一种空间二维三向应力应变监测平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种空间二维三向应力应变监测平台，包括信息采集装置、光纤监测装置、集线箱和设置在待测结构体中的空间二维三向应力应变传感器；空间二维三向应力应变传感器用于感知待测结构体在外界因素作用下产生的应力应变信息；光纤监测装置通过集线箱与空间二维三向应力应变传感器连接，对待测结构体进行监测；信息采集装置与光纤监测装置连接，用于捕获和存储光纤监测数据并将监测信息进行显示。本实用新型结构紧凑、工作可靠性高，具有布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等优势；本实用新型中采用的传感器兼具集成化和小型化等优点，测量精度高、使用寿命长，可以免受外界破坏，增加不同环境下的工程适用性。
【专利说明】—种空间二维三向应力应变监测平台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及水利与土木工程领域的监测装置，具体涉及一种空间二维三向应力应变监测平台。
【背景技术】
[0002]随着使用年限的增长，很多重大水利与土木工程会不可避免的遭受材料本身性能退化、不利环境荷载作用等影响，极易引起工程结构服役性态异常。如果不能及时监测和发现上述变化，极有可能导致一些灾难性事件的发生。在中国，随着大量民用军用工程的兴建，重要工程及重大结构的安全监测监控意义变得极为重大，因此，需要开发一种测量范围大并且可靠性高的监测装置。
实用新型内容
[0003]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种空间二维三向应力应变监测平台。
[0004]技术方案:为解决上述技术问题，本实用新型的空间二维三向应力应变监测平台，包括信息采集装置、光纤监测装置、集线箱和设置在待测结构体中的空间二维三向应力应变传感器；所述空间二维三向应力应变传感器用于感知待测结构体在外界因素作用下产生的应力应变信息；所述光纤监测装置通过集线箱与所述空间二维三向应力应变传感器连接，对待测结构体进行监测；所述信息采集装置与所述光纤监测装置连接，用于捕获和存储光纤监测数据并将监测信息进行显示。
[0005]所述二维三向应力应变传感器包括圆盘状的基盘、设置在基盘的圆周内侧的沟槽、固定件、距离标尺、角度标尺、封装件和位于光纤两端的端口跳线；所述固定件设置在基盘的圆心处及沟槽中，用于固定光纤走向；所述距离标尺穿过基盘的圆心设置，用于标定仪器内部光纤总长及其沿线上不同长度；所述角度标尺设置在所述沟槽边缘处，用来标记光纤的不同方向和角度；所述封装件覆盖在所述基盘上部，通过固定件的顶部固定；所述端口跳线分别伸出基盘与外部器件相连。
[0006]所述空间二维三向应力应变传感器使用串联的方式布设在待测结构体中。
[0007]有益效果:本实用新型的空间二维三向应力应变监测平台，结构紧凑、工作可靠性高，具有布设简单、监测成本低、工作效率高、工程适用性强等优势；本实用新型中采用的空间二维三向应力应变传感器兼具集成化和小型化等优点，测量精度高、使用寿命长，采用封装结构保护装置免受外界破坏，增加不同环境下的工程适用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1为本实用新型的空间二维三向应力应变监测平台的结构示意图；
[0009]图2为图1中空间二维三向应力应变传感器的结构示意图；
[0010]图3为实施例中空间二维三向应力应变监测平台的结构示意图；
[0011]图4为PPP-B0TDA技术原理图。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。
[0013]如图1和图2所示，本实用新型的空间二维三向应力应变监测平台，包括信息采集装置1、光纤监测装置2、集线箱3和设置在待测结构体5中的空间二维三向应力应变传感器4 ;空间二维三向应力应变传感器4用于感知待测结构体5在外界因素作用下产生的应力应变信息；光纤监测装置2通过集线箱3与空间二维三向应力应变传感器4连接，对待测结构体5进行分布式监测；信息采集装置I与光纤监测装置2连接，用于捕获和存储光纤监测数据并将监测信息进行显示。
[0014]本实施例中，空间二维三向应力应变传感器4包括圆盘状的基盘17、设置在基盘17的圆周内侧的沟槽18、固定件19、距离标尺21、角度标尺22、封装件23和位于光纤20两端的端口跳线24 ;固定件19设置在基盘17的圆心处及沟槽18中，用于固定光纤20走向；距离标尺21穿过基盘17的圆心设置，用于标定仪器内部光纤20总长及其沿线上不同长度；角度标尺22设置在沟槽18边缘处，用来标记光纤20的不同方向和角度；封装件23覆盖在基盘17上部，通过固定件19的顶部固定，共同完成封装的目的，进而达到保护装置免受外界破坏，增加不同环境下的工程适用性；端口跳线24分别伸出基盘17与集线箱3相连。空间二维三向应力应变传感器4使用串联的方式布设在待测结构体5中。
[0015]以下，将以SMF_28e普通单模光纤为例，说明本实用新型的空间二维三向应力应变监测平台的具体使用方案，但该平台的使用不限于此。
[0016]如图3所示，空间二维三向应力应变传感器4用于感知待测结构体5在外界因素作用下产生的应力应变信息，通过集线箱3，汇集到光纤监测装置2，然后通过信息采集装置I。如图4所示，对所使用的二维三向应力应变传感器4使用预泵浦脉冲技术，可以得到待测结构体5中光纤20(即SMF-28e普通单模光纤)各点的布里渊频移分布值，由于其与引起其变化的应变和温度有线性关系，可以利用该点反向求解其应变以及温度情况。空间二维三向应力应变传感器4中固定件19设置在基盘17的圆心处及沟槽18中来固定光纤20走向，距离标尺21穿过基盘17的圆心布设，用于标定其沿线上不同长度，角度标尺22设置在所述沟槽18边缘处，用来标记光纤20的不同方向和角度；基盘17上部为封装件23，保护装置免受外界破坏，端口跳线24伸出基盘17外。
[0017]光纤监测装置2包括信号处理设备6、泵浦光源7、光电转换开关8、放大器9、光路控制设备10、探测光源11、偏控设备12、第一光电探测器13、第二光电探测器14、第三光电探测器16和测量计时功能用装置15，所述信号处理设备6的信号连接端口 E和信号连接端口 F分别连接泵浦光源7和探测光源11的光输入端口，实现调制泵浦光源和探测光源的光信号的频率和功率值；泵浦光源7的光信号输出端口依次连接光电转换开关8和放大器9和光路控制设备10输入端口，后经集线箱3与光纤传感装置5中当前监测的光纤20的初始端跳线连接端口连接；探测光源的光输出端口连接偏控设备12的输入端口，后经集线箱3与光纤传感装置5中当前监测的光纤20的末端另一跳线连接端口连接；第一光电探测器13的信号输入端与泵浦光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备6的C接口连接，将探测到的泵浦光源的实际输出值传输给信号处理设备6以对泵浦光源的光信号的频率和功率值进行进一步调整；第二光电探测器14的信号输入端与探测光源侧传感光纤连接，信号输出端与信号处理设备6的D接口连接，将探测到的探测光源的实际输出值传输给信号处理设备6以对探测光源的光信号的频率和功率值进行进一步调整；测量计时功能用装置15的信号输入端与传感光纤一端连接，信号输出端与信号处理设备6的B接口连接实现对监测用光纤各点的空间定位；第三光电探测器16的信号输入端与光路控制设备10的传感光纤一端连接，信号输出端与信号处理设备6的A接口连接，实现对背向的受激布里渊散射信号功率进行测量。
[0018]泵浦光源发射的泵浦脉冲光在本装置中传播时，可以使用阶梯函数来描述其轮廓形状，具体用 H(t，Ω) = H1U, Q)+H2(t, Ω)+Η3α, Q)+H4(t, Ω)表示，其中H(t，Ω)为受激布里渊散射光谱项，是由泵浦脉冲光二次积分所得，即:
if ( \
A t-— \KZ^S)Adsdz其中，H1 (t, Ω)表示泵浦脉冲光，其空间分辨率对
SVW ，
应于D(泵浦脉冲光的持续时间)，该宽光谱范围其谱分布比较扁平，对于应变监测不利；H2(t, Ω)表示脉冲光与脉冲预泵浦光交互作用，其可以获取的与连续光相同的FWHW(半值全宽，即谱线宽Λ νΒ)，其用ΓΒ来表示；H3(t，Ω)表示脉冲预泵浦光与脉冲光交互作用；H4(t, Ω)代表脉冲预泵浦光，具有低空间分辨率，窄光谱范围特性。
[0019]光纤监测时，获取布里渊增益频谱:用h(z，s)来描述声子的特性，L为光纤的长度值，其表达式为:/?(Ζ,4=Γ>—，其中Vb(Z)为光纤上的测点Z处的布里渊中心频率，Γ=?.。据此，可以获取BGS(布里渊增益频谱Brillouin Gain Spectrum)的表达式为:
+ 其中Acw为探测光功率，β为微扰参数。
[0020]利用该装置完成其整个沿线上不同方向上的分布式应变监测，控制预泵浦光以及其脉冲预泵浦光持续的时间，可以使得H4(t，Ω)被限定在泵浦光的预泵浦长度内，且H3(t, Ω)与^⑴Ω)的积分相等，这样可以保证布里渊的增益不变，并且H2(t，Ω)可以使得布里渊增益频谱变窄，经过这样的过程之后，可以利用二维三向应力应变器4实现高精度分布式的多向应变监测。
[0021]调制空间二维三向应力应变监测平台:检测光纤监测装置2在监测前期的闭合回路中空载运行状况。将二维三向应力应变传感器4单独与光纤监测装置2相连，组成闭合回路，进行基本检测，如果该传感器读数正常，且无外表损坏等状况，则认为其具备布设于待测体的基本条件。
[0022]连接光纤20，空间二维三向应力应变监测平台进行监测。
[0023]首先对监测仪器进行校准，然后将初始端连接到泵浦光源，将光纤20末端连接到探测光源，然后将待测体放置到微机控制电液伺服万能试验机上进行实验，并且采集数据。
[0024]以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1.一种空间二维三向应力应变监测平台，其特征在于:包括信息采集装置(I)、光纤监测装置(2)、集线箱(3)和设置在待测结构体(5)中的空间二维三向应力应变传感器(4)；所述空间二维三向应力应变传感器(4)用于感知待测结构体(5)在外界因素作用下产生的应力应变信息；所述光纤监测装置(2)通过集线箱(3)与所述空间二维三向应力应变传感器(4)连接，对待测结构体(5)进行监测；所述信息采集装置(I)与所述光纤监测装置(2)连接，用于捕获和存储光纤监测数据并将监测信息进行显示。
2.根据权利要求1所述的空间二维三向应力应变监测平台，其特征在于:所述空间二维三向应力应变传感器(4)包括圆盘状的基盘(17)、设置在基盘(17)的圆周内侧的沟槽(18)、固定件(19)、距离标尺(21)、角度标尺(22)、封装件(23)和位于光纤(20)两端的端口跳线(24);所述固定件(19)设置在基盘(17)的圆心处及沟槽(18)中，用于固定光纤(20)走向；所述距离标尺(21)穿过基盘(17)的圆心设置，用于标定仪器内部光纤(20)总长及其沿线上不同长度；所述角度标尺(22)设置在所述沟槽(18)边缘处，用来标记光纤(20)的不同方向和角度；所述封装件(23)覆盖在所述基盘(17)上部，通过固定件(19)的顶部固定；所述端口跳线(24)分别伸出基盘(17)与外部器件相连。
3.根据权利要求1或2所述的空间二维三向应力应变监测平台，其特征在于:所述空间二维三向应力应变传感器(4)使用串联的方式布设在待测结构体(5)中。
【文档编号】G01D21/02GK203940886SQ201420310649
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年6月11日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】苏怀智, 杨孟, 李皓, 杨迁 申请人:河海大学