用于沉桩的光纤光栅应变传感器灵敏度标定装置及方法

用于沉桩的光纤光栅应变传感器灵敏度标定装置及方法
1.技术领域
2.本发明涉及一种用于沉桩的光纤光栅应变传感器灵敏度标定装置及方法，属土木工程试验测试技术领域。


背景技术：

3.近年来，光纤传感技术得到了飞速发展，光纤传感技术常常作为固体变形监测的主要手段而被广泛应用于土木工程等领域中，目前，对于沉桩试验过程中应变的监测也逐渐采用光纤光栅应变传感技术，为了保证监测数据的真实性和测量结果准确性，在使用前必须根据不同的使用要求和环境条件对光纤光栅应变传感器的应变灵敏度进行标定，而沉桩过程是一种反复加卸载过程，并且桩的尺寸较大，到目前为止，对于大型沉桩试验的光纤光栅应变传感器灵敏度标定还没有一种即可靠又精确的方法，而精确的灵敏度是保证测量精确结果的准确性和可重复性的重要参数。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是，为了解决大型沉桩试验的光纤光栅应变传感器灵敏度标定问题，提出一种用于沉桩的光纤光栅应变传感器灵敏度标定装置及方法。
5.本发明实现的技术方案如下，用于沉桩的光纤光栅应变传感器灵敏度标定装置，包括加载平台、反力钢板、斜撑、直撑、反力撑、拉杆、加载杆、加载板、油缸、t型托架a、t型托架b、油缸、油泵、送油管、回油管和plc控制器。
6.所述加载平台为工字型钢，放在水平地面上；两块反力钢板垂直焊接在距工字型钢两侧一定距离的位置上；两块反力钢板之间，一块反力钢板紧靠油缸，一块反力钢板紧靠水平卧放需标定的钢管桩的一端，钢管桩的另一端与油缸之间安装有加载板和加载杆，油缸通过加载杆和加载板向钢管桩施力；反力撑焊接在加载平台的工字型钢两侧；直撑焊接在反力撑和反力钢板中间；斜撑焊接在反力钢板和反力撑顶端；所述反力钢板顶端中间开有凹槽；所述油缸下方焊接有两个t型托架b，所述加载板与加载杆焊接并保持加载板下端不与工字型钢表面接触；所述拉杆放置在两反力钢板上方的凹槽处，所述拉杆两端有螺纹，拉杆通过螺母可将反力钢板两端固定；所述油泵和油缸之间连接了回油管和送油管，所述油泵可通过plc控制器控制所需加载力的大小；所述反力钢板和加载板之间的空间为需要标定的钢管桩，需标定的钢管桩下方安装有两个t型托架a，所述t型托架a上端为圆弧状，圆弧的大小可根据所标定的钢管桩直径进行更换。
7.所述油缸输出轴中心线、加载杆中心线、加载板的中心和水平钢管桩中心线处同一水平线上。
8.一种用于沉桩的光纤光栅应变传感器灵敏度标定方法，步骤如下：（1）提供模型试验所需要标定的钢管桩。
9.（2）将光纤光栅应变传感器对称的布设在钢管桩的外壁，并进行保护。
10.（3）将钢管桩通过吊机放置在所述装置的标定平台上，并用水平仪放在钢管桩上以检测钢管桩是否放在水平。
11.（4）将拉杆放置在两个反力钢板上方的凹槽处，用螺丝固定两端放置发生过大的位移。
12.（5）将对称的两串光纤光栅应变传感器连接在解调仪上，打开plc控制器，设置好参数。
13.（6）打开控制油缸工作的plc控制器，向钢板桩分级施加荷载；1）分级施加荷载，可以分5-7级。
14.2）荷载包括逐级加卸载，以模拟打桩过程。每加载一级后进行保载，保载时间2min,再进行卸载到0，然后再进行第二级加载再卸载到0，如此反复加卸载。
15.（7）施加荷载过程中同时记录解调仪中光纤光栅波长的变化。
16.（8）利用下式算出钢管桩应变的变化：其中，为钢管桩产生的应变；为油缸输出的力；e为钢管桩的弹性模量；r为钢管桩的外径；r为钢管桩的内径。
17.（9）通过公式计算出每级荷载时所钢管桩所产生的应变，通过解调仪可知每级加载时所对应的光纤光栅波长的变化，然后绘制出应变与光纤光栅波长变化曲线并进行线性拟合，拟合出来的直线的斜率即为灵敏度系数。
18.本发明的有益效果如下，本发明装置能精确地标定出打桩过程中光纤光栅应变传感器的灵敏度系数；本发明方法真实的模拟出打桩全过程，能准确监测出沉桩过程中钢管桩的应变、轴力和侧摩阻力。本发明对提高光纤光栅应变传感器的测量精度具有重要意义。
附图说明
19.图1是本发明装置的侧视图；图2是t型托架的侧视图；图3是反力钢板的侧视图；图4是油缸输出的加卸载曲线；图5是应变和光纤光栅波长拟合出的标定曲线；图中，1为加载平台，2为反力钢板，3为反力撑，4为斜撑，5为直撑，6为拉杆，7为加载板，8为加载杆，9为油缸，10为t型托架a，11为t型托架b，12为回油管，13为松油管，14为油泵，15为plc控制器，16为螺帽，17为钢管桩，18为光纤光栅应变传感器。
具体实施方式
20.本实施例一种大型沉桩试验的光纤光栅应变传感器灵敏度标定装置，包括加载平台1，反力钢板2，反力撑3，斜撑4，直撑5，拉杆6，加载板7，加载杆8，油缸9，t型托架a 10，t型托架b 11，回油管12，送油管13，油泵14，plc控制器15，拉杆螺帽16等。
21.本实施例中的标定装置结构如图1所示，加载平台1为工字型钢材质，其外形尺寸长
×
宽
×
高为5m
×
0.5m
×
0.5m。
22.反力钢板2的外形尺寸长
×
宽
×
厚为0.5m
×
0.5m
×
10mm，反力钢板2垂直焊接在距加载平台1两端0.5m处。反力钢板2的上部中间位置有一凹槽，反力钢板如图3所示。
23.反力撑3为工字型钢，焊接在加载平台1两端；直撑5为工字型钢材质，焊接在反力钢板2和反力撑3之间；斜撑4为工字型钢材质，一端焊接在反力撑3顶端，另一端焊接在反力钢板2顶端以下10mm位置处；2个t型托架b焊接在加载平台1上；油缸为圆柱形，直径为30mm，高为35mm,放置在t型托架b上，油缸9底部与反力钢板2密贴，加载杆直径为40mm，长为4.8m，加载板为钢材质，其外形尺寸长
×
宽
×
厚为0.5m
×
0.5m
×
10mm，加载板7焊接在加载杆8上，与加载杆8一起运动，加载板7不与加载平台1接触；回油管12和送油管13与油泵14相连，plc控制器15控制油泵14使得油缸9进行加载和卸载。
24.钢管桩17长4m,外径140mm,壁厚4mm；光纤光栅应变传感器黏贴在钢管桩对称的外壁，钢管桩放置在t型托架a上；t型托架如图2所示。
25.本实施例一种用于沉桩试验的光纤光栅应变传感器的标定装置的操作过程如下：（1）提供模型试验所需要标定的钢管桩17,钢管桩的参数如下表：（2）将光纤光栅应变传感器18对称的布设在钢管桩17的外壁，并进行保护；（3）将钢管桩17通过吊机放置在加载平台上1的t型托架a上，并用水平仪放在钢管桩17上以检测钢管桩17是否放在水平：（4）将拉杆6放置在两个反力钢板2上方的凹槽处，用螺丝16固定两端防止加载过程中反力钢板2顶端发生变形；（4）将对称的两串光纤光栅应变传感器17连接在解调仪上，打开plc控制器15，设置好参数：（5）打开控制油缸19工作的plc控制器15，使油泵14通过送油管13给油缸9输油致使油缸9产生推力传递给加载杆8，从实现对钢管桩加卸载：1）所述加载为分6级施加荷载；2）所述荷载包括逐级加载和逐级卸载两个阶段，以模拟打桩过程，加卸载随时间变化曲线如图4所示,每加一级保载2min。
26.（6）施加荷载过程中同时记录解调仪中光纤光栅波长的变化,：（7）利用公式(1)算出每级加载对应的钢管桩应变的变化：
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(a)其中：为钢管桩产生的应变，为油缸输出的力，e为钢管桩的弹性模量，r为钢管桩的外径，r为钢管桩的内径。
27.（8）根据光纤光栅应变传感器的原理：
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(b)其中：为光纤光栅中心波长的偏移量；为应变灵敏度系数；为光栅应变。
28.（9）根据公式（a）和公式（b）可知灵敏度系数为：
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（c）（10）通过公式（a）计算出每级荷载时所钢管桩所产生的应变，通过解调仪可知每级加载时所对应的光纤光栅波长的变化，如下表所示：（11）绘制出应变与光纤光栅波长变化曲线并进行线性拟合，如图5所示，拟合出来的直线的斜率即为灵敏度系数，即为1.187。