CN113790960B - 监测静荷载作用下断裂失效过程的变灵敏度光纤光栅传感器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种监测静载荷作用下断裂失效过程的变灵敏度光纤光栅传感器及使用方法，属于结构健康监测技术领域。所述传感器包括钢管；弹簧；活塞；光纤光栅及固定支座。该发明用于监测结构断裂失效的完整过程，即包括失效前弹性阶段及超过极限载荷后的断裂所引发的应变(位移)突然放大，通过活塞、钢管与弹簧之间的组合关系来实现这种监测目的，本发明实现了用一个传感器对静荷载作用下结构物断裂失效过程的完整测量，在小应变时应变灵敏度放大，大应变以致断裂时量程放大。本发明结构设计简单，使用方便，适用性强，在结构健康监测领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种监测静荷载作用下断裂失效过程的变灵敏度光纤光栅传感器，属于结构健康监测技术领域。
背景技术
结构物在静荷载作用下一般先发生弹性变形，当静荷载超过其结构承受的临界值时易发生断裂破坏，即产生裂纹，而裂纹扩展是工程结构健康监测领域中常见的损伤形式，裂纹扩展会降低建筑结构的稳定性，严重时会造成结构的坍塌破坏，因此不容小觑，能够实时判别结构的变形阶段及状态对分析结构安全并为后续进行维护创造了条件。
由于静荷载作用下断裂具有突然性，目前，监测静荷载作用下结构断裂失效的问题在于，在断裂失效前其结构为弹性变形，结构物受拉力产生的变形较小且不易被发现。而随着静荷载不断增大至一定程度时，其结构物会产生突然断裂，普通传感器可能会拉断而无法监测。
一些传统方式的基于光纤传感技术的光纤光栅传感器对于解决此类问题具有局限性，因此，为了解决结构失效前弹性阶段及超过极限荷载后的断裂所引发的应变(位移)突然放大的情况并满足该项功能的监测要求，需要设计一种能够满足结构断裂引发位移的大变形测量，且在弹性范围内小变形阶段具有高应变灵敏度的传感技术。下面提出具体的实施方案。
发明内容
为了解决上述问题，本发明旨在提供一种监测静荷载作用下断裂失效过程的变灵敏度光纤光栅传感器。以FBG为基本元件，在断裂发生前的弹性阶段，需要保持其增敏特性。而当静荷载逐步加大以致断裂突然发生时，即裂纹开口出现，超过光纤光栅所能监测弹性变形的范围时，自动切换至大量程模式，其目的是为了实现对结构从弹性变形到断裂失效以及裂纹初始扩展发生阶段完整范围内的监测，用于识别建筑结构物是否开裂及裂纹扩展大小的监测，进而保障工程安全。为实现该功能，将弹簧与FBG串联，但该弹簧在弹性范围内的小变形阶段不介入，而出现断裂失效至大变形时，弹簧拉出，自动切换为大量程模式。为了实现该功能，在弹簧的一端做一个活塞，在小变形时光纤光栅受力较小，低于活塞与钢管间的约束力，活塞暂时固定。两个支点的变形加载在FBG上，对弹性应变起到放大增敏作用。确定临界约束力，临界力的大小要考虑光纤光栅的许用应变，并通过改变活塞与钢管的尺寸等指标提供相应的约束力。当结构产生断裂失效至大变形时，光纤光栅承受的拉力克服活塞所受约束力，将活塞拉出钢管，弹簧介入工作，此时的量程与弹簧的劲度系数有关，量程较大且对于应变测量的灵敏度降低。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种监测静荷载作用下断裂失效过程的变灵敏度光纤光栅传感器，包括两端用于夹持固定的支座，及位于两个固定支座之间的钢管、弹簧、活塞以及光纤光栅。
所述钢管的一端固定在其中一个固定支座上，另一端部内侧用于塞入活塞。
所述弹簧置于钢管内部，弹簧的一端与上述钢管和固定支座相连的一端固接，另一端与嵌于钢管内部另一端的活塞固接，活塞未受力时为弹簧的初始长度，在活塞弹出钢管时介入工作。
所述活塞通过其自身与钢管内壁的约束力嵌于钢管内部，中间带有通线孔，用于通过光纤，并且在其通线孔处与光纤胶结，作为光纤光栅一端的支点。
所述光纤光栅的另一端与第二个固定支座固结作为其第二个支点，使两个支点内的FBG珊区对结构表面进行变形监测。
进一步的，所述钢管的尺寸可根据被监测对象的变形特性进行调整。
进一步的，所述弹簧的尺寸及劲度系数可根据所设计传感器的量程进行调整。
进一步的，所述活塞与钢管内部之间靠一种方式进行约束，约束方式和临界力的大小可根据监测需求进行调整。
一种监测静荷载作用下的变灵敏度光纤光栅传感器的使用方法，包括以下步骤：
S1：对待测结构物受静荷载作用下运用有限元软件建立模型并进行受力分析，模拟工程中常见结构开裂状况；
S2：对上述计算结果选取结构表面应变影响较强及发生断裂的区域进行应变数据提取；
S3：分析弹性阶段至断裂阶段应变数据的变化范围，依据各阶段变形特性对传感器的量程进行设计并制作部件。设置以下物理量：令钢管段长度为Ls，光纤光栅段初始长度Lf，当光纤光栅段受拉后长度变化大小为△Lf，光纤光栅的许用应变为[ε]，即△Lf/Lf不允许超过[ε]，弹簧的劲度系数为k，活塞弹出时所受拉力f，光纤光栅达到许用应变[ε]时所受拉力为fmax，弹簧伸长量为f/k。考虑到光纤光栅的许用应变[ε]，设定系数α，0<α<1,可根据使用条件确定系数α大小，从而调节活塞弹出的时机，当所需测量结构的变形以弹性阶段为主时，可以增大活塞与钢管管壁之间的约束力，即增大α值，反之则减小α值。当光纤光栅的应变达到α[ε]时，达到活塞与钢管内壁的临界约束力。
当监测结构弹性变形阶段小变形的条件下，活塞未弹出，光纤光栅的应变测量具有较高灵敏度，传感器的量程大小为△L＝(Ls+Lf)×α[ε]。当监测结构断裂失效引起大变形时，活塞弹出弹簧介入工作的大变形(位移)条件下，其传感器量程大小为△L＝(Ls+Lf)×[ε]+fmax/k。
S4：将传感器的一端连接光纤跳线，按照预计位置布设传感器，将两支座用环氧树脂粘贴至待测结构物表面，光纤与结构表面平行无接触且保证光线的珊区处于预拉伸状态，将跳线接入光纤解调仪中，以对结构受静荷载下从弹性变形至断裂过程的监测。
借由上述方案，本发明的有益效果为：
(1)本发明结构简单，布设方便，可实现结构变形从弹性阶段到断裂失效(裂纹自小变形到大变形阶段)的应变测量。
(2)本发明在结构弹性的小变形阶段，利用金属钢管和活塞对光纤光栅进行固定，对整个监测区段起放大作用，对微小应变实现了增灵敏度测量。
(3)本发明在结构断裂的大变形阶段，考虑了光纤光栅受拉的许用应变[ε]，借由活塞弹出弹簧受力来分担光纤光栅所受拉力，保护了光纤光栅并实现了增量程测量。
(4)本发明利用一个传感器实现对结构弹性变形至断裂失效过程的完整测量，节约了成本和时间。
附图说明
图1为本发明传感器进行结构监测作用原理示意图；图1(a)为活塞未弹出时弹簧未介入工作示意图，图1(b)为活塞弹出时弹簧介入工作示意图；
图2为本发明活塞结构示意图；图2(a)为活塞正视图，图2(b)为活塞侧视图；
图3为本发明左支座结构示意图；图3(a)为左支座正视图，图3(b)为左支座侧视；
图4为本发明右支座结构示意图；图4(a)为右支座正视图，图4(b)为右支座斜视图；
图5为本发明进行结构监测示意图；图5(a)为对结构弹性阶段小变形监测示意图，图5(b)为对结构断裂失效大变形阶段监测示意图。
图1(b)中：1钢管；2弹簧；3活塞；4光纤光栅；5左固定支座；6右固定支座。
具体实施方式
为了使本发明更加清晰明了地被理解，解读其特征和优点，下面将结合本发明的附图，对本发明中所实施的技术方案进行详细描述。
需要说明的是，以下所描述的实施例仅作为本发明的一部分实施例，而并非全部，在从事本领域普通技术人员没有做出创造性劳动的前提下的其它实施例，都应属于本发明的保护范围。
如图1～5所示，本发明提供的一种监测静荷载作用下断裂失效过程的变灵敏度光纤光栅传感器的一个实例，如附图1(b)，包括两端用于夹持固定的支座A5和B6，及位于固定支座A5和B6之间的钢管1、弹簧2、活塞3、光纤光栅4。连接方式为串联，顺序依次为固定支座A5、光纤光栅4、活塞3、弹簧2、钢管1、固定支座B6。
所述的钢管1右端固定在固定支座B6上。所述的弹簧2置于钢管1内部，其右端与钢管的右端固接，左端与嵌于钢管1内部左端的活塞3固接，在活塞未受力时为弹簧的初始长度，在活塞3弹出钢管时介入工作。所述的活塞3通过其两个凹槽套有橡皮胶条与钢管1内壁靠摩擦力和环向压力嵌于钢管1内部，当光纤光栅4受力达到其α许用应变[ε]，活塞受力达到其临界值并弹出。所述的光纤光栅4一侧与固定支座A5固接，光纤光栅4另一侧与活塞3胶结并由活塞中的圆孔穿过活塞。
上述变灵敏度光纤光栅传感器的使用方法，包括以下步骤：
S1：针对工程中常见结构，以钢结构为例，受静荷载作用下运用有限元软件建立模型并受力分析，模拟结构表面开裂；
S2：对上述计算结果选取结构表面应变影响较强及发生断裂的区域进行应变数据提取，或选取实际工程结构中易产生裂纹扩展的焊接处；
S3：分析应变数据弹性阶段至断裂阶段的变化范围，依据各阶段变形特性制备传感器的部件。假定结构断裂产生的位移为1cm时为危险状态，以下进行传感器的设计：钢管1尺寸设直径为8mm，长度Ls＝5cm。活塞3中间带有凹槽，通过与之对应的橡皮胶条约束在钢管1内部作为暂时固定，活塞3直径为7mm，小于钢管1直径，橡皮胶条直径8.1mm，略大于钢管直径。所述弹簧2的劲度系数k＝5N/cm。所述光纤光栅4纤芯直径10um，外径125μm，带有涂覆层包裹后直径d＝250um，受拉段长度为Lf＝3cm。
已知微应变1με＝10-6，光纤光栅4进行应变监测的保守值为2000pm/1.2＝1666.7με＝[ε]，若超过该许用应变光纤受拉易断且响应准确性降低，已知单根光纤可靠性拉力为500g保持力无损伤，再根据材料力学变形公式△L＝FL/EA，当光纤光栅受拉至约833.3个微应变时，即达到光纤光栅许用应变[ε]的1/2时，使得f＝EA×△L/L，达到活塞3胶条与钢管内壁约束力的临界值2.5N，活塞3弹出，临界力数值大小可通过改变活塞外橡皮胶条的粗糙程度由试验确定。式中光纤E＝61Gpa,A＝πd2/4，△Lf/Lf＝1/2[ε]＝833.3×10-6。
S4：将上述部件组装成传感器后将其一端光纤连接跳线，按照预计位置布设传感器，将两支座用环氧树脂粘贴至待测结构物表面，光纤与结构表面平行无接触并保证光纤的珊区处于预拉伸状态，将跳线接入光纤解调仪中，以对结构受静荷载下从弹性变形至断裂过程的监测。在监测结构弹性变形阶段，该传感器在所能监测到的结构变形为△L＝(Ls+Lf)×1/2[ε]＝66.7μm；在监测结构过渡至断裂失效阶段时，传感器在弹簧介入依据光纤光栅能够承受的许用应变所受拉力fmax＝2f＝5N，该传感器所能监测到的位移为△L＝(Ls+Lf)×[ε]+fmax/k≈1.0cm。
在本发明实施例中，一种监测静荷载作用下断裂失效过程的变灵敏度光纤光栅传感器，可根据监测对象的需求进行设计，包括弹簧、活塞、钢管等部件的物理参数设计及组装。
以上实施例仅用作本发明的解述，而并非对其限制；尽管依据上述实施例对本发明的技术特征进行了详细说明，但从事本领域的普通技术人员应当理解依然可以针对前面所述实施例的实施方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同更换，而这些修改或者等同替换并不使相应的技术方案的本质脱离本发明的技术思想和其保护范围。
Claims (5)
1.一种监测静载荷作用下断裂失效过程的变灵敏度光纤光栅传感器，其特征在于，所述的变灵敏度光纤光栅传感器包括两端用于夹持固定的支座，及位于两个固定支座之间的钢管、弹簧、活塞以及光纤光栅；
所述钢管的一端固定在第一个固定支座上，另一端部内侧塞入活塞；
所述弹簧置于钢管内部，弹簧的一端与上述钢管和固定支座相连的一端固接，另一端与嵌于钢管内部另一端的活塞固接，活塞未受力时为弹簧的初始长度，在活塞弹出钢管时介入工作；
所述活塞通过其自身与钢管内壁的约束力嵌于钢管内部，中间带有通线孔，用于通过光纤，并且在其通线孔处与光纤胶结，作为光纤光栅一端的支点；
所述光纤光栅的另一端与第二个固定支座固结，作为其第二个支点，使两个支点内的FBG珊区对结构表面进行变形监测。
2.根据权利要求1所述的一种监测静载荷作用下断裂失效过程的变灵敏度光纤光栅传感器，其特征在于，所述钢管的尺寸可根据被监测对象的变形特性进行调整。
3.根据权利要求1所述的一种监测静载荷作用下断裂失效过程的变灵敏度光纤光栅传感器，其特征在于，所述弹簧的尺寸及劲度系数可根据所设计传感器的量程进行调整。
4.一种权利要求1-3任一所述的监测静荷载作用下的变灵敏度光纤光栅传感器的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
一种监测静荷载作用下的变灵敏度光纤光栅传感器的使用方法，包括以下步骤：
S1：对待测结构物受静荷载作用下运用有限元软件建立模型并进行受力分析，模拟工程中常见结构开裂状况；
S2：选取结构表面应变影响较强及发生断裂的区域，提取应变数据；
S3：分析弹性阶段至断裂阶段应变数据的变化范围，依据各阶段变形特性对传感器的量程进行设计并制作部件；设置以下物理量：令钢管段长度为Ls；光纤光栅段初始长度Lf，当光纤光栅段受拉后长度变化大小为△Lf；光纤光栅的许用应变为[ε]；弹簧的劲度系数为k；活塞弹出时所受拉力f；光纤光栅达到许用应变[ε]时所受拉力为fmax；弹簧伸长量为f/k；考虑到光纤光栅的许用应变[ε]，设定系数α，根据使用条件确定系数α大小，从而调节活塞弹出的时机；当光纤光栅的应变达到α[ε]时，达到活塞与钢管内壁的临界约束力；
当监测结构弹性变形阶段小变形的条件下，活塞未弹出，光纤光栅的应变测量具有较高灵敏度，传感器的量程大小为△L＝(Ls+Lf)×α[ε]；
当监测结构断裂失效引起大变形时，活塞弹出弹簧介入工作的大变形(位移)条件下，其传感器量程大小为△L＝(Ls+Lf)×[ε]+fmax/k；
S4：将传感器的一端连接光纤跳线，按照预计位置布设传感器，将两支座粘贴至待测结构物表面，光纤与结构表面平行无接触且保证光线的珊区处于预拉伸状态，接入光纤解调仪中，对结构受静荷载下从弹性变形至断裂过程进行监测。
5.根据权利要求4所述的监测静荷载作用下的变灵敏度光纤光栅传感器的使用方法，其特征在于，所述的设定系数0<α<1。
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