温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器及其温度补偿方法与流程

技术特征：

1.一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：包括安装在外壳中的悬臂梁、光纤光栅和探头，所述悬臂梁具有固定端和自由端，所述固定端与壳体固连，所述探头安装在自由端上，所述光纤光栅贴设于悬臂梁上，所述壳体具有钢筋接触部和悬空部，所述探头从悬空部穿出。

2.根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述光纤光栅包括相互平行的第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅，所述第一裸光纤光栅与悬臂梁的长度方向正交。

3.根据权利要求2所述的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述壳体上具有小孔，所述第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅通过第二尾纤连接；第一裸光纤光栅的第一尾纤通过小孔穿出。

4.根据权利要求2所述的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述第一裸光纤光栅靠近悬臂梁的固定端，所述第二裸光纤光栅与第一裸光纤光栅之间沿悬臂梁纵向有一定的间距。

5.根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述外壳内填充有柔性材料。

6.根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述悬臂梁的自由端与外壳之间联接有弹簧。

7.根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述悬臂梁、弹簧、探头和外壳的材质均为不锈钢。

8.根据权利要求1所述的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器的温度补偿方法，其特征在于：

根据模耦合理论，光纤光栅中心波长与光纤光栅纤芯的有效折射率和光纤光栅栅距的关系为：

λ＝2n_eff·Λ (1)

其中，λ是光纤光栅的中心波长；n_eff是光纤光栅纤芯的有效折射率；Λ是光纤光栅的栅距；

光纤光栅的中心波长漂移Δλ与温度变化ΔT和应变变化Δε的关系为：

Δλ＝α_TΔT+α_εΔε (2)

其中，α_T为光纤光栅的温度灵敏度系数，α_ε为光纤光栅的应变灵敏度系数；

设有两根光纤光栅布置于悬臂梁的上表面，光纤光栅S₁距离探头中心位置的距离为L₁，光纤光栅S₂距离探头中心位置的距离为L₂，L₁和L₂均小于悬臂梁的总长度L，且L₁和L₂不相等，由于钢筋锈蚀体积膨胀引起探头的位移为Δω，则探头上的等效荷载ΔF为：

$\mathrm{\Δ}F=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}\frac{3EI}{L^3}---\left(3\right)$

在等效荷载ΔF作用下，光纤光栅S₁和光纤光栅S₂位置处悬臂梁表面的应变分别为：

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\ΔFL}}_{1}y}{EI}---\left(4\right)$

${\mathrm{\Δ\ϵ}}_2=\frac{{\mathrm{\ΔFL}}_{2}y}{EI}---\left(5\right)$

其中，E为悬臂梁的弹性模量；I为悬臂梁的截面惯性矩；y为悬臂梁厚度的一半；

光纤光栅S₁和光纤光栅S₂为同一批生成，温度灵敏度系数和应变灵敏度系数相同；在外界温度和应变的共同影响下，光纤光栅S₁和光纤光栅S₂的中心波长变化量分别为：

Δλ₁＝α_TΔT+α_εΔε₁ (6)

Δλ₂＝α_TΔT+α_εΔε₂ (7)

将式(4)和式(5)分别代入式(6)和式(7)得：

${\mathrm{\Δ\λ}}_1={\mathrm{\α}}_T\mathrm{\Δ}T+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}\frac{{\mathrm{\ΔFL}}_{1}y}{EI}---\left(8\right)$

${\mathrm{\Δ\λ}}_2={\mathrm{\α}}_T\mathrm{\Δ}T+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}\frac{{\mathrm{\ΔFL}}_{2}y}{EI}---\left(9\right)$

综合式(8)和式(9)可得测点处的等效荷载ΔF和温度变化分别为：

$\mathrm{\Δ}F=\frac{EI({\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2)}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}(L_1-L_2)y}---\left(10\right)$

或

将式(10)代入式(3)可得测点处探头的位移变化量为：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}=\frac{{\mathrm{\ΔFL}}^3}{3EI}---\left(12\right)$

利用试验测定探头位移变化量Δω与锈蚀率ρ的相关系数为μ，则钢筋的锈蚀率为：

$\mathrm{\ρ}=\mathrm{\μ}\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}=\mathrm{\μ}\frac{{\mathrm{\ΔFL}}^3}{3EI}=\mathrm{\μ}\frac{({\mathrm{\Δ\λ}}_1-{\mathrm{\Δ\λ}}_2)L^3}{3{\mathrm{\α}}_{\mathrm{\ϵ}}(L_1-L_2)y}---\left(13\right).$