CN206803954U - 基于光纤光栅的亚微应变传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤光栅的亚微应变传感器，涉及应变测量技术领域。其包括基片和光纤光栅；基片包括：位于基片中部、采用镂空结构的敏感区；位于敏感区两侧、并连接敏感区的应力传导区；用于连接被测结构的固定区，固定区连接应力传导区的外侧端部；以及贯穿敏感区的沟槽，光纤光栅设于沟槽内，光纤光栅的两端固定于应力传导区靠近敏感区的内侧端部。敏感区采用镂空结构，使得敏感区的刚度远远小于应力传导区的刚度。通过应力传导区将应力传递到敏感区产生应变，通过光纤光栅测量敏感区的应变，该传感器用于精确测量防护网、锚杆结构等构件的微小应变，可以实现亚微应变的精确测量。

Description

基于光纤光栅的亚微应变传感器

技术领域

本实用新型涉及应变测量技术领域，具体的涉及一种基于光纤光栅的亚微应变传感器。

背景技术

边坡建设工程是交通设施建设中常见的土木工程，但高陡边坡上的危岩落石及滑坡等地质灾害却严重影响了乘客出行的安全。随着我国高速公路和高速铁路的积极快速发展，边坡防护越来越多。为了防止高陡危岩落石对沿线交通及乘客构成安全威胁及杜绝危岩落石产生，目前常用的方法：一是在边坡安装防护网，二是构筑锚杆结构(框架梁、挡墙)；同时设置相应的全监测与预警系统，通过实时检测防护网或锚杆结构的应力情况，对边坡的情况进行监测。

防护网是以钢丝绳网为主的各类柔性网覆盖包裹在所需防护斜坡或岩石上，以限制坡面岩石土体的风化剥落或破坏以及危岩崩塌。由于其柔性的特点可以使防护系统局部集中荷载并向周围的防护网(钢丝绳网、高强度钢格栅以及普通钢格栅等)均匀传递，从而使整个防护系统充分发挥保护危岩落石的功能。这种局部受载，整体作用的结构，能让防护系统承受更多的危岩落石并减小了单个钢丝绳的受力情况，因此，单个钢丝绳受力小，应变小，普通应变传感器难以捕捉该应变。目前常用的方法是在防护网上安装加速度传感器，来捕捉危岩落石的冲击信号。随着危岩落石的积累，防护网收到的静压力增加，但是加速度传感器难以精准估算危岩落石的积累量，不能为防护网因危岩落石的积累破坏做出预警预报，而防护网突然破坏导致的危岩落石脱落同样会危及沿线交通及乘客安全，因此，需要开发亚微应变传感器，不但能捕捉危岩落石的冲击信号，还能反应危岩落石的积累量，为全监测与预警系统提供精准测试数据。

锚杆作为深入地层的受拉构件，它一端与工程构筑物(框架梁、挡墙)连接，另一端深入地层中，整根锚杆分为自由段和锚固段，自由段是指将锚杆头处的拉力传至锚固体的区域，其功能是对锚杆施加预应力；锚固段是指水泥浆体将预应力筋与土层粘结的区域，其功能是将锚固体与土层的粘结摩擦作用增大，增加锚固体的承压作用，将自由段的拉力传至土体深处。监测锚杆应力应变数据是判定的锚杆结构体系稳定性的根本方法，但是目前的锚杆计测量精度都在微应变级别，难以满足判定反应锚固体系与土层的粘接摩擦力的锚杆应力需求，因此，需要开发亚微应变传感器，以满足锚杆结构体系监测需求。

微应变精度基于防护网及锚杆应力应变的测量为高陡边坡安全监测与预警提供了基础数据，但是目前监测与预警系统负责应力应变的数据测量的传感器基本处于微应变精度，现有的一些传感器在设计中只注重大量程，却忽视了提高精度问题，难以满足高精度监测的要求，严重影响了全监测与预警系统的功能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种精度高，适用于防护网及锚杆的应力检测，安装方便的基于光纤光栅的亚微应变传感器

为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案为：

一种基于光纤光栅的亚微应变传感器，包括基片和光纤光栅，其特征在于：基片包括：

位于基片中部、采用镂空结构的敏感区；

位于敏感区两侧、并连接敏感区的应力传导区；

用于连接被测结构的固定区，固定区连接应力传导区的外侧端部；以及

贯穿敏感区的沟槽，光纤光栅设于沟槽内，光纤光栅的两端固定于应力传导区靠近敏感区的内侧端部。

进一步的，光纤光栅完全没于沟槽中。

进一步的，固定区为焊接区、粘结区或设有螺栓孔的板状连接区。

进一步的，基片的长度为敏感区的长度的5-15倍。

进一步的，应力传导区的横截面为弧形，固定区的横截面为弧形。

进一步的，还包括设有卡线槽的固定座；固定区设有螺栓孔，固定座设有相应的螺纹孔。

进一步的，卡线槽的内壁上设有防滑凸起。

进一步的，光纤光栅采用点固定方式与应力传导区连接。

进一步的，光纤光栅的两端固定在应力传导区和在敏感区的交界处。

本实用新型的有益效果是：本实用新型公开了一种基于光纤光栅的亚微应变传感器，通过高刚度的应力传导区将应力传递到敏感区产生应变，将基片区域的应变集中到敏感区进行测量，其精度可以实现亚微应变的测量，适用于精确测量防护网、锚杆结构等构件的微小应变，同时沟槽可以保护光纤光栅不受损坏。

附图说明

图1本实用新型基于光纤光栅的亚微应变传感器一种实施方式的主视图；

图2为图1的仰视图；

图3为本实用新型基于光纤光栅的亚微应变传感器另一种实施方式与锚杆连接的主视图；

图4为图3的俯视图；

图5为图3的侧视图。

图中：1-基片、11-敏感区、12-应力传导区、13-固定区、2-光纤光栅、21-光纤光栅固定点、3-固定座、4-被测结构。

具体实施方式

为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

一种基于光纤光栅的亚微应变传感器，包括光纤光栅2和基片1，其特征在于：基片1包括：位于基片1中部、采用镂空结构的敏感区11；位于敏感区11两侧、并连接敏感区11的应力传导区12；用于连接被测物的固定区13，固定区13连接应力传导区12的外侧端部；以及贯穿敏感区11的沟槽，光纤光栅2设于沟槽内，光纤光栅2的两端固定于应力传导区12靠近敏感区11的内侧端部。本实用新型的基于光纤光栅的亚微应变传感器，敏感区11采用镂空结构，使得敏感区11的刚度远小于应力传导区12的刚度。通过应力传导区12将应力传递到敏感区11产生应变，通过光纤光栅测量敏感区的应变，该传感器用于精确测量防护网、锚杆结构等构件的微小应变，可以实现亚微应变的精确测量。同时可以保护光纤光栅2不受损坏。敏感区11采用镂空结构，生产制作简单。光纤光栅2固定在敏感区11的两端，用于感测敏感区11的应变。

具体的，基片1整体呈长条薄片状，中间区域为敏感区11，敏感区11两侧向外延伸为两个应力传导区12，在应力传导区12的外侧端部为两个固定区13。敏感区11的中部为平板结构、两端部采用弓形的镂空结构，用以减小刚度，使敏感区11的刚度小于应力传导区12的刚度。在敏感区11和应力传导区12开设长条状的沟槽，沟槽的截面呈弧形，沟槽贯通敏感区11。优选的，沟槽贯通敏感区11和部分应力传导区12；优选的，沟槽可以位于基片1长度方向上的中轴线位置。光纤光栅2设置在敏感区11的沟槽中，光纤光栅2在沟槽中贯通敏感区11，光纤光栅2两端固定在应力传导区12靠近敏感区11的内侧端部；优选的，光纤光栅2两端固定在应力传导区12和在敏感区11的交界处。光纤光栅2的两端固定在应力传导区12，将敏感区11完全贯穿，可以将敏感区汇聚的应变完全感测。基片1制作成敏感区11的刚度远小于应力传导区12的刚度，高刚度的应力传导区12受力后，会传导到敏感区11产生应变，并通过光纤光栅2进行感测。

使用时，将基片1贴合在被测的防护网或锚杆的表面，通过固定区13固定在被测的防护网或锚杆上。防护网或锚杆产生形变时，固定区13将形变产生的作用力传导到应力传导区12和敏感区11，由于应力传导区12的刚度大于敏感区11的刚度，所以应力传导区12基本不发生形变，而敏感区11产生较大的形变，从而被光纤光栅2感测到。

当被测构件在外力作用下产生变形时，其应变也随之传递给本实用新型的基于光纤光栅的亚微应变传感器，由于敏感区11的刚度远小于应力传导区12的刚度，故基片1所覆盖区域的变形会汇集于敏感区11，即：

ΔL＝Δl (1)

其中，L为基片1的长度，l为光纤光栅2的长度，ΔL为长为L的基片1的变形量，Δl为长为l的敏感区11的变形量。

由材料力学可知

其中：ε_L为被测结构4的应变，ε_l为基片1敏感区11的应变，L为基片1的长度，l为基片1敏感区11的长度。

本传感器中，光纤光栅2安装在敏感区11，由光纤光栅2传感原理可知：

Δλ＝λ(1-p_e)ε_l (4)

其中，λ为光纤光栅2的中心波长，Δλ为应变所引带来的光纤光栅2中心波长漂移量，Pe为光纤光弹性常数，ε_l为基片1敏感区11的应变。对于石英单模光纤，Pe＝0.22。

假设基片1长度于敏感区11域长度之比为n：

由公式(1)～公式(5)可知

目前，通用的光纤光栅2解调仪精度为1pm，当本实用新型的基于光纤光栅的亚微应变传感器采用1550nm中心波长的光纤光栅2时，只要n≥8.3即可实现0.1με的测量。使得本实用新型的基于光纤光栅的亚微应变传感器，适用于防护网及锚杆应力应变的高精度测量。

进一步的，光纤光栅2完全没于沟槽中。使得基板的敏感区11对光纤光栅2的保护更好。具体的，沟槽设于敏感区11一面上，截面为半圆形的长条槽，光纤光栅2整体完全放置在沟槽内部；优选的，沟槽从敏感区11延伸到应力传导区12上，光纤光栅2完全放置在沟槽内部，尾纤也可以沿沟槽内布置一定距离。光纤光栅2的两端的尾纤穿过基片1，设于基片1的另一面上。

进一步的，所述固定区13为焊接区、粘结区或设有螺栓孔的板状连接区。焊接、粘结或螺栓连接可以方便、快速的与防护网或锚杆连接。具体的，连接结构可以为焊接区或粘结区，也可以为的带螺栓孔的板状连接区。板状连接区的螺栓孔可以通过U型螺栓与柱状的被测结构相连。当本基于光纤光栅的亚微应变传感器与平板状的被测结构连接时，可以采用焊接或粘结的方式连接。

进一步的，还包括设有卡线槽的固定座3；固定区13设有螺栓孔，固定座3设有相应的螺纹孔。固定座3的中间设有卡线槽用于固定防护网或锚杆，防止滑动，更进一步的，卡线槽的内壁上设有防滑凸起，使的固定座3与防护网或锚杆连接更稳固。固定座3的两端设有螺纹孔，对应的固定区13设有螺栓孔。使用时，固定区13和固定座3将防护网或锚杆夹在中间，通过螺栓连接。

进一步的，基片1的长度为敏感区11的长度的5-15倍。应力传导区12会将应力集中作用于敏感区11，根据测量精度的需要，合理设置基片1和敏感区11的长度比。基片1采用常用材料的情况下，基片1的长度为敏感区11的长度的5-15倍，既可以增加敏感区11的应变，又可以防止敏感区11变形过大，应力超出屈服强度，造成敏感区11损坏。

进一步的，应力传导区12和固定区13的横截面为弧形。使本基于光纤光栅的亚微应变传感器更加贴合防护网或锚杆的表面，同时也增加了应力传导区12的刚度，减少应力传导区12的应变，将基片1产生的应变集中于敏感区11。

进一步的，光纤光栅2采用点固定方式与应力传导区12连接。应力传导区12的内侧端部设置有光纤光栅固定点21，光纤光栅2的两端点固定在光纤光栅固定点21上，具体的固定方式可以采用胶粘的方式，也可以采用焊接的方式。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于光纤光栅的亚微应变传感器，包括基片(1)和光纤光栅(2)，其特征在于：所述基片(1)包括：

位于基片(1)中部、采用镂空结构的敏感区(11)；

位于所述敏感区(11)两侧、并连接所述敏感区(11)的应力传导区(12)；

用于连接被测结构(4)的固定区(13)，所述固定区(13)连接所述应力传导区(12)的外侧端部；以及

贯穿所述敏感区(11)的沟槽，所述光纤光栅(2)设于所述沟槽内，所述光纤光栅(2)的两端固定于所述应力传导区(12)靠近所述敏感区(11)的内侧端部。

2.根据权利要求1所述基于光纤光栅的亚微应变传感器，其特征在于：所述光纤光栅(2)完全没于所述沟槽中。

3.根据权利要求1所述基于光纤光栅的亚微应变传感器，其特征在于：所述固定区(13)为焊接区、粘结区或设有螺栓孔的板状连接区。

4.根据权利要求1所述基于光纤光栅的亚微应变传感器，其特征在于：所述基片(1)的长度为所述敏感区(11)的长度的5-15倍。

5.根据权利要求1所述基于光纤光栅的亚微应变传感器，其特征在于：所述应力传导区(12)横截面为弧形，所述固定区(13)的横截面为弧形。

6.根据权利要求1所述基于光纤光栅的亚微应变传感器，其特征在于：还包括设有卡线槽的固定座(3)；所述固定区(13)设有螺栓孔，所述固定座(3)设有相应的螺纹孔。

7.根据权利要求6所述基于光纤光栅的亚微应变传感器，其特征在于：所述卡线槽的内壁上设有防滑凸起。

8.根据权利要求1所述基于光纤光栅的亚微应变传感器，其特征在于：所述光纤光栅(2)采用点固定方式与所述应力传导区(12)连接。

9.根据权利要求1所述基于光纤光栅的亚微应变传感器，其特征在于：所述光纤光栅(2)的两端固定在应力传导区12和在敏感区11的交界处。