CN1170143C - 混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器，传感器呈哑铃型，包括光纤、补偿柱和套于补偿柱和光纤之外的刚性保护外壳，补偿柱的反射端面与光纤的端面相对，形成法珀干涉腔，补偿柱的前端可以在刚性保护外壳内自由伸缩，尾端固定，补偿柱采用热膨胀系数与该传感器所埋入的混凝土的热膨胀系数相同或接近的材料制作。本传感器具有自补偿温度变形、信号强、测量的数据准确的优点。

Description

混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器

                      技术领域

本发明属于光纤传感器领域与民用基础设施状态监测领域的交叉领域，具体涉及一种可以自补偿混凝土温度变形的光纤应变传感器。

                      技术背景

大型桥梁、大坝、公路、隧道、高层建筑等的建造过程及建造完后的使用过程中均需经常监测其内部应变，以保证它们的建造质量与运行安全。由于这些设施基本都是混凝土结构，而混凝土材料的各向异性非均匀性，使得这些结构内部的应力/应变监测问题非常困难，因此国际上大力发展光纤应变传感器，以其解决混凝土内部应力/应变监测的难题。而非本征光纤法珀传感器(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer)是其中应用最为广泛一种，但其在实际应用中仍然存在一些问题：

1、混凝土结构不但受力会产生应变，环境温度变化引起的材料热胀冷缩、也会使混凝土结构产生应变。因此在分析计算混凝土结构的受力情况时，就必须将混凝土结构的应力应变与温度应变分离开来。而现有的光纤应变传感器无法单独完成这个任务，需另外额外安装一个温度传感器作为温度补偿传感器，以同时记录下该处的温度，算出混凝土的温度变形，并从综合应变中剔除温度应变。也就是说一个测点必须安装两个传感器，这将导致监测系统的传感器数量翻倍，带来传感器网络设计、布线、保护等一系列的问题，并大大提高测量系统的成本。

2、由于混凝土是一种各向异性非均匀材料，随配方不同其热膨胀系数不同，因而即使利用温度传感器获取温度参数后、其计算出的温度应变也不准确、误差很大，因而上述温度补偿办法的精度不高。

3、由于普通的光纤法珀应变传感器的纤细、易损，因而不能直接埋入混凝土中，在使用时必须用粘接胶先将其粘贴在一个金属构件上，然后再将金属构件埋入混凝土结构中，以用金属构件保护光纤应变传感器免受损坏。但这样一来，混凝土结构的应变要先传递到金属构件上，然后经过粘接胶传递到光纤法珀应变传感器，这样就至少存在几方面的问题：一是光纤应变传感器不是直接测量混凝土结构的应变，而是测量经过金属构件、粘接胶两次传递、转换后的应变；二是粘接胶的厚度、刚度等特性，将大大影响上述应变传递的准确性，进而影响传感器的准确性，同时粘接胶的寿命将影响传感器的寿命；三是金属构件的刚度大于混凝土结构的刚度，从而在金属构件周围混凝土中、形成局部应力集中，导致传感器测得的应变数据不准确。

本发明正是为了避免上述已有技术的不足而设计的一种具有温度应变自我补偿能力，信号强、精度高的混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器。

                        发明内容

本发明的目的是采用下述方案来实现的：

混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器的外观为哑铃型，由补偿柱、刚性保护外壳和光纤三部分构成。刚性保护外壳套在补偿柱和光纤之外。补偿柱前端的光学反射端面与光纤的光学反射端面相对，形成法珀干涉腔。补偿柱的前端可以在刚性保护外壳内自由伸缩，尾端固定。补偿柱采用热膨胀系数与该传感器所埋入的混凝土材料的热膨胀系数相同或接近的材料制作。

采用以上措施的优点如下：

1、传感器可以直接埋入混凝土结构中，无需额外的金属保护装置，结构的应变直接传递到传感器上，没有其他中间传递环节，可以保证测量的准确性。

2、补偿柱可以抵消被测结构的温度应变，从而使光纤法珀应变传感器的输出结果只与被测混凝土结构的应力应变有关，而与被测混凝土结构的温度应变无关。。

3、传感器采用哑铃形状可以保证传感器与混凝土结构之间良好的受力耦合，保证结构的综合变形无失真地传递到传感器上。

4、补偿柱与刚性保护外壳之间采用柔性胶粘接，保证整个传感器结构的总体刚度小于混凝土的刚度，这样可以实现传感器和被测结构的刚度匹配，避免在传感器周围形成应力集中，影响测量准确性。

上述措施使本发明区别于现有混凝土专用光纤法珀应变传感器，具有信号强，自补偿温度变形的优点。

                       附图说明

图1为本发明一种实施方案的结构图。

                      具体实施方式

下面结合附图的实施方案对本发明作进一步阐述：

参见附图1，温度自补偿型光纤法珀应变传感器外观为哑铃型，由补偿柱3、刚性保护外壳4和光纤7三部分构成。其中，光纤7安装在一刚性圆盘6上，并与刚性保护外壳4焊接在一起。补偿柱3放置在刚性保护外壳4内，尾端2固定，前端可以自由伸缩，其镀有光学反射膜的前端5紧靠同样镀有光学反射膜的光纤7端面、形成法珀干涉腔9；反射柱3的尾端2直径较端刚性保护外壳4大，它暴露在外并通过柔性胶10与刚性保护外壳4粘接在一起。在本实施例中，补偿柱的材料选用被测结构混凝土配方相同的混凝土材料；光纤7前端可以增加自聚焦透镜8，以便接收更多的光线，从而提高传感器的信噪比；刚性圆盘6和刚性保护外壳4选用不锈钢材料避免腐蚀；柔性胶10可采用硅橡胶。当然刚性保护外壳4也可选用混凝土制作。

工作时，传感器直接埋入混凝土结构1当中，哑铃形状可以保证传感器与混凝土结构之间直接的受力耦合，保证混凝土结构的综合变形无失真地传递到传感器上。补偿柱3与刚性保护外壳4之间采用柔性胶10粘接，保证整个传感器总体刚度小于被测混凝土的刚度，这样可以避免在传感器周围形成应力集中，影响测量准确性。

这样就采用本发明的思路，即可在一个光纤法珀应变传感器上实现混凝土结构温度应变的自补偿和结构应力应变的准确测量。

尽管本发明的实施方式采用混凝土制作补偿柱，并且在其反射面沉积金属膜，在光纤的端面加装自聚焦透镜；然而仍然可以利用与混凝土热膨胀系数相同的材料制作补偿柱、利用其他方式处理补偿柱的反射表面并与大芯径光纤直接形成法珀腔，从而实现本发明而不背离权利要求书中所定义的本发明实质和范围。

Claims (3)

1、混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器，传感器呈哑铃型，包括光纤，其特征在于它还有补偿柱和套于补偿柱和光纤之外的刚性保护外壳；补偿柱前的光学反射端面与光纤的光学反射端面相对，形成法珀干涉腔；补偿柱前端可以在刚性保护外壳内自由伸缩，尾端固定；补偿柱采用热膨胀系数与该传感器所埋入的混凝土材料的热膨胀系数相同的或接近的材料制作。

2、根据权利要求1所述的混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器，其特征在于补偿柱的尾端直径较刚性保护外壳大，暴露在外并形成哑铃型的一端，直接感受混凝土结构的应变，哑铃型的另一端是与刚性保护外壳固定的刚性圆盘，光纤由此穿入并固定。

3、根据权利要求1所述的混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器，其特征在于刚性保护外壳采用混凝土或金属材质制作。