[发明专利]夹持式光纤光栅的基体应变修正方法

摘要

本发明公开一种夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，通过夹持式光纤光栅应变传感器监测基体应变；进行夹持式光纤光栅应变传递分析，给定光纤光栅波长的基体应变方程，修正基体应变；封装过程采用两个相同细钢管，内径为r_i，长度为L₁，在标距点用细钢管封装裸光纤光栅，封装胶采用353ND胶；夹持式光纤光栅应变传感器与夹持式光纤光栅理论模型一致。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。

主权项

1.一种夹持式光纤光栅的基体应变修正方法，通过夹持式光纤光栅应变传感器监测基体应变；进行夹持式光纤光栅应变传递分析，给定光纤光栅波长的基体应变方程，修正基体应变；其特征在于：封装过程采用两个相同细钢管，内径为ri，长度为L1，在标距点用细钢管封装裸光纤光栅，封装胶采用353ND胶；夹持式光纤光栅应变传感器与夹持式光纤光栅理论模型一致；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；夹持式光纤光栅传感器封装模型图，夹持式光纤光栅传感器受力模型图，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；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。