一种基于分布式光纤感测的力和位移测量方法及传感器与流程

本发明属于光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤感测的力和位移测量方法及传感器。

背景技术：

薄壁金属圆环已作为力传感器广泛应用于传统土工试验仪器中，如无侧限抗压强度试验仪、三轴仪、直剪仪等。这些仪器是通过百分表、千分表读取圆环在荷载下的变形来实现力的测量。但多数情况下，这种方法测量精度较低，量程范围较小，并且需要定期的标定。还有一种方法是用黏结剂将应变片贴在金属圆环上构成惠斯顿电桥，继而将应变引起的电阻变化转换成电压信号。该方法的缺陷是测试读数易受电磁干扰，读数不准。由于力和位移的测量可靠性较差，严重阻碍了土工试验仪器的发展。

近年来，分布式光纤传感技术得到了突飞猛进的发展。该技术可以快速采集到光纤任意位置的光信号，并结合相关传感原理即可得到光纤沿全长所有位置的应变、温度等物理参数，实现了常规监测技术难以实现的分布式监测。另外该技术具有数据量大、无电磁干扰、全自动、可远程监控等特点。正是由于这些优点，分布式光纤监测技术被越来越多地应用于各类工程结构监测和室内试验中。

布里渊光时域分析(BOTDA)、布里渊光时域反射(BOTDR)等分布式光纤传感技术的原理是利用光纤中的布里渊散射光频率变化量(频移量)和光纤轴向应变或环境温度之间的线性关系来实现传感，该关系可以表示为：

式中：ν_B(ε,T)、ν_B(ε₀,T₀)分别为测量前、后光纤中布里渊散射光的频移量；ε、ε₀分别为测试前后的轴向应变；T、T₀分别为测试前后的温度值。比例系数和的值分别为0.05MHz/με和1.2MHz/℃。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种基于分布式光纤感测的力和位移测量方法及传感器，以使土工试验所测得的力、位移数据更加精确、可靠，并且实现自动化测量，从而彻底解决现有土工试验仪器对力、位移测量精度低、受电磁干扰等缺陷。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种基于分布式光纤感测力和位移的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、提供一薄壁圆环，在所述薄壁圆环的侧壁上黏贴分布式应变感测光纤，用信号传输光纤连接至光纤解调设备；

步骤二、在所述薄壁圆环顶点处施加力或位移，使黏贴在薄壁圆环侧壁上的分布式应变感测光纤发生应变，用光纤解调设备和计算机采集、记录所述薄壁圆环的环向应变分布测值；

步骤三、采用移动平均法对应变监测数据进行平滑处理，平滑处理后的应变数据符合三角函数特征，采用余弦函数ε(x)＝a cos[b(x-c)]+d的形式拟合，式中：参数a表示拟合得到的最大环向应变值；参数b用以消除函数周期误差；参数c用以消除加载中存在的偏心误差；参数d用以消除温度变化带来的误差；x表示距薄壁圆环底部的距离；ε(x)表示薄壁圆环在一定荷载、位移下的环向应变值；根据拟合方程得出薄壁圆环在一定荷载、位移下的最大环向应变值|ε|_max；

步骤四、通过理论公式推导得知，薄壁圆环顶点处的作用力和位移与薄壁圆环最大环向应变值均存在线性关系，即F＝K₁×|ε|_max和ΔD＝K₂×|ε|_max，式中：F表示作用在薄壁圆环上的力；ΔD表示薄壁圆环顶点处发生的位移；K₁、K₂分别为常数，通过标定试验确定；由以上公式计算一定的最大环向应变测值所对应的力和位移。

步骤四所述的标定试验，包括如下步骤：首先，将已黏贴了分布式应变感测光纤的薄壁圆环放置在加载台上，在薄壁圆环顶点处分级施加已知大小的作用力及位移，使薄壁圆环发生环向应变，记录各级荷载下薄壁圆环的环向应变测值；其次，对环向应变测值进行平滑处理和拟合，据此得到各级荷载下薄壁圆环的最大环向应变值；最后，建立薄壁圆环最大环向应变值和作用力、位移之间的线性关系，即F＝K₁×|ε|_max和ΔD＝K₂×|ε|_max，采用线性回归方法计算出标定系数K₁、K₂的大小。

一种用于所述的基于分布式光纤感测力和位移的测量方法中的传感器装置，主要包括分布式应变感测光纤、薄壁圆环、信号传输光纤、光纤解调设备和计算机；分布式应变感测光纤通过信号传输光纤与光纤解调设备相互串联，计算机和光纤解调设备采用串口、网线连接；所述的分布式应变感测光纤黏贴在薄壁圆环侧壁上。

所述薄壁圆环采用具有线弹性应力-应变关系的金属材料制成。

将整根分布式应变感测光纤沿全长用环氧树脂紧紧黏贴在薄壁圆环的侧壁上，使其与圆环黏贴牢固。

所述分布式应变感测光纤和信号传输光纤之间相互熔接，并用热缩套管保护熔接点。

有益效果：

(1)根据力学分析，薄壁圆环顶点处作用力和位移与最大环向应变之间存在理想的线性关系，由此获得标定系数K₁和K₂；

(2)提出一种基于分布式光纤感测的力和位移测量方法，实现对薄壁圆环变形的高精度、全自动、分布式测试，克服了传统方法效率低、误差大、监测数据量小等问题；

(3)采用本发明安装简单、测量精确、自动化程度高、性价比好。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例中分布式光纤测力和位移的传感器试验装置示意图；其中，1是分布式应变感测光纤，2是薄壁圆环，3信号传输光纤，4是计算机，5是光纤解调设备，6是万能试验机。

图3是本发明实施例中光纤应变读数及拟合图；

图4-5是本发明实施例中的理论计算与实际测得值之间的比较；

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作更为具体的描述。

一种分布式光纤测力传感器，包括分布式应变感测光纤、薄壁圆环、信号传输光纤、光纤解调设备和计算机。光纤解调设备与黏贴在薄壁圆环侧壁(内壁或外壁)上的分布式应变感测光纤通过信号传输光纤相互串联，计算机和光纤解调设备采用串口、网线连接。

作为上述方案的进一步优化，所述薄壁圆环采用具有线弹性应力-应变关系的金属材料制成，例如不锈钢、铝合金等。

作为上述方案的进一步优化，为了保证光纤和金属圆环的变形存在一致性，将整根分布式应变感测光纤沿全长用环氧树脂紧紧黏贴在所述薄壁圆环侧壁上，并置于室内24h，使其与圆环黏贴牢固。由于光纤比较柔软，只有全长黏贴的方式才能保证光纤与薄壁圆环侧壁均匀紧贴，采用绑扎、定点黏贴等方式会造成测量误差。

作为上述方案的进一步优化，所述分布式应变感测光纤和信号传输光纤之间相互熔接，并用热缩套管保护熔接点。

在上述方案中，在所述薄壁圆环顶点处施加力或位移，使黏贴在薄壁圆环侧壁上的分布式应变感测光纤发生应变，用光纤解调设备和计算机采集、记录所述薄壁圆环的环向应变值；

进一步地，采用移动平均法对应变监测数据进行平滑处理，平滑处理后的应变数据符合三角函数特征，采用余弦函数ε(x)＝a cos[b(x-c)]+d的形式拟合，式中：参数a＝|ε|_max表示拟合得到的最大环向应变值，参数b用以消除函数周期误差，参数c用以消除加载中存在的偏心误差，参数d用以消除温度变化带来的误差，x表示距薄壁圆环底部的距离,；ε(x)表示薄壁圆环在一定荷载、位移下的环向应变值。采用该拟合函数一方面可以很好反映薄壁圆环的应变曲线特征，另外一方面是由于该拟合方式可以消除试验中各种误差，提高测试精度。根据拟合方程得出薄壁圆环在一定荷载、位移下的最大环向应变值|ε|_max；

进一步地，根据F＝K₁×|ε|_max和ΔD＝K₂×|ε|_max，由最大环向应变值求出薄壁圆环顶点处的作用力大小和相应的位移，式中：F表示作用在薄壁圆环上的力；ΔD表示薄壁圆环顶点处发生的位移；K₁、K₂分别为常数，通过标定试验确定。在上述方案中，通过理论公式推导得知，薄壁圆环顶点处的作用力和位移与薄壁圆环最大环向应变值存在上述的线性关系。

进一步地，为了获得标定系数K₁、K₂，将黏贴了分布式应变感测光纤的薄壁圆环放置在加载台上，用信号传输光纤将分布式应变感测光纤连接至光纤解调设备，光纤解调设备连接计算机；在薄壁圆环顶点处施加已知大小的作用力及位移，使黏贴在薄壁圆环侧壁上的分布式应变感测光纤发生应变，用光纤解调设备、计算机采集、记录所述薄壁圆环的环向应变测值；采用移动平均法对应变数据进行平滑处理，并采用余弦函数进行拟合。根据拟合方程得出薄壁圆环在一定荷载下的最大环向应变值；通过改变施加在薄壁圆环上的作用力和位移，得到薄壁圆环在不同作用力、位移下的最大环向应变值。根据公式F＝K₁×|ε|_max和ΔD＝K₂×|ε|_max计算出标定系数K₁、K₂的大小。

本发明原理：利用黏贴在薄壁圆环上的分布式应变感测光纤测出圆环在外力作用下发生的环向应变；通过光纤解调设备和计算机收集分布式应变感测光纤的应变值；对收集到的应变数据进行平滑和拟合处理，获得薄壁圆环的最大环向应变值；根据薄壁圆环顶点处作用力和相应位移与最大环向应变值之间的线性关系计算出力和位移。

实施例1

如图2，一种分布式光纤测力和位移传感器，包括分布式应变感测光纤1、薄壁圆环2、信号传输光纤3、计算机4、光纤解调设备5、万能试验机6。所述方法中为了保证光纤和金属圆环的变形存在一致性，将分布式应变感测光纤1用环氧树脂等胶水黏贴在薄壁圆环2的外壁，并置于室内24h，使其与薄壁圆环2表面黏贴牢固。所述光纤解调设备5与黏贴在薄壁圆环2侧壁的分布式应变感测光纤1通过信号传输光纤3相互串联。所述分布式应变感测光纤1和信号传输光纤3的相互熔接处套有热缩套管保护。所述分布式应变感测光纤1的读数通过光纤解调设备5和计算机4自动采集。实施例中所采用的光纤是直径为0.9mm的单模单芯紧包光纤。

所述装置在万能试验机6上采用匀速位移加载方式进行加载，万能试验机6上的显示仪记录加载过程中的力和位移关系曲线，该测量值用来验证光纤应变推算出的作用力、位移的准确性。

当薄壁圆环2顶点处受到力的作用时，黏贴在薄壁圆环2侧壁上的分布式传感光纤1发生应变，该应变将使分布式应变感测光纤上的布里渊散射光频率发生漂移，光纤解调设备可以实时测得该频移量，从而获得金属圆环的环向应变分布情况。为了消除测量误差，采用移动平均法对对所测得的应变数据进行平滑处理。

假设薄壁圆环在径向作用力下发生椭圆状变形，则薄壁圆环上各点的径向位移为：

式中：y为薄壁圆环上各点的径向位移；为方位角；ΔD为直径变化量。另外根据力学理论，薄壁圆环上各点的径向位移与弯矩之间存在如下关系：

式中：为薄壁圆环所受弯矩；E为薄壁圆环的弹性模量；I为薄壁圆环的惯性矩；R为薄壁圆环的半径。由以上公式得到：式中：D为薄壁圆环的直径。当时，薄壁圆环的最大环向应变为式中：d为薄壁圆环厚度的一半。该式可改写为式中：K₂为位移的标定系数，可通过标定试验获得。

根据弹性力学中Timoshenko的薄壁圆环应力计算公式，可以得到一定径向力作用下薄壁圆环内、外壁环向应变ε的公式

式中：ω为薄壁圆环的厚度；δ为薄壁圆环的宽度；F为薄壁圆环上单位厚度所受的两个方向相反的径向作用力；θ为方位角；R_a为金属圆环的中径；E为薄壁圆环的弹性模量。当θ＝90°时，薄壁圆环向应变的绝对值达到最大值，且进一步转换为式中：K₁为力的标定系数，可通过标定试验获得。

标定试验的实施方式包括：利用加载装置对金属圆环施加相反方向的径向作用力，等读数稳定后记录薄壁圆环的环向应变读数，然后逐级加载，依次记录应变数据。

对所测得的应变读数移动平均法对数据进行平滑处理，对平滑处理得到的薄壁圆环环向应变读数进行余弦函数ε(x)＝a cos[b(x-c)]+d的形式拟合，式中：参数a＝|ε|_max表示拟合得到的最大环向应变值，参数b用以消除函数周期误差，参数c用以消除加载中存在的偏心误差，参数d用以消除温度变化带来的误差。据此得出薄壁圆环在每级荷载下对应的最大环向应变值|ε|_max。

根据理论公式计算得出作用力和位移的大小，最后和加载装置自带的显示仪读数进行对比。并绘制理论计算作用力和位移与实际测量值的关系曲线。如图4和5所示，从图中可以看出基于分布式光纤感测的力和位移测量方法的计算结果和实际测量值非常接近。

薄壁圆环顶点处的作用力和位移与最大值环向应变之间存在关系F＝K₁×|ε|_max和ΔD＝K₂×|ε|_max，根据以上步骤得到的结果计算出标定系数K₁和K₂的大小。该标定系数可以作为传感器的设计参数。

需要说明的是，除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明专利要求的保护范围内。