造价。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用应变传感器监测结构构件受力的装置，具体涉及光纤光栅传感装置及使用其的压力环的制备和使用方法。
背景技术
斜拉桥的拉索、系杆拱桥的吊杆、悬索桥和索道的缆索、岩土和边坡护坡的锚杆、大跨度构件的体内外预应力筋以及体育场馆、网支撑体系中的索网均是这些结构的核心受力构件，其受力状态的监测是保证其安全施工和运营的必要手段，对其安全评估、运营管养、加固决策及防灾减灾具有重要意义。目前，此类构件的受力测量装置有磁通量传感器、频率计以及电阻式应变压力环等。磁通量传感器是通过测试磁性材料的磁导率变化来测定构件的应力，是一个静态绝对电压值，存在以下局限性：1、因其内部线圈相互干扰，测量精度不高；2、磁化拉索时需要一定的响应时间，响应速度比较慢导致测量数据滞后；3、其内部线圈及其它电子元器件的容易老化从而引起数据随时间漂移。频率计要求被测对象仅做微幅振动且无横向外推力，容易受阻尼器等端部约束条件影响，因此应用也受到限制；电阻式应变压力环，发展技术时间长，制作技术成熟，但应用存在以下问题：1、电阻式应变压力环耐久性差，使用寿命短，难以实现结构运营阶段的受力监测；2、因其受温度影响较大，导致其温漂较大；3、电阻式应变压力环对偏载的情况下采用多个应变片取平均的方法，此方法误差大，测量精度较低，对应变的精确测量存在较大的障碍。
光纤光栅技术通过栅格反射波长和移动来感知外界物理量的微小变化，测量线性拟合度高，稳定性好。光纤光栅可对结构的应力应变进行高精度的、绝对的、准分布式数字测量，同时还具有抗电磁干扰能力强、耐高温、传感器体积小、接线简单、可实现数据远距离传输的特点，特别适合用于拉索类构件的受力状态的监测。
发明内容
为了达到上述目的，本发明提供了涉及光纤光栅传感装置及使用其的压力环、制备和使用方法，解决了现有技术中存在的问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种光纤光栅传感装置，包括光纤光栅传感器41、封装杆件42及连接螺帽43，所述封装杆件42中间段设有纵向凹槽44，光纤光栅传感器41置于纵向凹槽44内，所述封装杆件42两端设有螺纹45，所述封装杆件42通过两端的螺纹45与连接螺帽43连接；
所述光纤光栅传感器41包括裸光纤一46、裸光纤二49、裸光栅48、毛细胶管47，所述光纤光栅传感器41的一端为长度大于300mm的裸光纤一46，另一端为裸光纤二49，所述裸光纤一46穿过毛细胶管47并露出，，所述裸光纤二49穿过毛细胶管47，裸光纤二49的端部为0.5mm的尾纤52，中间段的裸光栅48外露，用光纤光栅胶粘剂60将毛细胶管47及其内含约1mm长的裸光纤一46、裸光栅48、裸光纤二49及尾纤52粘贴于封装杆件42的纵向凹槽44内；
利用与封装杆件42两端的螺纹45配套的连接螺帽43及套筒扳手以压力环为受力支撑，使光纤光栅传感装置40的封装杆件42产生预拉力，带动封装杆件42的纵向凹槽44内的裸光栅48产生预拉力，预拉力大小大于等于封装杆件42产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧。
优选的，所述封装杆件42为M4-M8高强螺杆或直径4-8mm高强钢丝，所述凹槽44的深度为0.2-0.6mm。
一种光纤光栅传感装置的压力环，所述的压力环还包括上支座板10，下支座板20，承力支柱30，所述上支座板10沿环向设有榫卯开孔11及螺帽开孔12，所述下支座板20沿环向设有与榫卯开孔11及螺帽开孔12对称的下榫卯开孔21及下螺帽开孔22，承力支柱30两端分别与所述榫卯开孔11和下榫卯开孔21连接，光纤光栅传感装置40两端分别与所述螺帽开孔12和下螺帽开孔22连接。
优选的，所述上支座板10与下支座板20为结构相同的中心穿孔环形板，上支座板10的材料为不锈钢或40铬，其中心穿孔的孔径大于被测构件直径，上支座板10的厚度为20mm～30mm，环向宽度为30mm。
优选的，所述螺帽开孔12包括螺帽内侧孔12a和螺帽外侧孔12b，所述下螺帽开孔22包括下螺帽内侧孔22a和下螺帽外侧孔22b，所述螺帽内侧孔12a和下螺帽内侧孔22a的孔径与封装杆件42直径相匹配，用于穿过封装杆件42，所述螺帽内侧孔12a和下螺帽内侧孔22a的深度为上支座板10和下支座板20厚度的一半，所述螺帽外侧孔12b和下螺帽外侧孔22b的孔径大于连接螺帽43，能让与连接螺帽43配套的套筒板手自由扭动连接螺帽43，所述螺帽外侧孔12b和下螺帽外侧孔22b的深度为上支座板10和下支座板20厚度的一半。
优选的，所述承力支柱30的材料与上支座板10和下支座板20材料相同，所述承力支柱30两端设有承力支柱之榫卯端31，所述承力支柱之榫卯端31与上支座板10的榫卯开孔11和下支座板20的下榫卯开孔21相连接，所述承力支柱30的直径小于等于上支座板10与下支座板20的环向宽度。
优选的，所述榫卯开孔11、下榫卯开孔21及承力支柱30的数量一致；所述螺帽开孔12、下螺帽开孔22及光纤光栅传感装置40的数量一致。
优选的，所述压力环套装在保护罩50内，所述保护罩50侧面设有开孔51。
压力环的制作方法，具体步骤包括：
步骤一、根据实际工程的受力大小，选择压力环的量程，确定承力支柱30的直径，根据公式1承力支柱30的数量n，计算并考虑到对称性，取能被4整除的整数，选择相应的上支座板10和下支座板20；
式中，N代表压力环满量程所需监测的压力，r1代表承力支柱(30)的半径，σ1代表承力支柱(30)在长期服役过程中材料疲劳强度；
步骤二：在上支座板10沿环向开设榫卯开孔11及螺帽开孔12，下支座板20沿环向开设与榫卯开孔11及螺帽开孔12对称的下榫卯开孔21及下螺帽开孔22，承力支柱30两端的承力支柱之榫卯端31分别与所述榫卯开孔11和下榫卯开孔21连接；
步骤三、光纤光栅传感器41的一端为长度大于300mm的裸光纤一46，另一端为裸光纤二49，所述裸光纤一46穿过毛细胶管47并露出，所述裸光纤二49穿过毛细胶管47并露出长度为0.5mm的尾纤52，中间段的裸光栅48外露，用光纤光栅胶粘剂60将毛细胶管47及其内含约1mm长的裸光纤一46、裸光栅48、裸光纤二49及尾纤52粘贴于封装杆件42的纵向凹槽44内，光纤光栅胶粘剂60完全固化后，待用；
步骤四、将光纤光栅传感装置40的封装杆件42含毛细胶管的一端连同毛细胶管47穿过下支座板20的下螺帽开孔22，而后只将封装杆件42含毛细胶管的一端再次穿过上支座板10的螺帽开孔12，毛细胶管47不穿过上支座板10，从上支座板10的内侧引出；
步骤五、利用与封装杆件42两端的螺纹45配套的连接螺帽43及套筒扳手给光纤光栅传感装置40的封装杆件42施加预拉力，带动封装杆件42的纵向凹槽44内的裸光栅48产生预拉力，预拉力的大小大于等于封装杆件42产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧；
预拉力F的计算公式如式(2)：
式中，N代表压力环满量程所需监测的压力，r1代表承力支柱30的半径，n代表承力支柱30的数量，E1代表承力支柱30的材料弹性模量，A2代表封装杆件42的纵向凹槽44处的横截面面积，E2代表封装杆件42的材料弹性模量；
同时在螺帽开孔12)、下螺帽开孔22周围用高强度环氧树脂灌缝密实；
步骤六、重复步骤五，依次沿压力环环向等间距将光纤光栅传感装置40安装好，数量3至6个为最佳；
步骤七、在任意一个光纤光栅传感器41上串联熔接一个不受力的光纤光栅传感器，作为温度传感器进行温度补偿；
步骤八、压力环套装在保护罩50内，所述保护罩50设有一个开孔51，将所有光纤光栅传感装置40的裸光纤一46及其毛细胶管47从保护罩50的开孔51中引出，并与光纤光栅跳线熔接。
压力环的使用方法，所述压力环用于监测岩石锚索索力使用方法，步骤包括：
准备好压力环90、光纤光栅配套测量设备80，将岩士锚索70安装于压力环90的中心穿孔处，将锚垫板71和所述的压力环90穿过岩士锚索70的外端套在锚杯72上，并将锚垫板71卡在锚索的锚管73上，锚索张拉完成后，将螺母74拧紧，套上锚杯盖75。
本发明的有益效果是：1、通过将压力环分成几个组件：上下支座板及承力支柱，然后进行组装，与常规的压力环中受力支柱和上下支座板是一个整体而言：
①可实现将多规格的不同量程的压力环其承力支柱统一规格，进行批量加工，只是需要根据不同量程选择不同数量的承力支柱，减少生产成本；
②组件上下支座板为带穿孔的圆环板，承力支柱为两端带榫卯的圆柱体，均为标准形状，相比常规的压力环非标准的异形件而言，机加工要容易的多，加工时省时省造价；
③通过改变常规压力环整体结构为多个组件组合装配式结构，可节省材料，降低成本；
④特别地，通过多个组装件承力支柱的组装，使每一个承力支柱受力为轴心受力，而常规的压力环承力件是整个圆环，在偏载情况下不是轴心受力，载荷侧受压而非载荷侧受拉，弯曲影响很大，构件易受拉而屈服，影响材料性能。
2、通过设置有光纤光栅传感装置，相比传统的电阻式应变片压力环传感器而言：
①光纤光栅传感器耐久性好，使用寿命长，不仅可以实现结构施工时的监测，还可实现结构运营阶段全生命周期的监测；
②光纤光栅传感器受温度影响较小，并可串联温度传感器进行温度补偿，监测误差小，精度高；
③与光纤光栅解调仪配套使用，可形成远程实时云监测系统，真正实现实时监测功能，而常规的电阻式应变片难以做到；
④特别地，与组合装配式压力环的组件相结合，设置组装式的光纤光栅传感装置，使每一个光纤光栅传感器即使在偏载情况下也均属于轴向受力状态，而不是将光纤光栅传感器直接粘贴在传统的压力环纵向壁上，减少偏载情况下弯曲应力的影响，减少测量误差，提高测量精度；
⑤特别地，通过步骤五，利用配套的螺帽及套筒扳手给光纤光栅传感装置的封装杆件及裸光栅施加预拉力，预拉力大小等于或略大于封装杆件产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧。此预拉力的施加，使得光纤光栅传感器在服役前即产生压力环满量程的拉应变，使其在整个服役期利用拉应变的恢复来监测压力环所产生的压应变，改变监测原理，消除光纤光栅受压监测会因弯曲而产生的测量误差，尤其是减小光纤光栅传感器有一定粘贴厚度或粘贴厚度不均匀时受压时弯曲应变影响很大的情况下的监测误差。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明压力环的结构示意图；
图2为本发明压力环的主视图；
图3为本发明压力环的上支座板的示意图；
图4为本发明压力环的下支座板的示意图；
图5为本发明压力环承力支柱图；
图6为本发明开孔及保护罩的结构示意图；
图7为本发明光纤光栅传感装置的局部实体图；
图8为本发明光纤光栅传感装置的高强螺杆结构示意图；
图9为本发明光纤光栅传感装置的封装杆件未耦合光纤光栅的横截面图；
图10为本发明光纤光栅传感装置的封装杆件耦合光纤光栅的横截面图；
图11为本发明压力环用于监测岩土锚索索力的安装使用示意图。
图中：10-上支座板，20-下支座板，30-承力支柱，40-光纤光栅传感装置，11-榫卯开孔，21-下榫卯开孔，12-螺帽开孔，22-下螺帽开孔，12a-螺帽内侧孔，12b-螺帽外侧孔，22a-下螺帽内侧孔，22b-下螺帽外侧孔，31-承力支柱之榫卯端，41-光纤光栅传感器，42-封装杆件，43-连接螺帽，44-纵向凹槽，45-螺纹，46-裸光纤一，47-毛细胶管，48-裸光栅，49-裸光纤二，50-保护罩，51-保护罩之开孔，52-尾纤，60-光纤光栅胶粘剂，70-岩士锚索，71-锚垫板，72-锚杯，73-锚管，74-螺母，75-锚杯盖，80-光纤光栅配套测量设备，90-压力环。
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。
实施例1：
参考图7-10，一种光纤光栅传感装置，包括光纤光栅传感器41、封装杆件42及连接螺帽43，所述封装杆件42中间段设有纵向凹槽44，光纤光栅传感器41置于纵向凹槽44内，所述封装杆件42两端设有螺纹45，所述封装杆件42通过两端的螺纹45与连接螺帽43连接；
所述光纤光栅传感器41包括裸光纤一46、裸光纤二49、裸光栅48、毛细胶管47，所述光纤光栅传感器41的一端为裸光纤一46，所述裸光纤一46的长度大于300mm，所述裸光纤一46穿过毛细胶管47并露出，所述光纤光栅传感器41的另一端为裸光纤二49，所述裸光纤二49穿过毛细胶管47并露出，裸光纤二49的端部设有长度为0.5mm的尾纤52，中间段的裸光栅48外露，用光纤光栅胶粘剂60将毛细胶管47及其内含约1mm长的裸光纤一46、裸光栅48、裸光纤二49及尾纤52粘贴于封装杆件42的纵向凹槽44内；
利用与封装杆件42两端的螺纹45配套的连接螺帽43及套筒扳手以压力环为受力支撑，使光纤光栅传感装置40的封装杆件42产生预拉力，带动封装杆件42的纵向凹槽44内的裸光栅48产生预拉力，预拉力大小大于等于封装杆件42产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧。
在本实施例中，所述封装杆件42为M4-M8高强螺杆或直径4-8mm高强钢丝，中间段铣平，厚2mm，并在一侧设置纵向凹槽44，深度为0.2-0.6mm。
实施例2
参考图1-6，包含实施例1所述的一种光纤光栅传感装置的压力环，所述的压力环还包括上支座板10，下支座板20，承力支柱30，所述上支座板10与下支座板20为结构相同的中心穿孔环形板，所述上支座板10与下支座板20的厚度为20mm～30mm，环向宽度为30mm，材料为不锈钢或40铬，上支座板10与下支座板20中心穿孔的孔径相等，上支座板10与下支座板20中心穿孔的孔径大于被测构件直径，便于被测构件穿过，在本实施例中，用于斜拉桥拉索受力时，拉索锚固端锚杯外径为195mm，压力环上支座板10、下支座板20的中心穿孔孔径取196-200mm，所述上支座板10沿环向设有榫卯开孔11及螺帽开孔12，所述下支座板20沿环向设有与榫卯开孔11及螺帽开孔12对称的下榫卯开孔21及下螺帽开孔22，承力支柱30两端设有承力支柱之榫卯端31，承力支柱之榫卯端31分别与所述榫卯开孔11和下榫卯开孔21连接，所述承力支柱30的材料与上支座板10相同，所述承力支柱30的直径小于等于上支座板10与下支座板20的环向宽度，光纤光栅传感装置40两端分别与所述螺帽开孔12和下螺帽开孔22连接；压力环套装在保护罩50内，所述保护罩50侧面设有开孔51；
所述榫卯开孔11、下榫卯开孔21及承力支柱30的数量一致，所述螺帽开孔12、下螺帽开孔22及光纤光栅传感装置40的数量一致；
所述承力支柱30的数量计算公式如式(1)，考虑到对称性，取能被4整除的整数，：
式中，N代表压力环满量程所需监测的压力，r1代表承力支柱(30)的半径，σ1代表承力支柱(30)在长期服役过程中材料疲劳强度；在本实施例中，用于斜拉桥拉索受力时，假定拉索的承力设计值为1500KN，即压力环满量程为1500KN，承力支柱30直径选择为25mm，材料选择高强钢，屈服强度650MPa，长期使用时疲劳强度取其屈服强度一半以下为300MPa，即承力支柱30的数量为：
(个)，考虑到对称性，取能被4整除的整数，即选择12个受力支柱。
所述螺帽开孔12包括螺帽内侧孔12a和螺帽外侧孔12b，所述下螺帽开孔22包括下螺帽内侧孔22a和下螺帽外侧孔22b，所述螺帽内侧孔12a和下螺帽内侧孔22a与封装杆件42直径相匹配，用于穿过封装杆件42，所述螺帽外侧孔12b和下螺帽外侧孔22b的孔径大于连接螺帽43 2mm，以能让与连接螺帽43配套的套筒板手自由旋动，用于对封装杆件42及其裸光栅48施加预拉力之用，所述螺帽外侧孔12b和下螺帽外侧孔22b的深度为上支座板10和下支座板20厚度的一半。
实施例3
参考图1-10，实施例2中所述压力环的制作方法，具体步骤包括：
步骤一、根据实际工程的受力大小，选择压力环的量程，确定承力支柱30的直径，根据公式(1)承力支柱(30)的数量n，考虑到对称性，取能被4整除的整数，选择相应的上支座板10和下支座板20；
式中，N代表压力环满量程所需监测的压力，r1代表承力支柱(30)的半径，σ1代表承力支柱30在长期服役过程中材料疲劳强度；选择相应的上支座板(10)和下支座板(20)；
在本实施例中，用于斜拉桥拉索受力时，假定拉索的承力设计值为1500KN，即压力环满量程为1500KN，承力支柱30直径选择为25mm，材料选择高强钢，屈服强度650MPa，长期使用时疲劳强度取其屈服强度一半以下为300MPa，即承力支柱30的数量为：
(个)，考虑到对称性，取能被4整除的整数，即选择12个受力支柱。
步骤二、在上支座板10沿环向开设榫卯开孔11及螺帽开孔12，下支座板20沿环向开设与榫卯开孔11及螺帽开孔12对称的下榫卯开孔21及下螺帽开孔22，承力支柱30两端的承力支柱之榫卯端31分别与所述榫卯开孔11和下榫卯开孔21连接；
步骤三、光纤光栅传感器41的一端为裸光纤一46，所述裸光纤一46的长度大于300mm的裸光纤一46，另一端为裸光纤二49，所述裸光纤一46穿过毛细胶管47并露出，所述裸光纤二49穿过毛细胶管47，裸光纤二49的端部为0.5mm的尾纤52，中间段的裸光栅48外露，用光纤光栅胶粘剂60将毛细胶管47及其内含约1mm长的裸光纤一46、裸光栅48、裸光纤二49及尾纤52粘贴于封装杆件42的纵向凹槽44内，光纤光栅胶粘剂60完全固化后，待用；
步骤四、将光纤光栅传感装置40的封装杆件42含毛细胶管的一端连同毛细胶管47穿过下支座板20的下螺帽开孔22，而后只将封装杆件42含毛细胶管的一端再次穿过上支座板10的螺帽开孔12，毛细胶管47不穿过上支座板10，从上支座板10的内侧引出；
步骤五、利用与封装杆件42两端的螺纹45配套的连接螺帽43及套筒扳手给光纤光栅传感装置40的封装杆件42施加预拉力，带动封装杆件42的纵向凹槽44内的裸光栅48产生预拉力，预拉力大小等于或大于封装杆件42产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧；
预拉力F按公式(2)：
式中，N代表压力环满量程所需监测的压力，r1代表承力支柱30的半径，n代表承力支柱30的数量，E1代表承力支柱30的材料弹性模量，A2代表封装杆件42的纵向凹槽44处的横截面面积，E2代表封装杆件42的材料弹性模量；
同时螺帽开孔12、下螺帽开孔22周围用高强度环氧树脂灌缝密实；
在本实施例中：若压力环满量程为1500KN，材料为高强度钢，则其弹性模量为1.95×105MPa，承力支柱直径25mm，数量12个，封装杆件42的纵向凹槽44处的横截面面积为13.5mm2，则施加预拉力F：
可取4KN，同时也可用本身光纤光栅传感器进行施加预拉力大小的测量，本实例中封装杆件42及其裸光栅48施加预拉力需产生的微应变为：
一般光纤光栅的应变灵敏系数为0.0012nm/με，当光纤光栅的中心波长变化达1520×0.0012＝1.83nm以上时，预应力施加结束，用双螺帽扭紧，螺帽孔用高强度环氧树脂灌缝密实。
步骤六、重复步骤五，依次沿压力环环向等间距将光纤光栅传感装置40安装好，数量3至6个为最佳；
步骤七、在任意一个光纤光栅传感器41上串联熔接一个不受力的光纤光栅传感器，作为温度传感器进行温度补偿；
步骤八、压力环套装在保护罩50内，所述保护罩50设有一个开孔51，将所有光纤光栅传感装置40的裸光纤46及其毛细胶管47从保护罩50的开孔51中引出，并与光纤光栅跳线熔接。
实施例4
参考图11，实施例2或3所述的压力环的使用方法，压力环用于监测岩石锚索索力使用方法，步骤包括：
准备好压力环90、光纤光栅配套测量设备80，待岩士锚索70安装就位后，将锚垫板71和所述的压力环90穿过岩士锚索70的外端套在锚杯72上并卡在锚索的锚管73上，锚索张拉完成后，将螺母74拧紧，套上锚杯盖75。
本申请的压力环为多个组件组装式结构，可节省材料，降低成本，实现将多规格的不同量程的压力环其承力支柱统一规格，进行批量加工，只是需要根据不同量程选择不同数量的承力支柱，减少生产成本；
上支座板10、下支座板20为中心穿孔环形板，承力支柱30为两端设承力支柱之榫卯端31的圆柱体，均为标准形状，相比常规的压力环非标准的异形件而言，机加工要容易的多，加工时省时省造价；
通过多个组装件承力支柱30的组装，使每一个承力支柱受力为轴心受力，而常规的压力环承力件是整个圆环，在偏载情况下不是轴心受力，载荷侧受压而非载荷侧受拉，弯曲影响很大，构件易受拉而屈服，影响材料性能；
本申请设置了光纤光栅传感装置40，相比传统的电阻式应变片压力环传感器而言：
光纤光栅传感器耐久性好，使用寿命长，不仅可以实现结构施工时的监测，还可实现结构运营阶段全生命周期的监测；
光纤光栅传感器受温度影响较小，并可串联温度传感器进行温度补偿，监测误差小，精度高；
与光纤光栅解调仪配套使用，可形成远程实时云监测系统，真正实现实时监测功能，而常规的电阻式应变片难以做到；
与组合装配式压力环的组件相结合，设置组装式的光纤光栅传感装置，使每一个光纤光栅传感器即使在偏载情况下也均属于轴向受力状态，而不是将光纤光栅传感器直接粘贴在传统的压力环纵向壁上，减少偏载情况下弯曲应力的影响，减少测量误差，提高测量精度；
利用配套的连接螺帽43及套筒扳手给光纤光栅传感装置的封装杆件施加预拉力，预拉力大小等于或略大于封装杆件产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧。此预拉力力施加，使得光纤光栅传感器在服役前即产生压力环满量程的拉应变，使其在服役服时利用拉应变的恢复来监测压力环所产生的压应变，改变监测原理，消除光纤光栅受压监测会因弯曲而产生的测量误差，尤其是减小光纤光栅传感器有一定粘贴厚度或粘贴厚度不均匀时受压时弯曲应变影响很大的情况下的监测误差。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范。
Claims (7)
1.一种包含光纤光栅传感装置的压力环制作方法，其特征在于，包括光纤光栅传感器(41)、封装杆件(42)及连接螺帽(43)，所述封装杆件(42)中间段设有纵向凹槽(44)，光纤光栅传感器(41)置于纵向凹槽(44)内，所述封装杆件(42)两端设有螺纹(45)，所述封装杆件(42)通过两端的螺纹(45)与连接螺帽(43)连接；
所述光纤光栅传感器(41)包括裸光纤一(46)、裸光纤二(49)、裸光栅(48)、毛细胶管(47)，所述光纤光栅传感器(41)的一端为长度大于300mm的裸光纤一(46)，另一端为裸光纤二(49)，所述裸光纤一(46)穿过毛细胶管(47)并露出，所述裸光纤二(49)穿过毛细胶管(47)，裸光纤二(49)的端部为0.5mm的尾纤(52)，中间段的裸光栅(48)外露，用光纤光栅胶粘剂(60)将毛细胶管(47)及其内含约1mm长的裸光纤一(46)、裸光栅(48)、裸光纤二(49)及尾纤(52)粘贴于封装杆件(42)的纵向凹槽(44)内；
利用与封装杆件(42)两端的螺纹(45)配套的连接螺帽(43)及套筒扳手以压力环为受力支撑，使光纤光栅传感装置(40)的封装杆件(42)产生预拉力，带动封装杆件(42)的纵向凹槽(44)内的裸光栅(48)产生预拉力，预拉力大小大于等于封装杆件(42)产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧；
所述封装杆件(42)为M4-M8高强螺杆或直径4-8mm高强钢丝，所述纵向凹槽(44)的深度为0.2-0.6mm；
所述的压力环还包括上支座板(10)，下支座板(20)，承力支柱(30)，所述上支座板(10)沿环向设有榫卯开孔(11)及螺帽开孔(12)，所述下支座板(20)沿环向设有与榫卯开孔(11)及螺帽开孔(12)对称的下榫卯开孔(21)及下螺帽开孔(22)，承力支柱(30)两端分别与所述榫卯开孔(11)和下榫卯开孔(21)连接，光纤光栅传感装置(40)两端分别与所述螺帽开孔(12)和下螺帽开孔(22)连接；
该方法具体步骤包括：
步骤一、根据实际工程的受力大小，选择压力环的量程，确定承力支柱(30)的直径，根据公式(1)承力支柱(30)的数量n，计算并考虑到对称性，取能被4整除的整数，
式中，N代表压力环满量程所需监测的压力，r1代表承力支柱(30)的半径，σ1代表承力支柱(30)在长期服役过程中材料疲劳强度；选择相应的上支座板(10)和下支座板(20)；
步骤二：在上支座板(10)沿环向开设榫卯开孔(11)及螺帽开孔(12)，下支座板(20)沿环向开设与榫卯开孔(11)及螺帽开孔(12)对称的下榫卯开孔(21)及下螺帽开孔(22)，承力支柱(30)两端的承力支柱之榫卯端(31)分别与所述榫卯开孔(11)和下榫卯开孔(21)连接；
步骤三、光纤光栅传感器(41)的一端为长度大于300mm的裸光纤一(46)，另一端为裸光纤二(49)，所述裸光纤一(46)穿过毛细胶管(47)并露出，所述裸光纤二(49)穿过毛细胶管(47)并露出，所述裸光纤二(49)端部为0.5mm长的尾纤(52)，中间段的裸光栅(48)外露，用光纤光栅胶粘剂(60)将毛细胶管(47)及其内含约1mm长的裸光纤一(46)、裸光栅(48)、裸光纤二(49)及尾纤(52)粘贴于封装杆件(42)的纵向凹槽(44)内，光纤光栅胶粘剂(60)完全固化后，待用；
步骤四、将光纤光栅传感装置(40)的封装杆件(42)含毛细胶管的一端连同毛细胶管(47)穿过下支座板(20)的下螺帽开孔(22)，而后只将封装杆件(42)含毛细胶管的另一端穿过上支座板(10)的螺帽开孔(12)，毛细胶管(47)不穿过上支座板(10)，从上支座板(10)的内侧引出；
步骤五、利用与封装杆件(42)两端的螺纹(45)配套的连接螺帽(43)及套筒扳手给光纤光栅传感装置(40)的封装杆件(42)施加预拉力，带动封装杆件(42)的纵向凹槽(44)内的裸光栅(48)产生预拉力，预拉力的大小大于等于封装杆件(42)产生压力环满量程的弹性变形所需的力，再用双螺帽扭紧；
预拉力F的计算公式如式(2)：
式中，N代表压力环满量程所需监测的压力，r1代表承力支柱(30)的半径，n代表承力支柱(30)的数量，E1代表承力支柱(30)的材料弹性模量，A2代表封装杆件(42)的纵向凹槽(44)处的横截面面积，E2代表封装杆件(42)的材料弹性模量；
同时螺帽开孔(12)、下螺帽开孔(22)周围用高强度环氧树脂灌缝密实；
步骤六、重复步骤五，依次沿压力环环向等间距将光纤光栅传感装置(40)安装好，数量3至6个；
步骤七、在任意一个光纤光栅传感器(41)上串联熔接一个不受力的光纤光栅传感器，作为温度传感器进行温度补偿；
步骤八、压力环套装在保护罩(50)内，所述保护罩(50)设有一个开孔(51)，将所有光纤光栅传感装置(40)的裸光纤一(46)及其毛细胶管(47)从保护罩(50)的开孔(51)中引出，并与光纤光栅跳线熔接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上支座板(10)与下支座板(20)为结构相同的中心穿孔环形板，上支座板(10)的材料为不锈钢或40铬，其中心穿孔的孔径大于被测构件直径，上支座板(10)的厚度为20mm～30mm，环向宽度为30mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述螺帽开孔(12)包括螺帽内侧孔(12a)和螺帽外侧孔(12b)，所述下螺帽开孔(22)包括下螺帽内侧孔(22a)和下螺帽外侧孔(22b)，所述螺帽内侧孔(12a)和下螺帽内侧孔(22a)的孔径与封装杆件(42)直径相匹配，用于穿过封装杆件(42)，所述螺帽内侧孔(12a)和下螺帽内侧孔(22a)的深度为上支座板(10)和下支座板(20)厚度的一半，所述螺帽外侧孔(12b)和下螺帽外侧孔(22b)的孔径大于连接螺帽(43)，能让与连接螺帽(43)配套的套筒板手自由扭动连接螺帽(43)，所述螺帽外侧孔(12b)和下螺帽外侧孔(22b)的深度为上支座板(10)和下支座板(20)厚度的一半。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述承力支柱(30)的材料与上支座板(10)和下支座板(20)材料相同，所述承力支柱(30)两端设有承力支柱之榫卯端(31)，所述承力支柱之榫卯端(31)与上支座板(10)的榫卯开孔(11)和下支座板(20)的下榫卯开孔(21)相连接，所述承力支柱(30)的直径小于等于上支座板(10)与下支座板(20)的环向宽度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述榫卯开孔(11)、下榫卯开孔(21)及承力支柱(30)的数量一致；所述螺帽开孔(12)、下螺帽开孔(22)及光纤光栅传感装置(40)的数量一致。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力环套装在保护罩(50)内，所述保护罩(50)侧面设有开孔(51)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力环用于监测岩石锚索索力使用方法，步骤包括：
准备好压力环(90)、光纤光栅配套测量设备(80)，将岩士锚索(70)安装于压力环(90)的中心穿孔处，将锚垫板(71)和所述的压力环(90)穿过岩士锚索(70)的外端套在锚杯(72)上，并将锚垫板(71)卡在锚索的锚管(73)上，锚索张拉完成后，将螺母(74)拧紧，套上锚杯盖(75)。
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