專利名稱：一種帶溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵索力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基于傳感技術(shù)的拉力測(cè)量工具技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種基于光纖光柵技術(shù)的纜索索力傳感器，特別適用于體育館、體育場(chǎng)、斜拉橋、懸索橋等纜索承重結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
懸索結(jié)構(gòu)、膜結(jié)構(gòu)和索一膜結(jié)構(gòu)等柔性體系均以張力來抵抗外荷載的作用，可總稱為張力結(jié)構(gòu)。纜索作為張力結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵受力構(gòu)件，其受力狀態(tài)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)主體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間密切相關(guān)，索的受力狀態(tài)和動(dòng)力特性是衡量結(jié)構(gòu)是否處于正常狀態(tài)的重要參量。然而由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外界腐蝕、疲勞積累等原因，纜索在服役期間難免會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷和劣化。因此，采用纜索的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)估是未來張力結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的發(fā)展方向。光纖光柵是近幾十年發(fā)展最為迅速的一種新型全光纖無源器件，以光纖光柵為傳感元件研制的應(yīng)變傳感器，具有靈敏度高、體積小、耐腐蝕、抗電磁輻射干擾等優(yōu)點(diǎn)；克服了傳統(tǒng)電類傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性差以及信號(hào)傳輸距離短的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)張力結(jié)構(gòu)纜索狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。并且多個(gè)光纖光柵還可以組成準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)，采用一根光纜就可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量。傳統(tǒng)膠粘連接方法由于存在膠的老化問題，所以不能保證長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性、可靠性要求。由于纜索內(nèi)鋼絲的安全使用要求，表面不能進(jìn)行任何破壞性的、有可能影響其強(qiáng)度的操作，另外考慮纜索制作工藝、進(jìn)度及傳感器造價(jià)問題，因此不能采取將光纖光柵應(yīng)變傳感器直接放置在索體內(nèi)諸如直接與鋼絲連接成一體的方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是提供了一種能夠在不破壞鋼絲的前提下，綜合考慮不干擾纜索制作工藝、不耽誤纜索制作進(jìn)度及力求傳感器造價(jià)較低等問題，將光纖光柵應(yīng)變傳感器焊接在錨頭受力較小的部位，使索體拉力能夠精確地傳遞到錨頭上的光纖光柵應(yīng)變傳感器上。該傳感器利用光纖光柵自身的性質(zhì)提高了傳感器的拉力靈敏度系數(shù)，不受材料的影響；同時(shí)傳感器的測(cè)量靈敏度可以根據(jù)實(shí)際需求通過改變器件的尺寸進(jìn)行調(diào)整，能夠適用于建筑結(jié)構(gòu)中不同種類纜索的索力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本發(fā)明的技術(shù)方案如下首先根據(jù)光纖光柵的工作原理可知，光纖光柵的波長(zhǎng)變化Δ λ與應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系式為式⑴Δ λ = Κε · ε (1)該(1)式中Ke為光纖光柵應(yīng)變傳感器靈敏度系數(shù)。對(duì)于纖芯是純石英的光纖情況，中心波長(zhǎng)為1550nm附近的光纖光柵Ke等于1. 2pm/μ ε。根據(jù)材料力學(xué)，當(dāng)錨頭上作用如圖2(a)所示的偏心拉力時(shí)，作用于任意點(diǎn)a的偏心拉力F可轉(zhuǎn)化為如圖2(b)所示的等效荷載，即作用在錨頭中心的拉力F'與力偶h、Fy。在圖2(b)所建立的坐標(biāo)系下，力偶Fx、Fy對(duì)錨頭的作用分別為Mx、My，Mx = F · y, My = F · χ。設(shè)錨頭的彈性模量為E，安裝光纖光柵應(yīng)變傳感器部位錨頭的外徑為R，橫截面積為A，彈性模量為E，材料橫截面慣性矩為I，則4個(gè)應(yīng)變傳感器對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變分別為式O)中α為錨頭外表面與其軸線的夾角，令上式中，ε為四個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)位置應(yīng)變的平均值，則有

由(4)式可以得到，只要保證4個(gè)傳感器在同一橫截面內(nèi)，則應(yīng)變?chǔ)攀且欢ㄖ?。?br> 則⑷式可寫成下列式(5)F = Ke ；由(5)式可以看出，索力與錨頭任意表面
cos a 9
的應(yīng)變呈線性關(guān)系，故可以采用光纖光柵應(yīng)變傳感器測(cè)量應(yīng)變的方法測(cè)量索力。在應(yīng)變測(cè)量方面，采用對(duì)光纖光柵進(jìn)行兩端夾持的封裝方式，這種封裝方式可以通過調(diào)整兩端固定支點(diǎn)的距離L與兩端封裝部件之間光纖的長(zhǎng)度Lf間的比值關(guān)系來改變傳感器的靈敏度系數(shù)。在傳感器結(jié)構(gòu)中，夾持部件的應(yīng)變可以忽略，所以固定支點(diǎn)間的變形量幾乎全部加載在光纖上。對(duì)于中心波長(zhǎng)處于1550nm左后波段的光纖光柵，傳感器的中心
波長(zhǎng)變化與外界應(yīng)變的關(guān)系如下式(6)將(6)式帶人(4)式，可得式(7) ψ麵"/ u ±1其中o=10^/當(dāng)Kf 一定時(shí)，索力F與光纖光柵應(yīng)變傳感器的波長(zhǎng)變化Δ λ成
線性關(guān)系，并且可以通過改變Lf與L間的比值實(shí)現(xiàn)索力傳感器測(cè)量靈敏度的調(diào)整。根據(jù)以上原理，利用本發(fā)明的光纖光柵索力傳感器，便可方便的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各種張力結(jié)構(gòu)纜索的索力?？紤]溫度影響，根據(jù)材料力學(xué)可得，環(huán)向應(yīng)變?chǔ)?‘與軸向應(yīng)變?chǔ)艥M足泊松比公式 t

將式⑶帶入式(6) 設(shè)在應(yīng)變與溫度的共同作用下，則5個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)變化為
權(quán)利要求
1.一種帶溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵索力傳感器，由光纖光柵(1)、封裝部件O)、夾持部件(3)和固定部件(4)組成，其特征在于將光纖光柵(1)兩端采用膠接的方法固定在封裝部件O)內(nèi)，然后將封裝部件( 分別置于固定支座內(nèi)，并使用螺栓將夾持部件(3)和固定支座(4)相連，最后使用焊接的方式將固定支座(4)與錨頭連接；所述的光纖光柵應(yīng)變傳感器制作封裝方法如下首先剝離光纖光柵(1)其中一端的光纖(5)表面的涂敷層，使用光纖涂敷機(jī)對(duì)裸光纖光柵(1)部位進(jìn)行涂敷，待固化后將光纖光柵置于鋼管(6)和鋼管(7) 中，使用精密光纖調(diào)整架調(diào)整其位置，使其處于中央部位，接著灌入按一定比例配置好的環(huán)氧樹脂膠，待膠固化后將外壁均勻涂敷的毛細(xì)鋼管(6)和鋼管(7)分別置于鋼管(8)和鋼管(9)內(nèi)，待膠固化，然后將兩個(gè)夾持部件C3)分別套入光纖光柵兩端的封裝部件O)內(nèi)， 灌入環(huán)氧樹脂膠粘接夾持部件C3)與封裝部件O)，待環(huán)氧樹脂膠固化后即完成封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵索力傳感器，其特征還在于 同時(shí)采用四個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器消除偏心力矩的影響，兩相鄰光纖光柵應(yīng)變傳感器的圓心角均為90° ；沿纜索錨頭環(huán)向方向布置一個(gè)夾持式光纖光柵應(yīng)變傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)索力傳感器的溫度補(bǔ)償。
全文摘要
一種帶溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵索力傳感器，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。其特征是由金屬底板、夾持片、微型光纖光柵應(yīng)變傳感器以及光纖傳輸光纜構(gòu)件組成接觸式光纖光柵索力傳感器。該傳感器的測(cè)量靈敏度可以根據(jù)實(shí)際需求通過改變傳感器元件的尺寸進(jìn)行調(diào)整，能夠適用于不同種類纜索的索力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該光纖光柵索力傳感器通過測(cè)量錨頭結(jié)構(gòu)的應(yīng)變間接地測(cè)量纜索的索力，利用光纖光柵自身的性質(zhì)提高了傳感器的索力靈敏度系數(shù)，不受結(jié)構(gòu)材料及外界環(huán)境的影響。本發(fā)明的效果和益處是消除了偏心受力對(duì)測(cè)量值的影響；實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償，克服了傳統(tǒng)電類傳感器易受電磁干擾、長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，具有精度高、質(zhì)量輕、對(duì)結(jié)構(gòu)自身的性質(zhì)影響小等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L1/24GK102230834SQ201110157419
公開日2011年11月2日 申請(qǐng)日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者任亮, 張瑩, 李宏男, 賈子光 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)