[实用新型]反射式光栅应变计

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，特别涉及一种可重复使用的反射式光栅应变传感器。

背景技术

在各工程领域中，无论是科学研究实验还是实际工程监测，应变(或应力)是反映结构状态的一个至关重要的参数，准确地测量结构应变和长期动态的应变监测对科学实验和工程安全至关重要。目前常用的应变测量方法主要有：电测法、压电法、振弦法和光测法。

电测法是应用最广泛的一种方法。最常见的电阻应变片，就是由敏感栅等构成用于测量应变的元件，它能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化，测定电阻变化值即可算出相应的应变增量。其优点是：分辨率高、精度高、尺寸小、使用方便；不足之处在于：寿命短、抗干扰能力差、只能测量相对量即应变增量，不适于作长期监测。

压电法是基于某些材料的压电效应而提出的。压电材料(如压电陶瓷或晶体)在受力时会产生电压(或电流)，测定该电压即可求出所受压力、应力和应变。由于电流不能保存，因而只能测增量，不能用于长期静力测量，适用于动力测试。

振弦法是利用钢弦所受的轴力与横向自振频率的一一对应关系，通过测量自振频率来推算出弦中轴力、应力和应变。振弦式应变计在钢筋混凝土结构的应变测量中已得到较多的应用。其优点是：稳定性好、工作可靠、能同时测量测点的温度；但是，振弦式应变计中的钢弦在长期荷载作用下易产生松弛，不宜用作长期测量，且传感器尺寸较大。

经典的光测法包括光弹性法和光全息法等，已得到较广泛的应用，但这些方法一般只能用于模型尤其是透明模型试验，难以用于实际工程的内部应力测量。近年来出现的新型智能传感元件——光纤传感器，为结构监测的发展注入了新的活力。

光纤应变传感技术（包括光纤光栅传感技术）是一种极有前途的应变传感技术，具有测量精度高、抗干扰能力强、能实现分布式测量等优点，但目前还存在一些缺点：光纤传感器对生产工艺要求较严，成本较高，且其解调仪器价格昂贵，在长期测量中的效果还有待考证。另外，它在埋设方面也有一定困难。

光栅测量技术目前主要应用于位移的精密计量，其原理是利用光栅的莫尔条纹现象来测量位移，其核心部件是光栅副，即标尺光栅和指示光栅。莫尔条纹起放大的作用，实际结构微小的位移就能引起莫尔条纹较大的移动，通过光电接收元件测量莫尔条纹的移动量即可得出实际物体的位移。计量光栅具有测量精度高、读数速率高、分辨率高和读数易实现数字化、自动化等优点并且稳定可靠，在位移传感、自动控制领域得到了广泛的应用。

上述各种应变测量方法各有其优缺点。现以普通钢筋混凝土结构为应变测量对象，从传感器的安装使用方便性、经济性和测量准确性上加以分析总结：电阻应变片结构简单、安装方便、价格较便宜但为一次性使用，测量精度高，但对于混凝土结构由于粗骨料的存在而测量一个相对较长标距内的平均应变更为合适，此时电阻应变片的优势不明显；压电法结构较简单、价格较贵，精度较高，但由于无法用于长期静力测量而使用上受到限制；光纤应变传感器测量精度高且能实现分布式测量，表面安装式可实现重复使用，但目前埋设使用有困难、价格昂贵；振弦式应变传感器尺寸较大，适合混凝土结构的应变测量，表面安装式可实现重复使用，经济性较好，精度较高。

对于可重复使用的表面安装式光纤应变传感器以及振弦式应变传感器，都需要将结构的应变传递到传感器，使传感器与测点具有相同的应变才能准确测量。目前传感器表面安装时都是通过两端支架安装在被测结构上，端支架又是通过粘结剂、螺栓或焊接固定在混凝土或钢结构表面上，螺栓钻孔或焊接本身会对结构造成影响。由于钢管封装的光纤传感器及振弦式传感器自身刚度较大，故传递应变时支架会有相对较大的弯曲或剪切变形及滑移，从而导致结构表面的应变通过支架传递到传感器存在应变传递的损失，而由于加工及实际安装的偏差，准确的进行一致性标定是不可能的。故其应变测量准确性受其应变传递率的影响。

发明内容

本实用新型的目的是综合各种应变传感器的优点，提供一种适用于表面应变测量的安装简单、使用方便、价格便宜、可重复使用并且测量准确的反射式光栅应变传感器。