CN115468507A - 钢结构监测用的级联光纤光栅传感器及监测方法 - Google Patents

钢结构监测用的级联光纤光栅传感器及监测方法 Download PDF

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CN115468507A CN202210889247.8A CN202210889247A CN115468507A CN 115468507 A CN115468507 A CN 115468507A CN 202210889247 A CN202210889247 A CN 202210889247A CN 115468507 A CN115468507 A CN 115468507A
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陈锟
阮俊涛
黄航
艾国辉
余江昱
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Abstract

本发明属于交通标志牌技术领域，公开一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，包括传输光纤、管套、光纤布拉格光栅以及长周期光纤光栅，光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均刻在所述传输光纤的内部，传输光纤穿过所述管套，光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均位于所述管套内，管套两端密封，传输光纤紧贴待测钢结构，传输光纤的输出端连接有解调仪，解调仪连接有数据处理器。本发明设计的级联光纤光栅传感器具有测量距离远、抗电磁干扰、信号易传输、稳定性好、测量精度和灵敏度高等优点，成本低，实用性和可靠性强。本发明能够实现钢结构的疲劳、腐蚀两个参量同时监测，提高监测效率。

Description

钢结构监测用的级联光纤光栅传感器及监测方法
技术领域
本发明涉及工程结构健康监测技术领域，尤其涉及一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器及监测方法。
背景技术
在钢结构桥梁等结构中，由于各种大载荷反复加卸会引起局部应力疲劳，可能造成结构的损伤，产生重大安全事故。为此需要进行疲劳检测。已有的疲劳检测装置主要采用电测法，由于电阻应变测量原理基于电桥平衡，是一种相对测量方法，当重新通电后需要调平衡,无法得到测点的真实应变值，不能用于长期检测。
腐蚀是物质(特别是金属或金属合金材料)与环境作用而引起的破坏和变质，它是自然界中普遍存在的难以避免的物质材质变坏的过程。除此之外，腐蚀不断污染环境﹑危害人民的健康，一些突发性腐蚀(如应力腐蚀和氢脆裂等) 还经常会引起伤亡事故。因此对腐蚀的检测﹑防护就显得格外重要。由于钢结构的工作性质，其非常容易暴露于腐蚀环境之下，哪怕仅仅是工作于普通大气环境之下的钢结构,随着服役时间的推移，也会导致钢结构的腐蚀。如果能合理监测到钢结构的腐蚀情况，将为结构的耐久性评估、结构剩余寿命预测与结构的加固维修提供重要依据。
目前，钢结构腐蚀的监测方法主要是电化学方法和非电化学方法两大类。电化学方法有交流阻抗法、线性极化法、电化学噪声法等。非电化学方法有表观检查法、失重法、超声波法等。但是，上述方法一般都存在操作不便，监测过程复杂，且不能实现钢结构疲劳和腐蚀同时监测等缺点。因此，亟需开发一种同时监测钢结构疲劳和腐蚀的新型传感器。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于光纤光栅的能同时监测钢结构疲劳和腐蚀的级联光纤光栅传感器及其监测方法，该监测装置制作简单，通过将一根传输光纤安置在钢结构表面，用半封闭管套封装，对测点位置形成一个钢结构光纤光栅空气介质的封闭环境，通过光纤布拉格光栅与长周期光纤光栅级联制成的传感器，能同时监测钢结构的疲劳和腐蚀，实现准确、高精度和原位监测钢结构的疲劳和腐蚀程度，预测情况及其发展。使用该装置误差小, 精度高,能够有效地监测钢结构疲劳和腐蚀程度，提高监测效率。
为实现上述目的，一方面，本发明采用以下技术方案：
一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，包括传输光纤、管套、光纤布拉格光栅以及长周期光纤光栅，所述光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均刻在所述传输光纤的内部，所述传输光纤穿过所述管套，所述光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均位于所述管套内，所述管套两端密封，所述传输光纤紧贴待测钢结构，所述传输光纤的输出端连接有解调仪，所述解调仪连接有数据处理器。
进一步地，所述管套两端均用密封部件密封，所述传输光纤穿过密封部件和管套。
进一步地，刻有所述光纤布拉格光栅的传输光纤段粘结在所述待测钢结构上。
进一步地，所述密封部件上设有锁紧螺栓，所述锁紧螺栓用于将密封部件与所述待测钢结构连接。
进一步地，所述管套为塑料材质制备而成，所述密封部件为不锈钢钢材质制备而成。
进一步地，所述传输光纤处于绷直状态。
另一方面，本发明还提供一种钢结构监测方法，具体步骤如下：
步骤一：制作如权利要求1至7所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器；
步骤二：将上述钢结构监测用的级联光纤光栅传感器固定在待测钢结构上；
步骤三：进行钢结构的疲劳和腐蚀监测，从传输光纤中输入宽带光源，光纤布拉格光栅用于监测钢结构应变，长周期光纤光栅用于监测钢结构的腐蚀；
步骤四：解调仪与传输光纤连接，用于级联光纤光栅传感器中光栅信号的解调，光栅光信号转换为电信号并进行数字化。
步骤五：数据处理器对数据进行分析处理，实现对钢结构应变的全面实时监测；当待测钢结构的疲劳和腐蚀达到设定值时，进行报警,从而保证待测钢结构的安全。
进一步地，疲劳监测为根据不同时刻光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅测得的数据，获得t时刻波长λft和λpt,计算波长漂移量：
Δλft＝λft-λf
Δλpt＝λpt-λp
根据应变光栅计算公式：
Δλft＝μΔεt+γΔT
温度光栅计算公式为:Δλpt＝γΔT
其中，Δλft为t时刻光纤布拉格光栅的波长漂移量,Δλpt为t时刻长周期光纤光栅的波长漂移量,μ为应变参数,γ为温度参数,μ和γ均由光纤光栅材料特征决定,为已知量,Δεt是t时刻的光纤光栅轴向应变,ΔT是t时刻温度变化量；
因为两种光纤光栅处在同一环境中，所以温度变化量相同，使用温度光栅的目的是实现温度补偿，消除温度产生的影响，上述得
Figure RE-GDA0003942811680000031
由此可测得光纤布拉格光栅的应变，即为钢结构的应变。通过钢结构应变时程，根据σ＝εE得到钢结构应力时程，其中E为钢结构的弹性模量；
找出应力时程曲线中的峰值和谷值；对应力峰值和谷值序列进行雨流法计数。光纤光栅传感器所测得的应力时程经过上述雨流计数后可得到应力幅谱，实时监测结构的疲劳损伤程度；
进一步地，腐蚀监测为长周期光纤光栅刻在光纤上,其对环境折射率有着高敏感性。在腐蚀产生时，腐蚀产物会使周围环境折射率发生变化。LPFG使入射光从传播的纤芯模耦合到同向传播的包层模,产生一系列的传输光谱的衰减带。光谱衰减带的中心(谐振)波长可以用以下方式表示；
Figure RE-GDA0003942811680000032
其中λL是谐振波长，
Figure RE-GDA0003942811680000033
是光纤纤芯的有效折射率，
Figure RE-GDA0003942811680000034
是包层的有效折射率，它与纤芯n1、包层n2和周围介质n3的折射率有关，Λ是光栅的周期。本发明中,纤芯n1折射率不变、包层n2和周围介质n3的折射率随着腐蚀的进行发生变化，半封闭环境内的介质的光学特性会马上发生变化，导致光谱仪上接收到的光信号的谐振波长发生偏移。通过谐振波长发生偏移量,经标定后可以得出与钢结构的腐蚀率之间的关系。
标定实验具体为：在实验室用N个与待测钢结构相同材质的钢板，在同一腐蚀环境下，进行腐蚀标定实验，实验过程中，每隔一段时间从N个钢板中取出1 个钢板，用质量分数为12％的盐酸溶液将钢板上的锈迹清洗干净，精确测出未腐蚀部分钢板的质量,通过计算，即可得出已锈蚀钢板的质量，通过N组测量，可得到N组不同腐蚀状态下对应的光栅透射谱测量数据，以此再线性回归可标定出βL值，N取值为8-10，从而可以建立长周期光纤光栅的谐振峰波长与钢板腐蚀率之间的关系：ρ＝βLΔλL；
其中，ρ为腐蚀率，βL为腐蚀敏感系数，ΔλL为LPFG谐振波长变化量。
相比现有的技术，本发明的有益效果：
本发明的有益效果：
本发明提供一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器及监测方法，本发明可以同时监测钢结构的疲劳和腐蚀，相比其他监测装置的单参数监测，提高了监测效率。传感器由光纤布拉格光栅与长周期光纤光栅级联制成，光纤布拉格光栅用于监测结构应变，从而推出结构疲劳程度；长周期光纤光栅对折射率的高敏感性，同步监测结构腐蚀程度；长周期光纤光栅同时也作为光纤布拉格光栅的温度补偿措施，两者都对温度有敏感性，因为可以消除温度产生的交叉敏感；本发明的腐蚀测量方法，相比将光纤缠绕于结构上监测腐蚀率的方法，此方法可以避免因光纤过度弯折导致的寿命缩短或测量精度下降；光纤光栅具有耐腐蚀性好、灵敏度较高等优势，能够实现钢结构疲劳和腐蚀的高精度、长期监测。本发明监测得到的疲劳和腐蚀数据均采用解调仪从光谱图中获得，并传输到数据处理器中，抗干扰性强,监测结果较准确。本发明制作简单，安装和使用方便，成本低，所用材料相对便宜，方便大范围在工程实际中应用，降低成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例的级联光纤光栅传感器安装在钢结构上的结构示意图；
图2是本发明实施例的级联光纤光栅传感器结构示意图；
图3是本发明实施例的级联光纤光栅传感器结构侧面示意图；
图4是本发明实施例的级联光纤光栅传感器结构俯视图；
图5是本发明实施例的钢结构监测方法的流程示意图；
其中的附图标记为：1、传输光纤；2、密封部件；3、锁紧螺栓；4、管套； 5、光纤布拉格光栅；6、长周期光纤光栅；7、待测钢结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
参见图1～3所示，本实施例提供一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，包括传输光纤1、管套4、光纤布拉格光栅5以及长周期光纤光栅6，光纤布拉格光栅5和长周期光纤光栅6均刻在传输光纤1的内部，传输光纤1穿过管套 4，光纤布拉格光栅5和长周期光纤光栅6均位于管套4内，管套4两端密封，传输光纤1紧贴待测钢结构7，传输光纤1的输出端连接有解调仪，解调仪连接有数据处理器。
本发明中，管套4两端均用密封部件密封，传输光纤1穿过密封部件和管套。
本发明中，刻有光纤布拉格光栅5的传输光纤段粘结在待测钢结构7上。使待测钢结构7和光纤布拉格光栅5能同步变形，因此钢结构的应变和光纤布拉格光栅5的应变相同
本发明中，密封部件2上设有锁紧螺栓3，锁紧螺栓3用于将密封部件2 与待测钢结构7连接并锁紧。
本发明中管套4为塑料材质制备而成，密封部件2为不锈钢钢材质制备而成。
在本发明中，管套4内光纤在安置时两端设置预拉力，使其处于绷直状态。
在本发明中，管套4为塑料材质，密封部件2为不锈钢材质，密封部件2 用于固定管套4和传输光纤1，与待测钢结构7通过锁紧螺栓3连接并锁紧；在本发明中，光纤布拉格光栅5和长周期光纤光栅6通过级联方式刻在光纤内部，光纤布拉格光栅5作为应变光栅，用来监测钢结构的应变，从而推出钢结构的疲劳情况；长周期光纤光栅6有两种作用，一是作为光纤布拉格光栅的温度补偿光栅，消除温度带来的交叉敏感，二是基于其对折射率的高敏感性可以同步监测钢结构的腐蚀情况。
在本发明中，测点处管套4内的长周期光纤光栅6，腐蚀会影响管套4内介质的折射率，导致其谐振波长变化，可以通过监测谐振波长的偏移量监测腐蚀速率。相比将光纤缠绕于结构上监测腐蚀率的方法，此方法可以避免因光纤过度弯折导致的寿命缩短或测量精度下降；
在本发明中，管套4内填充有环境介质，环境介质可以是惰性气体，将光纤布拉格光栅5和长周期光纤光栅6与外界环境隔离，使其与待测钢结构7处在一个环境介质中，同时防止光纤布拉格光栅5和长周期光纤光栅6被破坏影响测量精度。
如图4所示，一种钢结构监测方法：
步骤一:取一普通传输光纤,并按照图1-4所示，在合适位置制作光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的级联光纤光栅，具体制作方法和具体光栅周期根据实际情况调整。
步骤二：将光纤布拉格光栅5通过环氧树脂粘贴在待测钢结构7表面，整根传输光纤1处于拉紧状态。
步骤三：将级联光纤光栅封装在管套4内。
步骤四：密封部件2固定半封闭管套和传输光纤，形成一个稳固的整体，再将通过螺栓将管套4固定在钢结构表面；
步骤五：标定实验，在实验室用N个与待测钢结构相同材质的钢板，在同一腐蚀环境下，进行腐蚀标定实验。实验过程中，每隔一段时间从N个钢板中取出1个钢板，用质量分数为12％的盐酸溶液将钢板上的锈迹清洗干净，精确测出未腐蚀部分钢板的质量，通过计算，即可得出已锈蚀钢板的质量，通过N 组测量,可得到N组不同腐蚀状态下对应的光栅透射谱测量数据,以此再线性回归可标定出βL值,N取值为8-10。从而可以建立长周期光纤光栅的谐振峰波长与钢板腐蚀率之间的关系；
步骤六：开始监测，从传输光纤1中输入宽带光源，光纤布拉格光栅5用于监测钢结构应变，由于长周期光纤光栅6未粘贴在钢结构上，所以长周期光纤光栅6不会对光纤布拉格光栅5的波长变化量产生影响，与此同时长周期光纤光栅可以对光纤布拉格光栅进行温度补偿，消除温度产生的交叉敏感；长周期光纤光栅6同步监测钢结构腐蚀情况，由于长周期光纤光栅6对环境折射率的高敏感性，而光纤布拉格光栅5对环境折射率没有敏感性，所以不会对长周期光纤光栅6的谐振波长变化量产生影响，从而实现疲劳、腐蚀同时监测。
疲劳监测：根据不同时刻光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅测得的数据，获得t时刻波长λft和λpt,计算波长漂移量：
Δλft＝λft-λf
Δλpt＝λpt-λp
根据应变光栅计算公式：
Δλft＝μΔεt+γΔT
温度光栅计算公式为:
Δλpt＝γΔT
其中，Δλft为t时刻光纤布拉格光栅的波长漂移量,Δλpt为t时刻长周期光纤光栅的波长漂移量,μ为应变参数,γ为温度参数,μ和γ均由光纤光栅材料特征决定,为已知量,Δεt是t时刻的光纤光栅轴向应变,ΔT是t时刻温度变化量。
因为两种光纤光栅处在同一环境中，所以温度变化量相同，使用温度光栅的目的是实现温度补偿，消除温度产生的影响，上述得
Figure RE-GDA0003942811680000071
由此可测得光纤布拉格光栅的应变，即为钢结构的应变。通过钢结构应变时程，根据σ＝εE得到钢结构应力时程，其中E为钢结构的弹性模量；
找出应力时程曲线中的峰值和谷值；对应力峰值和谷值序列进行雨流法计数。光纤光栅传感器所测得的应力时程经过上述雨流计数后可得到应力幅谱，实时监测结构的疲劳损伤程度；
腐蚀监测为长周期光纤光栅刻在光纤上,其对环境折射率有着高敏感性。在腐蚀产生时，腐蚀产物会使周围环境折射率发生变化。LPFG使入射光从传播的纤芯模耦合到同向传播的包层模,产生一系列的传输光谱的衰减带。光谱衰减带的中心(谐振)波长可以用以下方式表示；
Figure RE-GDA0003942811680000081
其中λL是谐振波长，
Figure RE-GDA0003942811680000082
是光纤纤芯的有效折射率，
Figure RE-GDA0003942811680000083
是包层的有效折射率，它与纤芯n1、包层n2和周围介质n3的折射率有关，Λ是光栅的周期。本发明中,纤芯n1折射率不变、包层n2和周围介质n3的折射率随着腐蚀的进行发生变化，半封闭环境内的介质的光学特性会马上发生变化，导致光谱仪上接收到的光信号的谐振波长发生偏移。通过谐振波长发生偏移量，经标定实验后可以得出长周期光纤光栅的谐振峰波长与钢结构的腐蚀率之间的关系。
标定实验具体为：在实验室用N个与待测钢结构相同材质的钢板，在同一腐蚀环境下，进行腐蚀标定实验，实验过程中，每隔一段时间从N个钢板中取出1个钢板，用质量分数为12％的盐酸溶液将钢板上的锈迹清洗干净，精确测出未腐蚀部分钢板的质量,通过计算，即可得出已锈蚀钢板的质量，通过N组测量，可得到N组不同腐蚀状态下对应的光栅透射谱测量数据，以此再线性回归可标定出βL值，N取值为8-10，从而可以建立长周期光纤光栅的谐振峰波长与钢板腐蚀率之间的关系：ρ＝βLΔλL；
其中，ρ为腐蚀率，βL为腐蚀敏感系数，ΔλL为LPFG谐振波长变化量。
步骤七：解调仪，与传输光纤1连接，光栅光信号转换为电信号并进行数字化，并对数据进行分析处理；
步骤八：数据处理器,与所述解调模块连接，数据处理器对数据进行分析处理，实现对钢结构应变的全面实时远程监测；当钢结构的疲劳和腐蚀达到设定值时,通过无线通讯模块实现远程通讯报警,从而保证钢结构的安全。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，包括传输光纤、管套、光纤布拉格光栅以及长周期光纤光栅，所述光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均刻在所述传输光纤的内部，所述传输光纤穿过所述管套，所述光纤布拉格光栅和所述长周期光纤光栅均位于所述管套内，所述管套两端密封，所述传输光纤紧贴待测钢结构，所述传输光纤的输出端连接有解调仪，所述解调仪连接有数据处理器。
2.根据权利要求1所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，所述左标志柱的顶部安装有伺服电机，所述第一光伏板倾斜安装在所述伺服电机上。
3.根据权利要求2所述的一种钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，所述管套两端均用密封部件密封，所述传输光纤穿过密封部件和管套。
4.根据权利要求3所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，刻有所述光纤布拉格光栅的传输光纤段粘结在所述待测钢结构上。
5.根据权利要求4所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，所述密封部件上设有锁紧螺栓，所述锁紧螺栓用于将密封部件与所述待测钢结构连接。
6.根据权利要求5所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器，其特征在于，所述管套为塑料材质制备而成，所述密封部件为不锈钢钢材质制备而成。
7.一种钢结构监测方法，具体步骤如下：
步骤一：制作如权利要求1至6所述的钢结构监测用的级联光纤光栅传感器；
步骤二：将上述钢结构监测用的级联光纤光栅传感器固定在待测钢结构上；
步骤三：进行标定实验；
步骤五：进行钢结构疲劳和腐蚀监测，从传输光纤中输入宽带光源，光纤布拉格光栅用于监测钢结构应变，长周期光纤光栅用于监测钢结构的腐蚀；
步骤四：解调仪与传输光纤连接，用于级联光纤光栅传感器中光栅信号的解调，光栅光信号转换为电信号并进行数字化。
步骤五：数据处理器对数据进行分析处理，实现对钢结构应变的全面实时监测；当待测钢结构的疲劳和腐蚀达到设定值时，进行报警,从而保证待测钢结构的安全。
8.根据权利要求7所述的钢结构监测方法，其特征在于，疲劳监测：根据不同时刻光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅测得的数据，获得t时刻波长λft和λpt,计算波长漂移量：
Δλft＝λft-λf
Δλpt＝λpt-λp
根据应变光栅计算公式：
Δλft＝μΔεt+γΔT
温度光栅计算公式为:Δλpt＝γΔT
其中，Δλft为t时刻光纤布拉格光栅的波长漂移量,Δλptt为t时刻长周期光纤光栅的波长漂移量,μ为应变参数,γ为温度参数,μ和γ均由光纤光栅材料特征决定,为已知量,Δεt是t时刻的光纤光栅轴向应变,ΔT是t时刻温度变化量；
因为两种光纤光栅处在同一环境中，所以温度变化量相同，使用温度光栅的目的是实现温度补偿，消除温度产生的影响，上述得
Figure RE-FDA0003942811670000021
由此可测得光纤布拉格光栅的应变，即为钢结构的应变。通过钢结构应变时程，
根据σ＝εE得到钢结构应力时程，其中E为钢结构的弹性模量；
找出应力时程曲线中的峰值和谷值；对应力峰值和谷值序列进行雨流法计数。光纤光栅传感器所测得的应力时程经过上述雨流计数后可得到应力幅谱，实时监测结构的疲劳损伤程度。
9.根据权利要求8所述的钢结构监测方法，其特征在于，腐蚀监测：LPFG刻在光纤上,其对环境折射率有着高敏感性。在腐蚀产生时，腐蚀产物会使周围环境折射率发生变化。LPFG使入射光从传播的纤芯模耦合到同向传播的包层模,产生一系列的传输光谱的衰减带。光谱衰减带的中心(谐振)波长可以用以下方式表示；
Figure RE-FDA0003942811670000022
其中λL是谐振波长，
Figure RE-FDA0003942811670000023
是光纤纤芯的有效折射率，
Figure RE-FDA0003942811670000024
是包层的有效折射率，它与纤芯n1、包层n2和周围介质n3的折射率有关，Λ是光栅的周期。本发明中,纤芯n1折射率不变、包层n2和周围介质n3的折射率随着腐蚀的进行发生变化，半封闭环境内的介质的光学特性会马上发生变化，导致光谱仪上接收到的光信号的谐振波长发生偏移。通过谐振波长发生偏移量,经标定实验后可以得出长周期光纤光栅的谐振峰波长与钢结构的腐蚀率之间的关系。
10.根据权利要求9所述的钢结构监测方法，其特征在于，所述标定实验具体为：在实验室用N个与待测钢结构相同材质的钢板，在同一腐蚀环境下，进行腐蚀标定实验，实验过程中，每隔一段时间从N个钢板中取出1个钢板，用质量分数为12％的盐酸溶液将钢板上的锈迹清洗干净，精确测出未腐蚀部分钢板的质量,通过计算，即可得出已锈蚀钢板的质量，通过N组测量，可得到N组不同腐蚀状态下对应的光栅透射谱测量数据，以此再线性回归可标定出βL值，N取值为8-10，从而可以建立长周期光纤光栅的谐振峰波长与钢板腐蚀率之间的关系：ρ＝βLΔλL；
其中，ρ为腐蚀率，βL为腐蚀敏感系数，ΔλL为LPFG谐振波长变化量。
CN202210889247.8A 2022-07-27 2022-07-27 钢结构监测用的级联光纤光栅传感器及监测方法 Pending CN115468507A (zh)

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CN116519113A (zh) * 2023-07-04 2023-08-01 山东科技大学 基于光纤光栅的待测物振动的测量方法及振动传感器
CN117029713A (zh) * 2023-10-08 2023-11-10 中科航迈数控软件(深圳)有限公司 机床主轴形变监测系统、方法、设备及介质

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116519113A (zh) * 2023-07-04 2023-08-01 山东科技大学 基于光纤光栅的待测物振动的测量方法及振动传感器
CN116519113B (zh) * 2023-07-04 2023-09-26 山东科技大学 基于光纤光栅的待测物振动的测量方法及振动传感器
CN117029713A (zh) * 2023-10-08 2023-11-10 中科航迈数控软件(深圳)有限公司 机床主轴形变监测系统、方法、设备及介质
CN117029713B (zh) * 2023-10-08 2024-02-20 中科航迈数控软件(深圳)有限公司 机床主轴形变监测系统、方法、设备及介质

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