本發(fā)明屬于光纖光柵傳感技術領域，特別涉及一種檢測建筑體內(nèi)部三維應變的光纖光柵結(jié)構體，該結(jié)構體由正四面體高彈性金屬構件和六個布拉格光纖光柵組成，用于建筑體內(nèi)部的三維應變檢測。

背景技術：

光纖光柵是最近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一，光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，通過紫外曝光的方法將入射光相干場圖樣寫入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。由于光柵光纖具有體積小、抗電磁干擾、檢測精度高和易于埋入智能結(jié)構等優(yōu)點，并且其諧振波長對溫度、應變、折射率、濃度等外界環(huán)境的變化比較敏感，因此在光纖傳感技術領域得到了廣泛的應用。

物體的應變狀態(tài)取決于材料的固有屬性和所受到的應力狀態(tài)。工程上常常需要根據(jù)應力應變等測試指標對材料的工作狀態(tài)進行研究和評估。一般要確定建筑體內(nèi)部的應變狀態(tài)，需要用3個正應變和3個剪應變進行描述，即需要確定6個不同方向上的應變分量，亦即需要6個應變檢測器件。從理論上講，為確定三維應變狀態(tài)，6個應變器件可以采用多種不同的三維應變花結(jié)構。

目前，建筑體內(nèi)部的三維應變狀態(tài)或應力狀態(tài)常常是根據(jù)理論計算獲得的。由于材料的不均勻性，理論計算往往誤差較大。為了獲得真實的應力和應變狀態(tài)，有必要對受力體內(nèi)部的應變狀態(tài)進行直接檢測。因此，建筑體內(nèi)部三維應變狀態(tài)的檢測需要設計合理的應變檢測結(jié)構。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于檢測建筑體內(nèi)部的三維應變狀態(tài)，設計一種光纖光柵應變檢測結(jié)構體，能夠?qū)ㄖw內(nèi)部進行三維應變檢測。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種正四面體光纖光柵三維應變檢測結(jié)構體，由正四面體高彈性材料結(jié)構和六個三維布局的布拉格光纖光柵(FBG)組成。

高彈性材料結(jié)構，所述高彈性材料構件為正四面體，所述高彈性材料構件有六條棱，為30mm到50mm，截面寬度為2mm，高度為2mm，每條所述棱上都設置有安裝槽；

布拉格光纖光柵，所述的布拉格光纖光柵有6個，所述的布拉格光纖光柵的特征波長不同，所述的布拉格光纖光柵固定在所述安裝槽中。

所述的直角三棱錐光纖光柵結(jié)構體，所述的安裝槽寬度為0.5mm，深度為1mm。

所述的直角三棱錐光纖光柵結(jié)構體，所述的布拉格光纖光柵采用環(huán)氧型膠黏劑固定在所述安裝槽中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的正四面體高彈性結(jié)構體示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的正四面體高彈性結(jié)構體的棱的截面圖。

具體實施方式

本發(fā)明是一種能對建筑體內(nèi)部三維應變進行檢測的正四面體高彈性結(jié)構體，下面將結(jié)合圖1，對本發(fā)明作進一步說明。

用于三維應變檢測光纖光柵結(jié)構體，由正四面體高彈性材料結(jié)構和六個三維布局的布拉格光纖光柵(FBG)組成。

所述的正四面體高彈性結(jié)構材料應選用高彈性和耐腐蝕的材料，可以采用不銹鋼、鋁合金或者彈性高分子材料。

所述的正四面體高彈性結(jié)構體OABC有六條棱OA、OB、OC、AC、BC和AB，如圖1所示。

所述的棱OA、OB、OC、AC、BC和AB長度為30mm到50mm，棱的截面如圖所示，截面寬度為2mm，高度為2mm，每條棱上開1mm深、0.5mm寬的光纖光柵安裝槽。

所述的六根不同特征波長的布拉格光纖光柵使用環(huán)氧型膠黏劑(如Epo-tek353ND)固定在安裝槽上，布拉格光纖光柵1、2、3分別固定在OA、OB、OC上，布拉格光纖光柵4、5、6分別固定在AB、BC、CA上。布拉格光纖光柵在進行固定時，須有適當?shù)睦?，以保證布拉格光纖光柵能檢測構件的雙向應變，在布拉格光纖固定在安裝槽里之后用環(huán)氧型膠黏劑填充安裝槽，以起到對布拉格光纖光柵的保護作用。

具體實施步驟如下：

步驟一：制作高彈性結(jié)構體

根據(jù)需要選擇鋁合金或者不銹鋼等高彈性材料按照尺寸制作相應結(jié)構。并在高彈性材料結(jié)構的六個棱上刻一道0.5mm深、0.5mm寬的光纖光柵安裝槽。

步驟二：固定布拉格光纖光柵

采用環(huán)氧型膠黏劑把六根不同特征波長的布拉格光纖光柵固定在光纖光柵安裝槽中。

步驟三：通過填充環(huán)氧型膠黏劑的方式將光纖光柵固定在正四面體高彈性結(jié)構體的棱的內(nèi)部起到保護光纖光柵的作用。

步驟四：將固定了光纖光柵的正四面體高彈性結(jié)構體埋入建筑體的內(nèi)部，通過讀取特征波長計算相應方向的線應變ε_i＝{ε₁，ε₂，ε₃，ε₄，ε₅，ε₆}，某點的一般應變狀態(tài)可以從以下方法計算：

從一般情況考慮，三維空間中一條直線OA，該直線在xyz方向的方向角余弦1、m、n分別為：

n＝cosδ

式中：δ為直線與z軸的夾角；為直線在平面xOy的投影與x軸的夾角。若已知一點的應變狀態(tài)為

ε_j＝{ε_xε_yε_zε_xyε_yzε_zx}

則OA方向的線應變?yōu)?/p>

ε＝ε_xl²+ε_ym²+ε_zn²+ε_zylm+ε_yzmn+ε_zxnl

亦即，如果知道一點的應變狀態(tài)，則任意方向的線應變均可通過上式得到。相應的，若已知6個不同方向上的線應變，則常規(guī)應變狀態(tài)也可以得到。設已知6個不同方向上的線應變分別為

式中i＝1，2，3，4，5，6。由常規(guī)應變狀態(tài)到不同方向線應變的映射關系為

{ε_i}＝T{ε_j}

則{ε_j}＝T^-1{ε_i}

式中：j＝x，y，z，xy，yz，zx；ε_i＝{ε₁，ε₂，ε₃，ε₄，ε₅，ε₆}，根據(jù)正四面體方向余弦，可以求得

則

通過換算就可以得到建筑體內(nèi)部某一點的常規(guī)應變狀態(tài)。