專利名稱：混凝土專用溫度自補(bǔ)償型光纖法珀應(yīng)變傳感器的制作方法
技本領(lǐng)域本發(fā)明屬于光纖傳感器領(lǐng)域與民用基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域的交叉領(lǐng)域，具體涉及一種可以自補(bǔ)償混凝土溫度變形的光纖應(yīng)變傳感器。
背景技術(shù)：
大型橋梁、大壩、公路、隧道、高層建筑等的建造過程及建造完后的使用過程中均需經(jīng)常監(jiān)測其內(nèi)部應(yīng)變，以保證它們的建造質(zhì)量與運(yùn)行安全。由于這些設(shè)施基本都是混凝土結(jié)構(gòu)，而混凝土材料的各向異性非均勻性，使得這些結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測問題非常困難，因此國際上大力發(fā)展光纖應(yīng)變傳感器，以其解決混凝土內(nèi)部應(yīng)力/應(yīng)變監(jiān)測的難題。而非本征光纖法珀傳感器(Extrinsic Fabry-Perot Inteferometer)是其中應(yīng)用最為廣泛一種，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一些問題1、混凝土結(jié)構(gòu)不但受力會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變，環(huán)境溫度變化引起的材料熱脹冷縮、也會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變。因此在分析計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)的受力情況時(shí)，就必須將混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變與溫度應(yīng)變分離開來。而現(xiàn)有的光纖應(yīng)變傳感器無法單獨(dú)完成這個(gè)任務(wù)，需另外額外安裝一個(gè)溫度傳感器作為溫度補(bǔ)償傳感器，以同時(shí)記錄下該處的溫度，算出混凝土的溫度變形，并從綜合應(yīng)變中剔除溫度應(yīng)變。也就是說一個(gè)測點(diǎn)必須安裝兩個(gè)傳感器，這將導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器數(shù)量翻倍，帶來傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、布線、保護(hù)等一系列的問題，并大大提高測量系統(tǒng)的成本。
2、由于混凝土是一種各向異性非均勻材料，隨配方不同其熱膨脹系數(shù)不同，因而即使利用溫度傳感器獲取溫度參數(shù)后、其計(jì)算出的溫度應(yīng)變也不準(zhǔn)確、誤差很大，因而上述溫度補(bǔ)償辦法的精度不高。
3、由于普通的光纖法珀應(yīng)變傳感器的纖細(xì)、易損，因而不能直接埋入混凝土中，在使用時(shí)必須用粘接膠先將其粘貼在一個(gè)金屬構(gòu)件上，然后再將金屬構(gòu)件埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，以用金屬構(gòu)件保護(hù)光纖應(yīng)變傳感器免受損壞。但這樣一來，混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變要先傳遞到金屬構(gòu)件上，然后經(jīng)過粘接膠傳遞到光纖法珀應(yīng)變傳感器，這樣就至少存在幾方面的問題一是光纖應(yīng)變傳感器不是直接測量混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，而是測量經(jīng)過金屬構(gòu)件、粘接膠兩次傳遞、轉(zhuǎn)換后的應(yīng)變；二是粘接膠的厚度、剛度等特性，將大大影響上述應(yīng)變傳遞的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響傳感器的準(zhǔn)確性，同時(shí)粘接膠的壽命將影響傳感器的壽命；三是金屬構(gòu)件的剛度大于混凝土結(jié)構(gòu)的剛度，從而在金屬構(gòu)件周圍混凝土中、形成局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致傳感器測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。
本發(fā)明正是為了避免上述已有技術(shù)的不足而設(shè)計(jì)的一種具有溫度應(yīng)變自我補(bǔ)償能力，信號(hào)強(qiáng)、精度高的混凝土專用溫度自補(bǔ)償型光纖法珀應(yīng)變傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用下述方案來實(shí)現(xiàn)的混凝土專用溫度自補(bǔ)償型光纖法珀應(yīng)變傳感器的外觀為啞鈴型，由補(bǔ)償柱、剛性保護(hù)外殼和光纖三部分構(gòu)成。剛性保護(hù)外殼套在補(bǔ)償柱和光纖之外。補(bǔ)償柱前端的光學(xué)反射端面與光纖的光學(xué)反射端面相對，形成法珀干涉腔。補(bǔ)償柱的前端可以在剛性保護(hù)外殼內(nèi)自由伸縮，尾端固定。補(bǔ)償柱采用熱膨脹系數(shù)與該傳感器所埋入的混凝土材料的熱膨脹系數(shù)相同或接近的材料制作。
采用以上措施的優(yōu)點(diǎn)如下1、傳感器可以直接埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，無需額外的金屬保護(hù)裝置，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變直接傳遞到傳感器上，沒有其他中間傳遞環(huán)節(jié)，可以保證測量的準(zhǔn)確性。
2、補(bǔ)償柱可以抵消被測結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)變，從而使光纖法珀應(yīng)變傳感器的輸出結(jié)果只與被測混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變有關(guān)，而與被測混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)變無關(guān)。。
3、傳感器采用啞鈴形狀可以保證傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)之間良好的受力耦合，保證結(jié)構(gòu)的綜合變形無失真地傳遞到傳感器上。
4、補(bǔ)償柱與剛性保護(hù)外殼之間采用柔性膠粘接，保證整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)的總體剛度小于混凝土的剛度，這樣可以實(shí)現(xiàn)傳感器和被測結(jié)構(gòu)的剛度匹配，避免在傳感器周圍形成應(yīng)力集中，影響測量準(zhǔn)確性。
上述措施使本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有混凝土專用光纖法珀應(yīng)變傳感器，具有信號(hào)強(qiáng)，自補(bǔ)償溫度變形的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方案的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖的實(shí)施方案對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述參見附圖1，溫度自補(bǔ)償型光纖法珀應(yīng)變傳感器外觀為啞鈴型，由補(bǔ)償柱3、剛性保護(hù)外殼4和光纖7三部分構(gòu)成。其中，光纖7安裝在一剛性圓盤6上，并與剛性保護(hù)外殼4焊接在一起。補(bǔ)償柱3放置在剛性保護(hù)外殼4內(nèi)，尾端2固定，前端可以自由伸縮，其鍍有光學(xué)反射膜的前端5緊靠同樣鍍有光學(xué)反射膜的光纖7端面、形成法珀干涉腔9；反射柱3的尾端2直徑較端剛性保護(hù)外殼4大，它暴露在外并通過柔性膠10與剛性保護(hù)外殼4粘接在一起。在本實(shí)施例中，補(bǔ)償柱的材料選用被測結(jié)構(gòu)混凝土配方相同的混凝土材料；光纖7前端可以增加自聚焦透鏡8，以便接收更多的光線，從而提高傳感器的信噪比；剛性圓盤6和剛性保護(hù)外殼4選用不銹鋼材料避免腐蝕；柔性膠10可采用硅橡膠。當(dāng)然剛性保護(hù)外殼4也可選用混凝土制作。
工作時(shí)，傳感器直接埋入混凝土結(jié)構(gòu)1當(dāng)中，啞鈴形狀可以保證傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)之間直接的受力耦合，保證混凝土結(jié)構(gòu)的綜合變形無失真地傳遞到傳感器上。補(bǔ)償柱3與剛性保護(hù)外殼4之間采用柔性膠10粘接，保證整個(gè)傳感器總體剛度小于被測混凝土的剛度，這樣可以避免在傳感器周圍形成應(yīng)力集中，影響測量準(zhǔn)確性。
這樣就采用本發(fā)明的思路，即可在一個(gè)光纖法珀應(yīng)變傳感器上實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)變的自補(bǔ)償和結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的準(zhǔn)確測量。
盡管本發(fā)明的實(shí)施方式采用混凝土制作補(bǔ)償柱，并且在其反射面沉積金屬膜，在光纖的端面加裝自聚焦透鏡；然而仍然可以利用與混凝土熱膨脹系數(shù)相同的材料制作補(bǔ)償柱、利用其他方式處理補(bǔ)償柱的反射表面并與大芯徑光纖直接形成法珀腔，從而實(shí)現(xiàn)本發(fā)明而不背離權(quán)利要求書中所定義的本發(fā)明實(shí)質(zhì)和范圍。
權(quán)利要求
1.混凝土專用溫度自補(bǔ)償型光纖法珀應(yīng)變傳感器，傳感器呈啞鈴型，包括光纖，其特征在于它還有補(bǔ)償柱和套于補(bǔ)償柱和光纖之外的剛性保護(hù)外殼；補(bǔ)償柱前端的反射端面與光纖的端面相對，形成法珀干涉腔；補(bǔ)償柱前端可以在剛性保護(hù)外殼內(nèi)自由伸縮，尾端固定；補(bǔ)償柱采用熱膨脹系數(shù)與該傳感器所埋入的混凝土材料的熱膨脹系數(shù)相同或接近的材料制作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混凝土專用溫度自補(bǔ)償型光纖法珀應(yīng)變傳感器，其特征在于補(bǔ)償柱和光纖組成法珀干涉腔的端面為光學(xué)反射端面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的混凝土專用溫度自補(bǔ)償型光纖法珀應(yīng)變傳感器，其特征在于補(bǔ)償柱的尾端直徑較剛性保護(hù)外殼大，暴露在外并形成啞鈴型的一端，直接感受混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，啞鈴型的另一端是與剛性保護(hù)外殼固定的剛性圓盤，光纖由此穿入并固定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的混凝土專用溫度自補(bǔ)償型光纖法珀應(yīng)變傳感器，其特征在于剛性保護(hù)外殼采用混凝土或金屬材質(zhì)制作。
全文摘要
本發(fā)明是一種混凝土專用溫度自補(bǔ)償型光纖法珀應(yīng)變傳感器,傳感器呈啞鈴型,包括光纖、補(bǔ)償柱和套于補(bǔ)償柱和光纖之外的剛性保護(hù)外殼,補(bǔ)償柱的反射端面與光纖的端面相對,形成法珀干涉腔,補(bǔ)償柱的前端可以在剛性保護(hù)外殼內(nèi)自由伸縮,尾端固定,補(bǔ)償柱采用熱膨脹系數(shù)與該傳感器所埋入的混凝土的熱膨脹系數(shù)相同或接近的材料制作。本傳感器具有自補(bǔ)償溫度變形、信號(hào)強(qiáng)、測量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK1378078SQ02113709
公開日2002年11月6日 申請日期2002年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月30日
發(fā)明者朱永, 陳偉民, 陳小強(qiáng) 申請人:重慶大學(xué)