夹持式光纤光栅的基体应变修正方法与流程

本发明涉及夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，属于光纤光栅应变传递理论领域。

背景技术：

光纤光栅传感器以其灵敏度高、抗电磁干扰以及易于实现准分布式测量等优良特性，是结构应变测量的首选传感器。由于光纤和中间层弹性模量不同，光纤传感器应变与基体应变不一致。光纤光栅应变传递理论分析是光纤光栅传感器封装设计和基体应变修正的理论依据，主要包括埋入式和基片式光纤光栅应变传递分析。埋入式光纤光栅应变传递分析根据直接埋入式封装的同心柱环模型,推导了光纤光栅传感器各点的应变传递率,得出应变传递率最大的点发生在光纤传感器的中间位置的结论；基片式光纤光栅应变传递分析以基片式光纤光栅传感器为研究对象，建立了多层基片式光纤传感器应变传递力学模型。夹持式光纤光栅传感器易于现场夹持安装，具有良好的工程应用前景，但是夹持式光纤光栅应变传递理论未见诸报道。本专利属于光纤光栅应变传递理论领域，涉及夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，修正光纤光栅-基体应变误差，为夹持式光纤光栅传感器的开发与工程应用提供理论基础。

技术实现要素：

本发明涉及夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，实现基体应变的监测与修正。

本发明采用的技术方案是：

夹持式光纤光栅应变传递率分析如下：

(1)光纤为线弹性材料，光纤m段和光纤n段机械性能相同(光纤纤芯一般掺杂微量锗，采用相位掩模法或紫外照射法进行光栅刻写时会使其产生缺陷，影响光纤机械性能)，光纤光栅不直接承受外力，光纤轴向应力是由接触面上的剪应力传递；

(2)胶层为空心圆柱体，均匀涂覆光纤表面，胶层发生剪切变形，不考虑胶层的轴向变形；

(3)光纤与胶层粘结紧密，没有相对滑移。

解调仪采集波长变化，裸光纤光栅应变为：

式中，εg为裸光纤光栅应变，Kε为裸光纤光栅应变灵敏度系数，ΔλB反射波长变化。

图1为夹持式光纤光栅传感器封装模型图，图2为夹持式光纤光栅传感器受力模型图，图3为光纤m段微元体受力模型图，对其受力分析：

2πrg·τg(x,rg)·dx+πrg²·dσg＝0 (2)

式中，σg为光纤截面正应力，τg(x,rg)为胶层内表面切应力，rg为光纤光栅半径。

图4为胶层微元体受力模型图，对其受力分析：

2πrj·τj(x,rj)·dx-2πrg·τg(x,rg)·dx+π(rj²-rg²)·dσj＝0 (4)

把(3)代入(5)中：

光纤与胶层同步变形：

光纤光栅与胶结层的弹性模量相差较大，故可认为：

把(8)(9)代入(7)

胶层发生剪切变形：

式中，τj(x,rj)为胶层外表面切应力，rj为胶层微元体半径，u为胶结层轴向位移，γ为胶结层剪应变，Eg为光纤弹性模量，Ej为胶层弹性模量。对(11)式积分：

∫τj(x,rj)·drj＝∫Gj·du (12)

变形位移协调条件：

式中，ui为基体位移，ug为光纤m段位移，ri为钢管内径。

其中

设并定义a为标距比系数：

式中，L1为光纤光栅m段长度，L2为光纤光栅n段长度，μ为泊松比。将式(17)对x求导，得出光纤m段应变与基体应变微分方程：

微分方程通解为：

式中，C1和C2为积分常数，光纤A、D两点截面均为自由端面，不受胶层影响，故边界条件为：

εg(L1)＝εg(-L1)＝0 (20)

确定积分常数：

光纤m段应变传递率分布为：

式中，εg(x)为光纤m段应变；εi为基体应变。

平均应变传递率可表示为光纤粘贴长度范围内应变的平均值，光纤m段平均应变传递率为：

式中，为光纤m段平均应变。

在保证光纤m段变形恒定的前提下，把光纤m段的不均匀应变等效沿全长的平均应变。根据等效截面法，对光纤B+点截面和光纤B-点截面受力平衡分析：

式中，εg2(x)为光纤光栅应变。夹持式光纤光栅应变等于粘贴范围的平均应变，夹持式光纤光栅应变传递率为其粘贴范围的平均应变传递率：

由公式(26)和公式(1)得到，夹持式光纤光栅波长的基体应变修正方程为：

公式(27)为夹持式光纤光栅波长的基体应变修正方程，基体修正应变与标距比系数、反射波长变化和光纤材料属性等因素有关。

本发明的有优点是：基于夹持式光纤光栅传感器监测并修正基体应变。光纤光栅解调仪解调反射波长数据，考虑胶层厚度，胶层长度和标距比等参量对光纤光栅应变传递率影响，通过夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，获得结构构件的受力性能参数并评估其安全状态。

附图说明

图1夹持式光纤光栅封装模型。

图2夹持式光纤光栅受力模型。

图3光纤m段微元体受力模型。

图4胶层微元体受力模型。

具体实施方式

结合附图对本装置的实例进行详细说明如下：

在图1中，钢管半径ri，钢管长度L1，两段钢管封装光纤光栅m段，封装胶采用353ND胶，制作夹持式光纤光栅应变传感器，夹持式光纤光栅传感器与理论模型一致。

在图2、图3、图4中，进行如图所示微元体假设，考虑胶层厚度，胶层长度和标距比等参量对光纤光栅应变传递率影响，建立夹持式光纤光栅波长的基体应变修正方程，监测并修正基体应变。