CN114295264A - 多层介质结构三维荷载传递规律的光纤光栅传感监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多层介质结构三维荷载传递规律的光纤光栅传感监测方法，属于结构智能健康监测技术领域。根据多层介质结构各层的几何和材料特征，设计匹配各层介质三维作用力测量的光纤光栅传感探头封装材料模量、牛腿型构造及内嵌三根光纤光栅引出线布局。根据多层介质结构分层浇筑特征布设传感探头并连接到拼接式中空圆柱体，形成装配式传感探头。在多层介质结构承载过程中，荷载沿各层的传递规律将分别被各层三维作用力测试的光纤光栅传感探头感知，结合标定实验、结构理论和反演分析可以获取荷载传递规律。本发明提供的装配式传感探头结构，联合结构理论和反演方法，为多层介质结构服役过程中三维荷载传递规律信息的实时连续监测和多层介质结构承载性能评估提供有效的器件和技术方法，同时也能为多层界面带来的多层介质结构承载力精确计算较困难的问题提供较科学的数据支撑。

Description

多层介质结构三维荷载传递规律的光纤光栅传感监测方法

技术领域

本发明属于结构智能健康监测和检测领域，涉及到的是一种多层介质结构中荷载传递规律测试的方法。

背景技术

为适应国家战略发展需求，工程领域也逐渐向“低碳、节能、环保、可持续、高能效”等方向发展，由此推动了系列新材料和新结构在工程结构的应用。其中，多层介质结构，由不同材料介质层通过界面联结方式组成具备改进功能的组合结构，是最具代表性的一种新型结构。在实际工程中，由地基、水泥混凝土碎石基层、沥青面层组成的道路结构，由底座板、隔离层和自密实混凝土层组成的轨道基础结构，由CFRP加固的梁柱混凝土结构(含CFRP层、胶粘层和梁柱混凝土层)，均可以归类为多层介质结构。当多层介质结构受到静力或动力荷载作用时，荷载沿各层介质传递的规律是了解各层介质所承担荷载的大小以及其内部应力场分布的关键。同时，掌握荷载传递规律也能根据力学理论获取多层介质之间相互作用效应，从而指导各层介质结构参数和材料参数的最优设计，以期获取最佳荷载传递效率、维护多层介质结构的长期安全和稳定性。

当前，关于多层介质结构荷载传递规律的研究，较多工作集中在运用大型有限元软件进行建模分析。部分学者采用有限差分法进行近似数值分析或简化的解析方法去获取单一方向的荷载传递规律，并通过简易实验论证其有效性。部分研究利用荷载传递效率的既定计算公式，通过测量竖向挠度值推演荷载沿多层道路结构的传递特征。综合可知：当前关于多层介质结构荷载传递规律的研究较多集中在近似的有限元仿真分析、数值方法及间接的推演法。由于多层介质结构涉及多层界面，界面接触条件的复杂性和应力分布模式的不确定性也增加了关于荷载传递规律研究的难度，因此，当前还未形成较精确的、广受认可的计算方法。

鉴于此，考虑光纤传感元件的灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、耐腐蚀、几何形状多方适应性和可设计性等优点，将其应用于多层介质结构荷载传递规律的精确测试研究。目前，部分学者将光纤光栅元件进行封装保护设计，用于测量结构的温度和应变直接参量及应力、裂纹或沉降等间接参量。现阶段关于荷载传递规律的测试研究还较少，少量研究涉及了锚杆穿越不同地质层时荷载沿锚杆长度的变化分析。关于呈板状的多层介质结构，沿三维方向荷载传递规律的测试研究还未见报道。

因此，本文提出了一种装配式光纤光栅传感探头及其测量多层介质结构三维荷载传递规律的方法，其核心是设计纤维增强环氧树脂封装光纤光栅的圆柱体探头感知荷载作用，根据层状板结构几何和材料特征设计测量三维荷载的装配式传感探头，同时利用中空圆柱体作为支撑杆保护测量三维荷载的光纤光栅传感探头的引出线。当多层介质结构承受荷载时，内嵌在各介质层的光纤光栅传感探头将分别感知从结构表面传递到各层的荷载，联合基础实验和结构轴压理论建立波长增量和荷载之间的定量关系，从而可以根据该监测系统获取各层实时的承载状态。联立多层介质结构各层光纤光栅传感探头的实时和长期测试数据，从而可以获取机械荷载、温度荷载或其他环境因素的单一或耦合作用下多层介质结构的荷载传递规律。

发明内容

本发明目的是提供一种多层介质结构三维荷载传递规律的光纤光栅传感监测方法，解决多层介质结构承载过程中，由于接触界面的复杂和不确定性，荷载在各层介质传递规律无法准确计算、荷载沿各层介质三维方向传递效率不易获取、荷载传递规律与各层介质几何物理参数的定量关系信息缺失等工程应用设计问题。

本发明的技术方案是：

一种利用装配式光纤光栅传感探头监测多层介质结构三维荷载传递规律的方法，其实现步骤：根据多层介质结构各层的几何尺寸和材料特征，设计匹配各层介质三维方向作用力测试的纤维增强环氧树脂封装光纤光栅传感探头；根据各层介质材料的模量调配该层光纤光栅传感探头材料增强纤维和环氧树脂胶的比例，形成与被测介质模量较接近的纤维增强环氧树脂封装层，从而确保埋入式传感探头与被测介质协同变形；根据基础拉压实验、联合结构轴压理论构建光纤光栅波长增量与荷载之间的定量关系，根据循环动静态拉压实验检验所研发纤维增强环氧树脂封装光纤光栅传感探头的线性度和长期测量的稳定性；埋入各层介质的三维传感探头尾部连接到高度可调的拼接式中空圆柱体，中空圆柱体根据被测结构的层数采用一节一节拼接的方式形成支撑杆，各层传感探头的光纤跳线从中空位置引出并连接到解调系统，从而形成装配式光纤光栅传感监测系统，实时连续地感知机械荷载、温度荷载或其他环境因素的单一或耦合作用下多层介质结构内各层作用力沿三维方向的传递规律。进一步根据参数反演分析可以将层内作用力换算呈荷载，从而结合各层光纤光栅波长增量数量、基础拉压标定实验及结构理论和反演算法，获取多层介质结构三维荷载传递规律。

在前述光纤光栅解调测试基础上，可利用OFDR(Optical Frequency DomainReflectometry)解读传感探头中呈等腰直角型(如附图1)布置在纤维增强环氧树脂封装圆柱体中的三根传输光纤的分布式频移信号(即传感探头的形态)，结合曲线拟合算法和结构理论可计算出传感探头端部(即测点位置)的偏移量，给出端部偏移量沿各层介质的归一化比值，并类比荷载传递效率值，从而形成二次校验的方式揭示荷载传递规律。

所述的装配式光纤光栅传感探头是根据呈板状多层介质结构的几何尺寸和材质特点及三维荷载测试需求，设计沿纵横向和竖向作用力测试的光纤光栅传感探头的组合方式、光纤引线布局和空间分布，形成具备易组装和可更换的装配式传感探头结构。

所述的中空圆柱体根据多层介质结构的层数设计成高度可拼装式增加，可以采用高强碳纤维管或钢管。在多层介质结构分层浇筑成型过程中，在各层布设感知三维作用力的纤维增强环氧树脂封装光纤光栅传感探头，探头尾部装配到中空圆柱体中，光纤跳线从中空位置引出并连接到解调系统，形成荷载监测系统。

所述的荷载传递规律测试方法是指利用结构理论和反演分析方法建立光纤光栅传感探头感知的内部作用力和多层介质结构各层分担的荷载之间的关系，同时结合标定实验，最终获得波长(或频移)信号和荷载的动态表征方程，即

其中，Δλ_B和Δν分别表示波长增量和频移信号，P_i和E_i分别表示第i介质层的荷载和弹性模量。

本发明的效果和益处是：为多层介质结构荷载传递规律的探索提供了一种装配式光纤光栅传感监测方法及内力测试器件；解决了多层介质结构在机械荷载、温度荷载或其他环境作用下内部作用力状态不易获取、荷载传递规律的精确测试技术短缺、复杂多层界面引发的多层介质结构承载力设计建议不完善等难题；实现了多层介质结构三维荷载传递规律的实时连续跟踪监测，为多层介质结构的最优参数设计与结构安全运营管理提供有效可靠的技术和数据支持。

附图说明

图1是单层三维作用力测量的纤维增强环氧树脂封装光纤光栅传感探头。

图2是三层介质结构三维荷载传递规律测试的装配式光纤光栅传感探头。

图3是三层介质结构三维荷载传递规律测试的监测系统示意图。

图中：1光纤光栅；2光纤；3匹配该层介质模量的纤维增强环氧树脂；4匹配该层介质模量的纤维增强环氧树脂；5匹配该层介质模量的纤维增强环氧树脂；6第一层介质三维作用力测量的光纤光栅传感探头；7第二层介质三维作用力测量的光纤光栅传感探头；8第三层介质三维作用力测量的光纤光栅传感探头；9高度可调的拼接式中空圆柱体；10光纤引出线；11光纤光栅解调系统(或OFDR)；12第一层介质；13第二层介质；14第三层介质。

具体实施方式

以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。

一种基于光纤光栅传感技术的多层介质结构三维荷载传递规律监测方法，其单层介质内的三维作用力测试的光纤光栅传感探头如附图1所示；将各层光纤光栅传感探头连接到高度可调的拼接式中空圆柱体形成装配式光纤光栅传感探头如附图2；利用该装配式传感探头测量多层介质结构的监测系统如附图3。

多层介质结构三维荷载传递规律的光纤光栅传感监测方法，其实施方式如下：

首先，根据多层介质结构各层介质的几何构型和材料特征，设计匹配该层介质模量的纤维增强环氧树脂封装层的配合比，使固化成型后的纤维增强环氧树脂封装层与该层介质模量相近，从而确保测试过程中传感探头与该介质层协同变形；制作内嵌光纤光栅的两根短圆柱体(材质为纤维增强环氧树脂)探头(如附图1)，然后拼接到附带呈90°圆孔的空心长圆柱体上，同时采用夹具固定内嵌的光纤光栅和引线，最后按附图1所示采用调配的纤维增强环氧树脂浇筑长圆柱体、同时固定呈等腰直角的三根光纤光栅引出线位置，形成牛腿型的传感探头；在单层三维作用力测量传感探头研制基础上，分别采用相同的思路研制其他介质层的传感探头，并同时根据各介质层探头结构设计拼接式中空圆柱体做支撑杆(如附图2)；在多层结构分层浇筑成型过程中，分别沿各层铺设研制好的三维作用力测量的传感探头，并与中空圆柱体连接，形成装配式光纤光栅传感探头，将引出线连接到光纤光栅解调系统(或OFDR)分别解调对应的波长(频移)信号，并结合标定实验、结构理论和反演分析可以实时连续感知多层介质结构各层荷载传递规律。

Claims (2)

1.一种多层介质结构三维荷载传递规律的光纤光栅传感监测方法，其特征在于：根据多层介质结构的几何和材质特征，设计匹配各层介质(11.12.13)模量的纤维增强环氧树脂封装层及各层介质三维作用力测量的光纤光栅传感探头(6.7.8)，传感探头(6.7.8)尾端连接到高度可调的拼接式中空圆柱体(9)，形成装配式光纤光栅传感探头，将光纤引出线(10)连接到光纤光栅解调系统(11)形成监测系统，当多层介质结构受到荷载作用时，分布在各层沿三维方向布设的光纤光栅(1)将感知内部作用力，同时呈等腰直角型布置在纤维增强环氧树脂(3.4.5)封装圆柱体中的传输光纤(2)将感知传感探头的形态，光纤光栅解调系统(11)将解调对应的波长信号，利用结构理论和反演分析方法，结合标定实验基础，可以将实时连续观测的波长转换成多层介质结构各层受到的三维荷载，联立各层数据即可获取多层介质结构三维荷载传递规律。

2.根据权利要求1所述的一种多层介质结构三维荷载传递规律的光纤光栅传感监测方法，其特征在于：所述的解调系统为OFDR解调系统；

所述OFDR解调系统用于获取传感探头中传输光纤(2)的频移信号，结合曲线拟合算法和结构理论可计算出传感探头端部(即测点位置)的偏移量，并类比荷载传递效率值，从而形成二次校验的方式揭示荷载传递规律。

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