本发明涉及工程力学测试技术领域，特别是指一种测量构件变形应变梯度的方法与装置。
背景技术：
随着我国经济和社会的不断发展，土木工程建设规模逐步扩大，各类结构的体量和复杂程度稳步提升，工程结构的健康监测问题成为一项越来越重要的研究。重大土木工程结构诸如大跨度桥梁、大坝、大跨空间结构、超高层建筑、海洋平台等，其健康状况直接关系到人民生命财产的安全、国民经济的正常运行。因此，及时监测结构的健康状况，对结构早期损伤进行维修，能够保证结构性能，延长结构寿命，降低维护费用。
大量疲劳试验表明，结构在其使用期限内70％的损伤始于初始裂纹。伴随着裂纹扩展，结构的强度与刚度也将不断劣化，最终导致突发性灾难事故。线弹性材料裂纹尖端的应变梯度比应变场具有更高阶的奇异性，应变梯度相对于应变变化更加剧烈。相比于传统的应变损伤识别，监测应变梯度具有更加敏感、更早捕捉损伤的优势。应变梯度信息对于结构健康监测具有不言而喻的重要价值，对于实时评估结构的安全状况、及时实施安全预警、最大限度延长结构的使用年限具有重要作用。近年来，很多研究人员开始运用各种原理，注重于开发设计新型光纤光栅传感器，并关注存在于大量生物材料、高分子材料以及晶体材料中的挠曲电效应，但是在实际工程中并没有专门用于测量结构变形应变梯度的装置，在测量结构变形应变梯度时测量设备安装复杂、成本高、测量结果误差大。
技术实现要素：
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种测量构件变形应变梯度的方法与装置，解决了现有技术中测量结构变形应变梯度时测量设备安装复杂、成本高、测量结果误差大技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种测量构件变形应变梯度的方法，包括以下步骤：
步骤一：选择构件表面粘贴至少两组光纤光栅传感器作为应变梯度测量单元，确保每组光纤光栅传感器的测点关于构件的横截面上下对应；
步骤二：使用光纤以串联方式连接应变梯度测量单元与数据采集发送单元，以实现应变梯度测量单元与数据采集发送单元的数据通讯；
步骤三：配置后端服务器，后端服务器内置有梯度分析软件，将配置完成的数据采集发送单元通过以太网与后端服务器连接；
步骤四：所述步骤三中的后端服务器通过以太网远程接收数据采集发送单元传输来的测量数据，操作步骤四中所述的梯度分析软件生成构件测点应变梯度图表；
步骤五：所述步骤三中的梯度分析软件对构件应变梯度变化进行实时监测，当应变梯度值大于预先设定的临界值时发出构件安全预警。
所述构件为梁式结构构件，而且构件为连续、均质、线弹性的各向同性体。
在粘贴两组光纤光栅传感器时，应确保每组光纤光栅传感器的两个测点位于同一测量平面内，且每组光纤光栅传感器的布置位置关于构件的施压点相对称。
每组光纤光栅传感器测点的选择原则为：a、两点对称布置于构件的上下表面；b、构件上下表面的中轴线位置为布置光纤光栅传感器的最佳位置。
所述步骤二中的数据采集发送单元包括宽带光源发射装置、光纤耦合器、光纤、光谱分析仪，所述宽带光源发射装置向光纤耦合器发射光信号，光信号经过光纤耦合器到达光纤光栅传感器，光纤光栅传感器将反射回来的光信号再经光纤耦合器传入光谱分析模块，光谱分析模块对光信号进行解调分析得到光谱图，完成数据的实时采集工作。
所述数据采集发送单元解调得到的反射谱波形图的理论计算过程包括以下步骤：
(1)光纤光栅应变与构件应变的关系为
εfbg(x)＝ηε(x)(1)
式(1)中η为应变传递因子，描述应变从构件表面传递到光纤光栅的传递效率，εfbg(x)为光纤光栅的应变量，ε(x)为构件的应变量；
(2)单模光纤光栅的中心波长λb与有效折射率neff及光纤光栅的栅格周期长度λ之间满足布拉格条件：
λb＝2neffλ(2)
式(2)的微分形式可表示为：
δλb＝2λ·δneff+2neff·δλ(3)
式(3)中δλb为光纤光栅中心波长漂移量；
(3)当光纤光栅的栅区两端受到拉力作用时，光纤光栅的栅区各处作用力相等，光纤光栅的栅区将产生相应的轴向均匀应变εfbg，则光纤光栅的周期长度变化为：
δλ＝εfbg·λ(4)
对应的纤芯有效折射率变化为：
式(5)中ν为光纤光栅的泊松比，p11、p12为光纤光栅的弹光系数，
(4)将式(3)两端同时除以式(2)，并将式(4)和式(5)带入，可得
式(6)中δλb为光纤光栅中心波长漂移量，kε＝1-pe为光纤光栅的应变灵敏度系数；
(5)以光纤光栅的轴向建立x轴，光纤光栅的中点为原点，光纤光栅轴向应变εfbg为因变量，建立坐标系，假设光纤光栅上加载的轴向非均匀应变场为：
εfbg(x)＝kx+ε0(7)
式(7)中k为应变梯度，ε0为光线光栅的初始应变量，光纤光栅的栅区长度为l，则
(6)假设光纤光栅沿轴向划分若干微段，微段内受均匀应变场影响，则每个微段的应变随位置变化，其中心波长的漂移量δλb亦随x变化，中心波长的漂移量δλb最终体现为光纤光栅反射谱的带宽展宽量，带宽展宽量记为δλc，根据公式(6)和公式(7)可得：
δλc＝λb(1-pe)δεfbg(8)
由于光纤光栅两端的应变差为：
δεfbg＝kl(9)
则光纤光栅在非均匀应变场εfbg(x)＝kx+ε0下的理论带宽λc为：
λc＝δλ0+klλb(1-pe)(10)
式(10)中δλ0为光纤光栅变形前的初始带宽量。
所述数据采集发送单元通过对各个光纤光栅传感器的整个c波段范围100hz实时扫描得到采集到带宽、中心波长等信息，带宽、中心波长等信息经由光电板转换成模拟电信号传输至低噪声高速ad，低噪声高速ad将模拟信号转变为数字信号进行存储并通过以太网按照波长由低到高的顺序传输至后端服务器。
所述后端服务器运行的梯度分析软件对反射谱波形图数据进行拟合计算，首先计算出最高峰值，进一步，算出每个传感器波峰的3db值λb；进一步，计算出3db带宽λc；再由式(9)可得：
式(10)中δλ0为带宽，k为光线光栅的应变梯度；
由式(10)和式(1)可得所测构件的应变梯度k：
式(11)中η为应变传递因子。
所述步骤三中的后端服务器包括应变梯度分析软件和后台展现bs架构软件，后端服务器在线完成构件变形应变梯度监测数据的接收、存储、处理、分析、报警及可视化展现等软件功能。
一种测量结构变形应变梯度的装置，包括压弯机和检测系统，所述压弯机包括水平设置的支撑梁，支撑梁的两端设置有用于托举构件的简支座，支撑梁的中点与弓形竖梁的底端相连接，弓形竖梁的顶端设置有由电机推动的竖直推杆，竖直推杆的压头位于两个简支座的中间位置；所述检测系统包括所述应变梯度检测单元、数据采集发送单元和后端服务器。
本发明与现有技术相比的优点在于：根据布拉格条件公式，推导得到一套计算结构构件应变梯度的具体公式，公式中所包含的参数均可通过构件变形前后的光谱分析获得较为准确的结果，代入公式进行计算即可得到应变梯度结果；具体参数分为两类：一是光纤光栅材料参数，即有效折射率、弹光系数和泊松比，可以通过传统的光学、力学试验得出数据；二是中心波长和带宽，可以通过在构件表面布置测点使用光谱分析仪解算反射谱波形图，进而获得中心波长和带宽数据；本发明只需经由简单的光栅材料参数测量试验和结构构件变形前后的光谱数据分析，便可通过计算获得较为准确的结构构件应变梯度数据，计算方法简便快捷，主要用于测量混凝土、钢材等各向同性材料构件的应变梯度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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获得其他的附图。
图1为本发明中压弯机的结构示意图；
图2为图1的正视结构示意图；
图3为图1的侧视结构示意图；
图4为图1的俯视结构示意图；
图5为构件测试过程示意图。
具体实施方式
下面将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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-图5所示，实施例1，一种测量构件变形应变梯度的方法，包括以下步骤：
步骤一：选择简支梁1的上下表面分别粘贴两组光纤光栅传感器2作为应变梯度测量单元，每组光纤光栅传感器2分别设置在简支梁1的轴向三等分点处且使用环氧树脂胶粘贴，确保每组光纤光栅传感器2的测点关于简支梁1横截面上下对应。
步骤二：使用光纤以串联方式连接应变梯度测量单元内的光纤光栅传感器2与数据采集发送单元3，以实现应变梯度测量单元与数据采集发送单元3的数据通讯，数据采集发送单元3包括宽带光源发射装置、光纤耦合器、光纤、光谱分析仪，所述宽带光源发射装置向光纤耦合器发射光信号，光信号经过光纤耦合器到达光纤光栅传感器，光纤光栅传感器反射回来的光信号再经光纤耦合器传入光谱分析仪，光谱分析仪可以根据以下计算过程得到反射谱波形图：
(1)光纤光栅应变与构件应变的关系为
εfbg(x)＝ηε(x)(8)
式(1)中η(0＜η＜1)为应变传递因子，描述应变从构件表面传递到光纤光栅的传递效率，εfbg(x)为光纤光栅的应变量，ε(x)为构件的应变量；
(2)单模光纤光栅的中心波长λb与有效折射率neff及光纤光栅的栅格周期长度λ之间满足布拉格条件：
λb＝2neffλ(9)
式(2)的微分形式可表示为：
δλb＝2λ·δneff+2neff·δλ(10)
式(3)中δλb为光纤光栅中心波长漂移量；
(3)当光纤光栅的栅区两端受到拉力作用时，光纤光栅的栅区各处作用力相等，光纤光栅的栅区将产生相应的轴向均匀应变εfbg，则光纤光栅的周期长度变化为：
δλ＝εfbg·λ(11)
对应的纤芯有效折射率变化为：
式(5)中ν为光纤光栅的泊松比，p11、p12为光纤光栅的弹光系数，
(4)将式(3)两端同时除以式(2)，并将式(4)和式(5)带入，可得
式(6)中δλb为光纤光栅中心波长漂移量，kε＝1-pe为光纤光栅的应变灵敏度系数。
(5)以光纤光栅的轴向建立x轴，光纤光栅的中点为原点，光纤光栅轴向应变εfbg为因变量，建立坐标系，假设光纤光栅上加载的轴向非均匀应变场为：
εfbg(x)＝kx+ε0(7)
式(7)中k为应变梯度，ε0为光线光栅的初始应变量，光纤光栅的栅区长度为l，则
(6)假设光纤光栅沿轴向划分若干微段，微段内受均匀应变场影响，则每个微段的应变随位置变化，其中心波长的漂移量δλb亦随x变化，中心波长的漂移量δλb最终体现为光纤光栅反射谱的带宽展宽量，带宽展宽量记为δλc，根据公式(6)和公式(7)可得：
δλc＝λb(1-pe)δεfbg(8)
由于光纤光栅两端的应变差为：
δεfbg＝kl(9)
则光纤光栅在非均匀应变场εfbg(x)＝kx+ε0下的理论带宽λc为：
λc＝δλ0+klλb(1-pe)(10)
式(10)中δλ0为光纤光栅变形前的初始带宽量。
数据采集发送单元3通过对各个光纤光栅传感器的整个c波段范围100hz实时扫描得到采集到带宽、中心波长等信息，带宽、中心波长等信息经由光电板转换成模拟电信号传输至低噪声高速ad，低噪声高速ad将模拟信号转变为数字信号进行存储并通过以太网按照波长由低到高的顺序传输至后端服务器
步骤三：配置后端服务器，后端服务器内置有梯度分析软件，将配置完成的数据采集发送单元3通过以太网与后端服务器连接，梯度分析软件梯度分析软件对反射谱波形图数据进行拟合计算，首先计算出最高峰值，进一步，算出每个传感器波峰的3db值λb；进一步，计算出3db带宽λc；再由式(9)可得：
式(10)中δλ0为带宽，k为光线光栅的应变梯度；
由式(10)和式(1)可得所测构件的应变梯度k：
式(11)中η为应变传递因子。
步骤四：开启试验台电机对简支梁施加竖直向下的压力，使简支梁产生一定量的变形。
步骤五：所述步骤三中的后端服务器通过以太网远程接收数光线光栅分析仪3传输来的测量数据，操作步骤四中所述的梯度分析软件生成简支梁的应变梯度图表。
步骤六：所述步骤三中的梯度分析软件对简支梁的变形数据进行接收、存储、处理、分析及可视化展现，当应变梯度值大于预先设定的临界值时发出构件安全预警。
实施例2，一种测量构件变形应变梯度的方法，所述简支梁1为连续、均匀、线弹性的各向同性体。本实施例的其他步骤与实施例1相同。本发明方法对各向同形体的应变梯度的监测更加精确可靠。
实施例3，一种测量构件变形应变梯度的方法，本发明方法不仅可以测量实施例1中所述的简支梁1的应变梯度，而且同样适用于悬臂梁和外伸梁的应变梯度的测量。本实施例的其他步骤与实施例1相同。
实施例4，一种测量构件变形应变梯度的方法，在粘贴两组光纤光栅传感器2时，应确保每组光纤光栅传感器2的两个测点位于同一测量平面内，且每组光纤光栅传感器2的布置位置关于构件的施压点相对称。本实施例的其他步骤与实施例1相同。将每组的两个测点设置在同一测量平面内，且每组的两个测点将关于施压点相对称，可以相互对照，进一步确保测量结构的准确性。
实施例5，一种测量构件变形应变梯度的方法，每组光纤光栅传感器2测点的选择原则为：a、两点对称布置于简支梁1的上下表面；b、简支梁1上下表面的中轴线位置为布置光纤光栅传感器2的最佳位置，这种测点布置原则可以进一步保证测量结果的精确性。本实施例的其他步骤与实施例1相同。
实施例6，一种测量构件变形应变梯度的装置，包括压弯机4和检测系统，所述压弯机4包括水平设置的支撑梁401，支撑梁401的两端设置有用于托举简支梁1的简支座402。支撑梁401的中点与弓形竖梁403的底端相连接，弓形竖梁403的顶端设置有由电机404推动的竖直推杆405，电机404通过齿轮齿条结构推动竖直推杆405上下运动。竖直推杆405的压头406位于两个简支座402的中间位置。
所述检测系统包括实施例1中所述应变梯度检测单元、数据采集发送单元3和后端服务器。本实施例的其他内容与实施例1相同。通过压弯机4对简支梁1的施压，简支梁1产生相应的形变，进而应变梯度检测单元检测变形数据传输至数据采集发送单元3，数据采集发送单元3将相应的信息传输至后端服务器，后端服务器便会得到简支梁1相应的应变梯度信息。
本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。