CN110715614B - 一种预应力frp筋的螺旋形光纤传感应变测试装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试装置，包括螺旋内嵌缠绕于预应力FRP筋的螺旋形传感光纤，在梁柱结构与预应力FRP筋发生协调变形后，光敏信号转换处理系统捕获螺旋形传感光纤发生的光敏参数变化，并通过螺旋形腔衰荡光谱信号放大、转换后，由计算机数据处理系统终端输出和记录对应的预应力FRP筋的轴向应变值，本发明还提供了相应的测试方法，对于以压弯或拉弯等典型复合受力状态下的梁、柱结构物中预先埋置的预应力FRP筋实施纵向应变测试，可有效排除弯曲径向效应对纵向应变目标测试结果的干扰，以更高精度对预应力FRP筋实施应变连续监测，为实时掌握预应力FRP筋有效预应力的工作状态，精确评估结构预应力损失提供基础数据。
Description
技术领域
本发明属于桥梁工程实验力学测量技术领域，适合于预应力FRP筋的应变测试，特别涉及一种预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试装置和方法。
背景技术
目前，采用预应力FRP筋的混凝土结构物在土木与建筑工程中应用越来越广泛，作为主要承力构件的FRP主骨架筋或预应力筋，对其服役状态下的应变(应力)监测和识别是关系到整体结构安全及使用性能客观评估的关键环节，尤其在大跨径桥梁工程的健康监测与运维养护实践中至关重要。然而，传统钢筋混凝土及预应力混凝土结构监测中应用最成熟和广泛的钢弦式应变计在布设方式上依赖大量焊接连接，对于纤维增强织物预应力FRP筋这类典型的无机非金属材料则无能为力，仅可选择另一类表面附着式应变测试技术应用于预应力FRP筋的应变测试。
由此则衍生出一系列制约表面附着式应变测试技术测试精度的“瓶颈”问题，主要体现在以下三方面：(一)，附着式应变元件(应变计、应变片)布设于预应力FRP筋表面，待混凝土振捣之后，会对应变元件造成机械损伤，严重影响测试元件存活率；(二)，结构工程运维养护实践中发现，对于已发生压弯或拉弯复合应力状态下变形的梁、柱构件，传统的测试方法即使对于同一测区，在预应力FRP筋上、下边缘布设的应变测试元件在数值上都表现出较大的差异，究其原因是径向效应(应力和变形)对轴向应变存在的显著影响，而对于直径越大的预应力FRP筋，这一效应的影响越显著；(三)，传统表面附着式应变测试元件在待测FRP表面上往返盘绕布设，存在多个直线段与半圆弧段，在应变测试时，由于其直线段和圆弧段的应变变化状态显著不同，且在后续长期监测期内，受温、湿度等工作环境影响较大，都会对应变测试精度产生较大影响。
综上所述，基于光纤信号传输传导机理，为弥补传统表面附着式应变测试技术在预应力FRP筋应变状态测试中存在的不足，采用内嵌植入式布设方式替代方案，并进行相应参数率定方法地改进是实现更高精度应变监测的必由之路。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试装置和方法，针对预应力FRP筋的表面几何拓扑形状特点，设计了一种内嵌植入式螺旋形传感光纤测试装置并提供了与之匹配的应变精密光测方法，类比于弹簧轴向伸缩的工作机制实现了预应力FRP筋应变变化值的高精度量测，进而可高精度地实时获知预应力FRP筋预应力损失及永存应力状态，对于梁、柱等构件的使用性能评定至关重要。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试装置，包括螺旋内嵌缠绕于预应力FRP筋4的螺旋形传感光纤1，螺旋形传感光纤1通过光纤组网器件5接入光敏信号转换处理系统2，在梁柱结构与预应力FRP筋4发生协调变形后，光敏信号转换处理系统2捕获螺旋形传感光纤1发生的光敏参数变化，并通过螺旋形腔衰荡光谱信号放大、转换后，由计算机数据处理系统3终端输出和记录对应的预应力FRP筋4的轴向应变值。
所述预应力FRP筋4的表面设置有螺旋凹槽，螺旋形传感光纤1内嵌缠绕于该凹槽中，实现稳固连，待缠绕布设准备完成后，用环氧类树脂胶等材料封装固定。
所述螺旋形传感光纤1是采用石英或塑料制成的光导纤维材料。记传感光纤的布拉格波长的变化为ΔλB，对于应变变化量值Δε可通过ΔλB＝KεΔε+KTΔT进行测试。式中，Kε为应变敏感系数，Kε＝λBo(1-ρα)；KT为热膨胀系数，KT＝λBo(α+ξ)；ΔT为温度变化值。其中，ρα、α、ξ分别为所述螺旋形传感光纤(1)的弹光系数、热膨胀系数、和热光系数。
本发明还提供了一种预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试方法，在预应力FRP筋4上螺旋内嵌缠绕螺旋形传感光纤1，螺旋形传感光纤1通过光纤组网器件5接入光敏信号转换处理系统2，在梁柱结构与预应力FRP筋4发生协调变形后，由光敏信号转换处理系统2捕获螺旋形传感光纤1发生的光敏参数变化，并通过螺旋形腔衰荡光谱信号放大、转换后，由计算机数据处理系统3终端输出和记录对应的预应力FRP筋4的轴向应变值。
所述光敏信号转换处理系统2基于光纤螺旋形腔衰荡光谱技术和算法，用于轴向应变测试的转换关系式为ΔλB＝KεΔε+KTΔT，式中ΔλB为布拉格波长的变化，Δε为应变的变化，ΔT表示温度的变化，Kε为应变敏感系数，KT为热膨胀系数，依据预应力FRP筋4具体型式与螺旋形传感光纤1布设方式实现应变敏感系数率定，
为预应力FRP筋4测试区域长度L的微分，λB为螺旋形传感光纤1的波长，λB＝2neff·Λ，式中λB为波长，neff为激光在光纤内部传播时的有效折射率，Λ为光纤折射率的变化周期。
所述应变敏感系数Kε＝λBo(1-ρα)，热膨胀系数KT＝λBo(α+ξ)，式中λBo为初始中心波长，ρ、α、ξ分别为弹光系数、热膨胀系数和热光系数。
本发明的具体测试计算集成在光敏信号转换处理系统2内进行，其第一种具体测试方法：
在预应力FRP筋4测区仅缠绕一段螺旋形传感光纤1，令ε1为螺旋形传感光纤1在梁体下缘上产生的应变，在布设在梁体下缘的预应力FRP筋4发生拉伸变形后，对应波长信号的变化反映在解调仪上为：Δλ＝Kεε1，其中Kε＝λBo(1-ρα)，基于该式通过信号转换，由计算机数据处理系统3终端输出和记录对应的应变，即为预应力FRP筋4的轴向实时应变值。
其第二种具体测试方法：
在预应力FRP筋4测区上下缠绕两段螺旋形传感光纤1，保持布设在测区上的两段螺旋形传感光纤1长度相同，令ε1为下段螺旋形传感光纤1在梁体下缘上产生的应变，令ε2为上段螺旋形传感光纤1在梁体下缘上产生的应变，由于二者是对称布置，故ε1＝ε2，在布设在梁体下缘的预应力FRP筋4发生拉伸变形后，对波长信号的变化反映在解调仪上为：Δλ＝Kε(ε1+ε2)＝2Kεε1，基于此式通过信号转换，由计算机数据处理系统3终端输出和记录对应的应变，实际预应力FRP筋4的应变变化为输出应变的0.5倍。
其第三种具体测试方法：
在预应力FRP筋4测区上下缠绕两段螺旋形传感光纤1，保持布设在测区上的两段螺旋形传感光纤1长度相同，令ε1为下段螺旋形传感光纤1在梁体下缘上产生的应变，令ε2为上段螺旋形传感光纤1在梁体下缘上产生的应变，令ΔT为下段螺旋形传感光纤1上的温度变化，则对应波长的变化反映在解调仪上为：Δλ＝Kε(ε1+ε2)+KTΔT。由于温度效应的干扰，光纤应变仪测得的总应变精确度较低，利用FBG解调仪对传感光纤进行温度补偿，故本测试下可以排除温度对预应力FRP筋应变变化的影响，提高螺旋形光纤传感应变测试的精度。将得到的波长变化输入光纤应变仪就可测得总应变ε，在该种方法测试下，基于该式可通过信号转换，由计算机数据处理系统3终端输出和记录对应的总应变ε。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)螺旋形传感光纤的布设和测试方法有效解决了压弯或拉弯复合应力状态下变形的梁、柱构件中由径向效应导致的测试偏差问题，显著提高了测试精度。
(2)预应力FRP筋表面的凹槽配合环氧树脂固定封装，有效保护了螺旋形传感光纤，避免了混凝土浇筑、振捣等施工作业对传感光纤的破坏，保障了测试元件存活率，同时也有效固化了后续结构在漫长服役期内传感光纤的温、湿度工作环境，提高了测试稳定性。
(3)传感光纤嵌入式布设，方便操作工序少，且无须焊接作业，更适用于预应力FRP筋这类典型的无机非金属材料。
(4)有效克服了传统附着式应变测试技术中直线布设方式下噪声误差敏感、测试鲁棒性差的技术缺陷。
(5)有效克服了传统附着式应变测试中测试元件在待测FRP表面上往返盘绕布设方式存在的直线段与半圆弧段变形不同步的技术缺陷。
(6)可依据预应力FRP筋的构造特征，灵活调整测试区段长度和螺旋形光纤缠绕构型，在多变的现场环境中具有更优的适应性。
(7)由于传感光纤材料的敏感性，在使用过程中，相较于普通电阻应变丝而言其精确度更高，柔韧性更好，更加有利于贴合预应力FRP筋，提高测量精度。
本发明不仅可排除变形体构件处于复合应力状态下径向效应对应变变化响应的干扰，而且有效克服了应变元件(应变计、应变片)布设于预应力FRP筋表面，待混凝土振捣之后存活率低、测试结果差异较大以及直线段与半圆弧段变形不同步的技术缺陷。通过技术改进，显著降低了预应力FRP筋应变监测中传感器的布设难度，有效保证了传感器存活率和测试精度，可广泛适用于土木建筑工程中桥梁结构荷载试验、健康监测等技术领域，对于实现桥梁结构使用性能评估，保障结构整体安全运营具有积极的工程意义和应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是光纤传感系统结构原理图。
图3是本发明螺旋形传感光纤内嵌植入式布设方式示意图。
图4螺旋形传感光纤布设参数示意图。
图5是简支梁桥预应力FRP筋应变变化测试示意图。
图6是本发明螺旋形光纤传感应变测试系统示意图。
图7是本发明两段式光纤应变测试系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1所示，一种预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试装置，对于设置在混凝土梁、柱内的主受力构件预应力FRP筋4，依托其表面挤压成型的凹槽，将螺旋式螺旋形传感光纤1内嵌缠绕其中，随后引出光纤组网器件5，并连接入光敏信号转换处理系统2，经测试及信号转换后传由计算机数据处理系统3分析并实现预应力FRP筋4的应变变化值实时输出。
光纤传感系统结构原理如图2所示，螺旋形传感光纤1包括包层11、光栅12和纤芯13，布设方式如图3所示，布设完成后，其布设形状可抽象为图4所示的螺旋线几何构型。
传感光纤测量的基本原理是利用光纤的弹光效应，由于弹光效应使纤芯13的折射率发生永久的周期性变化，从而改变光栅12的栅距。所以具有一定频率宽度的光信号进入光纤光栅后，特定波长的光沿原路返回，其余波长的光信号则直接透射出去，当光纤光栅产生应变或者受到外界温度的变化时，反射回来的中心波长就会发生移动，并且两者具有一定的关系。因此通过测量中心波长的移动距离就可得到应变的变化情况。
光纤光栅的工作原理，满足光纤光栅布拉格条件的波长为：
λB＝2neff·Λ (1)
其中λB为布拉格波长，neff为激光在光纤内部传播时的有效折射率，Λ为布拉格光栅折射率的变化周期。
除此之外，光纤应变的变化能够影响有效折射率和变化周期，因为热光效应的存在，使得折射率的变化周期随着温度的改变而变化，具体如(2)式所示。
ΔλB＝λBo(1-ρα)Δε+λBo(α+ξ)ΔT (2)
式中，ΔλB为布拉格波长的变化，ρα、α、ξ分别为弹光系数、热膨胀系数、和热光系数，Δε为应变的变化，ΔT表示温度的变化。
令Kε＝λBo(1-ρα)，KT＝λBo(α+ξ)，其中Kε被称为应变敏感系数，KT被称为热膨胀系数，则可得：
ΔλB＝KεΔε+KTΔT (3)
传感光纤缠绕在预应变FRP筋上时与其形成了夹角θ如图3所示，设沿光纤轴线方向的应变为轴向应变，沿光纤截面方向的应变称为横向应变。当预应变FRP筋产生应变时光纤的径向和横向都会受到影响，因此分析光纤的工作原理以达到精确衡量应变变化规律的目的。
设预应变FRP筋上轴向应变为εF，光纤轴线方向应变εZ＝εF cosθ，光纤横向应变为εJ＝εF sinθ。
(1)轴向应变下光纤光栅特性分析
对光纤光栅布拉格方程两边进行微分可得：
dλB＝2Λ·dneff+2neff·dΛ (4)
由式(1)除以式(2)得：
对于预应力FRP筋材料而言，其变形符合线弹性，因此有：
上式中的ε表示光纤的轴向应变。
在轴向应变下仅考虑轴向变形对光纤折射率的影响，而忽略径向变形对光纤折射率的影响，因此轴向应变对光纤折射率变化的影响如下：
上式中C11和C12是指由轴向应变引起的轴向折射率和横向折射率变化，被称为弹光系数；上式中的v是指泊松比。
令
可得：
令αε＝λB(1-C)，则αε视作光纤轴向应变与波长变化关系的灵敏度系数，由此可得其二者之间的数学关系如式(9)所示。
ΔλB＝αεε (9)
(2)横向应变下光纤光栅特性分析
在横向应变下且剪切应变可以忽略时，仅考虑横向应变对光纤折射率的影响，而忽略轴向应变对光纤折射率的影响，因此横向应变对光纤折射率变化的影响如下：
同理令
则可得：
同理令α'ε＝λB(1-C')，则αε视作光纤横向应变与波长变化关系的灵敏度系数，由此可得其二者之间的数学关系如式(12)所示。
ΔλB＝α'εε (12)
设光纤螺旋线的总长度为T，截面积为A，光纤材料灵敏度k，则它的传递效率表示为：
当光纤受到拉伸或压缩时，螺旋线T、A、k都会发生变化，对上式进行全微分，整理后有
设传感光纤的截面积为圆形，由
D1为光纤的直径，有：
由材料力学可知，对于泊松比为v1光纤横向变形与轴向变形的关系为
对于直径为D2、测试区域长度为L、泊松比为v2的预应力FRP筋横向变形与轴向变形的关系为
由螺旋线的长度计算公式
式中
L为测试区域长度、S为螺距。对式(18)求微分，代入式(17)整理有：
将式(15)和式(16)代入式(19)得到
将式(19)和式(20)代入式(14)中得到
令
由此得到用于轴向应变测试的转换关系式：
式中K为该种光纤测试的灵敏度系数，对于实际结构工程可依据预应力FRP筋具体型式与螺旋形传感光纤布设方式实现灵敏度系数率定。
下面结合图5～图7通过实施例进一步对本发明的技术方案做详细说明，但本发明不限于这些实施方式。
对图5所示简单支承的预应力FRP筋混凝土梁在浇筑制作前，即选择弯矩效应最大的跨中截面一定范围内作为测试区域，配合挤压式纤维增强材料(FRP)筋的表面凹槽构型进行螺旋形传感光纤环绕式布设。在测区范围内均匀涂抹环氧树脂进行封装固定，待环氧树脂硬化之后，连接光纤组网器件5并连接导线，同时确定关键测试参数：测试区域长度L，螺距S及缠绕圈数n，进行灵敏度系数K率定。模拟桥梁正常运营状态，图示简支梁在承受径向对称荷载F下产生弯曲变形，此处竖向力F为广义等效荷载，既可代表服役状态下桥梁自重、桥面铺装及附属设施的静力荷载，也可代表周期性作用于梁体的车辆动力荷载等。在此作用下，布设在截面下缘的预应力FRP筋则受到拉伸变形，对此产生的沿预应力FRP筋轴向静态或动态应变均可应用螺旋形光纤测试装置和方法实施实时监测。
如图6所示，本发明的一种具体测试方法，将连接光纤组网器件5通过导线连接入光纤应变测试系统中，集成在光敏信号转换处理系统2内进行测试。
在预应力FRP筋4测区仅缠绕一段螺旋形传感光纤1，令ε1为传感光纤在梁体下缘上产生的应变，在布设在梁体下缘的预应力FRP筋发生拉伸变形后，由式(3)得对应波长信号的变化反映在解调仪上为：
Δλ＝Kεε1+KTT1 (24)
由于在试验中为控制单一变量不变，故试验温度保持不变，因此上式(24)可表示为：
Δλ＝Kεε1 (25)
其中Kε＝λBo(1-ρα)，基于式(3)可通过信号转换，由计算机数据处理系统(3)终端输出和记录对应的应变ε1，即为预应力FRP筋轴向实时应变值。
如图7所示，本发明的另一种具体测试方法，将连接光纤组网器件5通过导线连接入光纤应变测试系统，集成在光敏信号转换处理系统2内进行测试。
在预应力FRP筋4测区上下缠绕两段螺旋形传感光纤1，保持布设在测区上的两段螺旋形传感光纤1长度相同，保持布设在测区上的两段螺旋形传感光纤长度相同，令ε1为传感光纤在梁体下缘上产生的应变，令ε2为传感光纤在梁体下缘上产生的应变，由于二者是对称布置，故ε1＝ε2。在布设在梁体下缘的预应力FRP筋发生拉伸变形后，对波长信号的变化反映在解调仪上为：
Δλ＝Kε(ε1+ε2)＝2Kεε1 (26)
基于式(26)可通过信号转换，由计算机数据处理系统3终端输出和记录对应的应变ε1，实际预应力FRP筋轴向应变则为输出应变的0.5倍。
如图7所示，本发明的第三种具体测试方法，将连接光纤组网器件5通过导线连接入光纤应变测试系统，集成在光敏信号转换处理系统2内进行测试。
在预应力FRP筋4测区上下缠绕两段螺旋形传感光纤1，保持布设在测区上的两段螺旋形传感光纤1长度相同，保持布设在测区上的两段螺旋形传感光纤长度相同，令ε1为传感光纤在梁体下缘上产生的应变，令ε2为传感光纤2在梁体下缘上产生的应变，令ΔT为传感光纤2上的温度变化，则对应波长的变化反映在解调仪上为：
Δλ＝Kε(ε1+ε2)+KTΔT (27)
将得到的波长变化输入光纤应变仪就可测得总应变ε，在该种方法测试下，基于式(27)可通过信号转换，但是由于温度效应的干扰，光纤应变仪测得的总应变精确度较差，因此利用FBG解调仪对传感光纤进行温度补偿，此时对应波长的变化反映在解调仪上为：
Δλ＝Kε(ε1+ε2)＝Kεε (28)
故本测试下能排除温度对预应力FRP筋轴向应变的影响，提高螺旋形光纤传感应变测试的精度，由计算机数据处理系统3终端输出和记录对应的总应变ε。
综上，本发明通过内嵌入与预应力FRP筋表面几何拓扑形状相匹配的螺旋形传感光纤，对于以压弯或拉弯等典型复合受力状态下的梁、柱结构物中预先埋置的预应力FRP筋实施纵向应变测试，可实现有效排除弯曲径向效应(变形及应力)对纵向应变目标测试结果地干扰，能够以更高精度对预应力FRP筋实施应变连续监测，为实时掌握预应力FRP筋有效预应力的工作状态，精确评估结构预应力损失提供基础数据。本发明相比传统测试装置具有构造简单、操作方便、环境适应性强、现场安装不易损坏的优点。相比较电阻应变测试方法，传感光纤测试稳定性更高，由于其材料自身的柔韧特性，且自带传输和传感等功能，所以方便安装使用，测量数据时的效率更高。
本发明所述的具体实施方式并不构成对本申请范围的全部限制，凡是在本发明构思的原则和精神之内，本领域的专业人员做出的任何修改、等同替换的改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试装置，其特征在于，包括螺旋内嵌缠绕于预应力FRP筋(4)的螺旋形传感光纤(1)，所述预应力FRP筋(4)的表面设置有螺旋凹槽，螺旋形传感光纤(1)内嵌缠绕于该凹槽中，用环氧类树脂胶等材料封装固定，所述螺旋形传感光纤(1)是采用石英或塑料制成的光导纤维材料，螺旋形传感光纤(1)通过光纤组网器件(5)接入光敏信号转换处理系统(2)，在梁柱结构与预应力FRP筋(4)发生协调变形后，光敏信号转换处理系统(2)捕获螺旋形传感光纤(1)发生的光敏参数变化，并通过螺旋形腔衰荡光谱信号放大、转换后，由计算机数据处理系统(3)终端输出和记录对应的预应力FRP筋(4)的轴向应变值，光纤测试的灵敏度系数
式中，η为光纤螺旋线的传递效率，
T为光纤螺旋线的总长度，A为光纤螺旋线的截面积，k为光纤材料灵敏度，v1为光纤泊松比，L为预应力FRP筋的测试区域长度，v2为预应力FRP筋泊松比，D2为预应力FRP筋的直径，
S为螺距。
2.一种预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试方法，其特征在于，在预应力FRP筋(4)上螺旋内嵌缠绕螺旋形传感光纤(1)，所述预应力FRP筋(4)的表面设置有螺旋凹槽，螺旋形传感光纤(1)内嵌缠绕于该凹槽中，用环氧类树脂胶等材料封装固定，所述螺旋形传感光纤(1)是采用石英或塑料制成的光导纤维材料，螺旋形传感光纤(1)通过光纤组网器件(5)接入光敏信号转换处理系统(2)，在梁柱结构与预应力FRP筋(4)发生协调变形后，由光敏信号转换处理系统(2)捕获螺旋形传感光纤(1)发生的光敏参数变化，并通过螺旋形腔衰荡光谱信号放大、转换后，由计算机数据处理系统(3)终端输出和记录对应的预应力FRP筋(4)的轴向应变值，光纤测试的灵敏度系数
式中，η为光纤螺旋线的传递效率，
T为光纤螺旋线的总长度，A为光纤螺旋线的截面积，k为光纤材料灵敏度，v1为光纤泊松比，L为预应力FRP筋的测试区域长度，v2为预应力FRP筋泊松比，D2为预应力FRP筋的直径，
S为螺距。
3.根据权利要求2所述预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试方法，其特征在于，所述光敏信号转换处理系统(2)基于光纤螺旋形腔衰荡光谱技术和算法。
4.根据权利要求2或3所述预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试方法，其特征在于，所述光敏信号转换处理系统(2)中用于轴向应变测试的转换关系式为ΔλB＝KεΔε+KTΔT，式中ΔλB为布拉格波长的变化，Δε为应变的变化，ΔT表示温度的变化，Kε为应变敏感系数，KT为热膨胀系数，依据预应力FRP筋(4)具体型式与螺旋形传感光纤(1)布设方式实现应变敏感系数率定，
为预应力FRP筋(4)测试区域长度L的微分，λB为螺旋形传感光纤(1)的波长，λB＝2neff·Λ，式中λB为布拉格波长，neff为激光在光纤内部传播时的有效折射率，Λ为光纤折射率的变化周期。
5.根据权利要求4所述预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试方法，其特征在于，所述应变敏感系数Kε＝λBo(1-ρα)，热膨胀系数KT＝λBo(α+ξ)，式中λBo为初始中心波长，ρ、α、ξ分别为弹光系数、热膨胀系数和热光系数。
6.根据权利要求4所述预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试方法，其特征在于，在预应力FRP筋(4)测区仅缠绕一段螺旋形传感光纤(1)，令ε1为螺旋形传感光纤(1)在梁体下缘上产生的应变，在布设在梁体下缘的预应力FRP筋(4)发生拉伸变形后，对应波长信号的变化反映在解调仪上为：Δλ＝Kεε1，其中Kε＝λBo(1-ρα)，基于该式通过信号转换，由计算机数据处理系统(3)终端输出和记录对应的应变，即为预应力FRP筋(4)的轴向实时应变值。
7.根据权利要求4所述预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试方法，其特征在于，在预应力FRP筋(4)测区上下缠绕两段螺旋形传感光纤(1)，保持测区的两段螺旋形传感光纤(1)长度相同，令ε1为下段螺旋形传感光纤(1)在梁体下缘上产生的应变，令ε2为上段螺旋形传感光纤(1)在梁体下缘上产生的应变，由于二者是对称布置，故ε1＝ε2，在布设在梁体下缘的预应力FRP筋(4)发生拉伸变形后，对波长信号的变化反映在解调仪上为：Δλ＝Kε(ε1+ε2)＝2Kεε1，基于此式通过信号转换，由计算机数据处理系统(3)终端输出和记录对应的应变，实际预应力FRP筋(4)的应变变化为输出应变的0.5倍。
8.根据权利要求4所述预应力FRP筋的螺旋形光纤传感应变测试方法，其特征在于，在预应力FRP筋(4)测区上下缠绕两段螺旋形传感光纤(1)，保持测区的两段螺旋形传感光纤(1)长度相同，令ε1为下段螺旋形传感光纤(1)在梁体下缘上产生的应变，令ε2为上段螺旋形传感光纤(1)在梁体下缘上产生的应变，令ΔT为下段螺旋形传感光纤(1)上的温度变化，则对应波长的变化反映在解调仪上为：Δλ＝Kε(ε1+ε2)+KTΔT，利用FBG解调仪对传感光纤进行温度补偿，此时对应波长的变化反映在解调仪上为：Δλ＝Kε(ε1+ε2)＝Kεε，将得到的波长变化输入光纤应变仪就可测得总应变ε，在该种方法测试下，基于该式通过信号转换，由计算机数据处理系统(3)终端输出和记录对应的总应变ε。
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Families Citing this family (7)
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|---|---|---|---|---|
| CN111473733A (zh) * | 2020-04-24 | 2020-07-31 | 珠海任驰光电科技有限公司 | 一种超大量程光纤光栅位移传感器及测量方法 |
| CN112432604B (zh) * | 2020-10-30 | 2022-05-24 | 西安近代化学研究所 | 一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统及方法 |
| CN112490831A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-03-12 | 北方激光研究院有限公司 | 一种光纤应力长期保持装置 |
| CN112781632A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-05-11 | 北京信息科技大学 | 一种用于超弹性软体材料的螺旋型光纤传感方法 |
| CN114184082A (zh) * | 2021-12-10 | 2022-03-15 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | 一种测量炮管应变的装置和方法 |
| CN115266075B (zh) * | 2022-09-26 | 2023-02-17 | 中交第一公路勘察设计研究院有限公司 | 鼓凸自感知的板式支座及制作方法、监测系统及监测方法 |
| CN117606377A (zh) * | 2023-12-06 | 2024-02-27 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于弱反射光纤光栅的海洋柔性管道曲率监测方法 |
Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1274420A (zh) * | 1997-10-09 | 2000-11-22 | 黑尼仪器股份有限公司 | 力传感器 |
| JP2002162211A (ja) * | 2000-11-22 | 2002-06-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 歪み計測装置及びその設置方法 |
| EP2063068A1 (en) * | 2007-11-26 | 2009-05-27 | Schlumberger Holdings Limited (GB), | Pipe and method of determining the shape of a pipe |
| CN101738170A (zh) * | 2009-12-18 | 2010-06-16 | 北京科技大学 | 一种用于大变形量测的分布式光纤传感器 |
| CN103348087A (zh) * | 2010-11-03 | 2013-10-09 | 韦尔斯特里姆国际有限公司 | 参数感测和监测 |
| CN103485373A (zh) * | 2013-10-12 | 2014-01-01 | 青岛理工大学 | 一种静压高强预应力混凝土管桩桩身应力测试方法 |
| CN105971647A (zh) * | 2016-07-15 | 2016-09-28 | 东南大学 | 一种单点温补的多功能frp智能锚杆及其制作方法 |
| CN205909795U (zh) * | 2016-07-05 | 2017-01-25 | 哈尔滨理工大学 | 基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器 |
| CN106969853A (zh) * | 2016-11-02 | 2017-07-21 | 北京信息科技大学 | 适用于真空环境下的管状光纤光栅传感器设计方法 |
| CN108181023A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-06-19 | 北京信息科技大学 | 一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统及其方法 |
| CN108445581A (zh) * | 2018-01-29 | 2018-08-24 | 江苏深光通信科技有限公司 | 产生宽光谱低噪音低反射率光纤光栅的方法及其生产方法 |
| CN108645331A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-10-12 | 中南大学 | 一种拉伸应变测试方法和装置 |
| CN108895978A (zh) * | 2018-07-18 | 2018-11-27 | 大连理工大学 | 一种基于裸光纤的光纤传感器应变灵敏度标定方法 |
| CN109406528A (zh) * | 2018-09-07 | 2019-03-01 | 昆明理工大学 | 一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置及其温度补偿方法 |
| CN109610735A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-12 | 东南大学 | 一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100417963C (zh) * | 2006-10-27 | 2008-09-10 | 东南大学 | 分布式长标距光纤布拉格光栅应变传感器及其制造方法 |
| FR3070499B1 (fr) * | 2017-08-31 | 2019-09-06 | Saipem S.A. | Procede de determination des variations de contraintes au cours du temps d'une conduite sous-marine de transport de fluides |
-
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Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1274420A (zh) * | 1997-10-09 | 2000-11-22 | 黑尼仪器股份有限公司 | 力传感器 |
| JP2002162211A (ja) * | 2000-11-22 | 2002-06-07 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 歪み計測装置及びその設置方法 |
| EP2063068A1 (en) * | 2007-11-26 | 2009-05-27 | Schlumberger Holdings Limited (GB), | Pipe and method of determining the shape of a pipe |
| CN101738170A (zh) * | 2009-12-18 | 2010-06-16 | 北京科技大学 | 一种用于大变形量测的分布式光纤传感器 |
| CN103348087A (zh) * | 2010-11-03 | 2013-10-09 | 韦尔斯特里姆国际有限公司 | 参数感测和监测 |
| CN103485373A (zh) * | 2013-10-12 | 2014-01-01 | 青岛理工大学 | 一种静压高强预应力混凝土管桩桩身应力测试方法 |
| CN205909795U (zh) * | 2016-07-05 | 2017-01-25 | 哈尔滨理工大学 | 基于环形腔衰荡光谱技术应变传感器 |
| CN105971647A (zh) * | 2016-07-15 | 2016-09-28 | 东南大学 | 一种单点温补的多功能frp智能锚杆及其制作方法 |
| CN106969853A (zh) * | 2016-11-02 | 2017-07-21 | 北京信息科技大学 | 适用于真空环境下的管状光纤光栅传感器设计方法 |
| CN108181023A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-06-19 | 北京信息科技大学 | 一种光纤光栅和粗锥光纤温度与应变测试系统及其方法 |
| CN108445581A (zh) * | 2018-01-29 | 2018-08-24 | 江苏深光通信科技有限公司 | 产生宽光谱低噪音低反射率光纤光栅的方法及其生产方法 |
| CN108645331A (zh) * | 2018-06-12 | 2018-10-12 | 中南大学 | 一种拉伸应变测试方法和装置 |
| CN108895978A (zh) * | 2018-07-18 | 2018-11-27 | 大连理工大学 | 一种基于裸光纤的光纤传感器应变灵敏度标定方法 |
| CN109406528A (zh) * | 2018-09-07 | 2019-03-01 | 昆明理工大学 | 一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置及其温度补偿方法 |
| CN109610735A (zh) * | 2018-12-28 | 2019-04-12 | 东南大学 | 一种基于长标距光纤光栅的分布式自监测预应力复合筋 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 《Pelletized cellulose fibres used in twin-screw extrusion for biocomposite manufacturing: Fibre breakage and dispersion》;Maiju Hietala，等;《Composites Part A》;20180406;全文 * |
| 《一种免受温度影响的双光纤光栅应变传感器》;郑建邦，等;《传感技术学报》;20061231;全文 * |
| 《可分离温度影响的FBG应变测量方法》;刘汉平，等;《应用光学》;20060531;全文 * |
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