本發(fā)明涉及光纖光柵錨桿測(cè)量領(lǐng)域，具體的來(lái)說(shuō)，是指一種避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測(cè)試裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著光纖光柵技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵錨桿的應(yīng)用也愈加廣泛，其傳輸采用光作為信息載體，在其傳輸過(guò)程中，與電信號(hào)無(wú)直接的聯(lián)系。在一些電信號(hào)無(wú)法到達(dá)的環(huán)境，如電磁干擾、強(qiáng)輻射、易燃易爆、強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境中有較為理想的效果。被廣泛地應(yīng)用于民用工程、航空、船舶、電力、石油、建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，光纖光柵錨桿與其他傳統(tǒng)的液壓式、電測(cè)式傳感器相比，更安全、穩(wěn)定性更好、測(cè)量精度更高。而利用分布式光纖傳感技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大面積檢測(cè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)式布設(shè)，從而得到結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)分布隨時(shí)間的變化情況，而且可以實(shí)現(xiàn)全天無(wú)人值守環(huán)境下的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。

目前，采用光纖光柵錨桿進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)已趨于成熟。然而，在用錨桿進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，光纖光柵反射光波長(zhǎng)在其所在環(huán)境的溫度發(fā)生變化時(shí)，由于熱光效應(yīng)和熱膨脹作用，會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。而光纖光柵對(duì)溫度和應(yīng)變同時(shí)敏感，這種交叉敏感現(xiàn)象使光纖光柵錨桿在測(cè)量時(shí)，不能區(qū)分應(yīng)變和溫度各自的變化量，導(dǎo)致光纖光柵錨桿在測(cè)量時(shí)的精確度很難提高。

有一些專利涉及采用錨桿結(jié)構(gòu)來(lái)解決光纖光柵錨桿對(duì)溫度與應(yīng)變交叉敏感問(wèn)題：例如，在中國(guó)專利《一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵錨桿測(cè)力環(huán)》(申請(qǐng)?zhí)枺?013201368007)中，由于錨桿彎曲使處于其上下表面的兩個(gè)光纖光柵波長(zhǎng)產(chǎn)生反向漂移，而溫度變化引起量光柵變化方向一致，故采用錨桿上下兩側(cè)的光柵波長(zhǎng)差作為檢測(cè)信號(hào)，有效消除溫度變化的影響，但其采用的溫度補(bǔ)償方法僅適用于錨桿在上下兩個(gè)方向處的彎曲，而對(duì)其他情況下的彎曲無(wú)法檢測(cè)。在中國(guó)專利《光纖光柵腐蝕傳感器》(申請(qǐng)?zhí)枺?013102048015)中，其在錨桿根部布設(shè)傳感器，首先制作水泥灌漿墊層，預(yù)留出保護(hù)溫度補(bǔ)償光柵的鋼管，并在錨桿上粘貼一個(gè)光纖光柵傳感器，對(duì)縱向應(yīng)力的影響進(jìn)行修正，構(gòu)成整個(gè)溫度補(bǔ)償單元。但其溫度補(bǔ)償僅限于在錨桿無(wú)應(yīng)變或者只有縱向應(yīng)力的情況下，對(duì)于錨桿彎曲時(shí)，溫度補(bǔ)償光柵會(huì)隨之彎曲，而應(yīng)力修正光纖光柵與溫度補(bǔ)償光柵的位置不對(duì)稱，無(wú)法對(duì)溫度補(bǔ)償光柵的應(yīng)力影響進(jìn)行修正。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)光纖光柵錨桿溫度和應(yīng)變交叉敏感的問(wèn)題，而提出的一種響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、安裝空間小、可靠性高的避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測(cè)試裝置及方法，光纖光柵在整個(gè)錨桿形變時(shí)不受應(yīng)變影響，能有效的區(qū)分測(cè)量時(shí)的溫度與應(yīng)變，在不降低測(cè)量范圍的前提下，提高測(cè)量的精度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測(cè)試裝置，包括中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)的外部套管，其特殊之處在于，所述外部套管的兩端分別與左連接體、右連接套螺紋連接，所述左連接體包括左連接套、應(yīng)變基座、應(yīng)變傳遞體和溫度基座，所述左連接套、應(yīng)變傳遞體分別與外部套管螺紋連接，所述應(yīng)變基座、應(yīng)變傳遞體和溫度基座位于外部套管的內(nèi)腔中，所述溫度基座懸空放置，所述應(yīng)變基座內(nèi)設(shè)置有測(cè)量光柵，所述溫度基座內(nèi)設(shè)置有參考光柵。

進(jìn)一步地，所述錨桿測(cè)試裝置為若干個(gè)，前一個(gè)錨桿測(cè)試裝置的右連接套與后一個(gè)錨桿測(cè)試裝置的左連接體通過(guò)螺紋串接。由于在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，單根錨桿長(zhǎng)度有限，無(wú)法進(jìn)行大面積測(cè)量。首先，多個(gè)錨桿測(cè)試裝置可以通過(guò)雙側(cè)連接套將多根光纖光柵錨桿進(jìn)行串行連接，進(jìn)而構(gòu)成分布式光纖光柵錨桿傳感網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)每根光纖光柵錨桿傳回的中心波長(zhǎng)信息，得到整個(gè)檢測(cè)區(qū)域的變化情況。其次，區(qū)域面積增大，區(qū)域各部分溫度分布不均勻，多個(gè)空腔結(jié)構(gòu)可以測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的溫度變化情況，對(duì)不同地點(diǎn)的光纖光柵錨桿的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不同的處理。提高了大面積監(jiān)測(cè)時(shí)的準(zhǔn)確性。

更進(jìn)一步地，所述測(cè)量光柵和參考光柵的光柵尾纖通過(guò)外部套管右部上端的通孔引出。多個(gè)錨桿測(cè)試裝置通過(guò)光柵尾纖引出光纖跳線，準(zhǔn)確測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的溫度變化情況。

一種根據(jù)上述避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿的測(cè)試方法，其特殊之處在于，所述方法包括如下步驟：

1)引出測(cè)量光柵和參考光柵的光纖跳線，接入解調(diào)儀中，測(cè)量得到測(cè)量光柵與參考光柵的中心波長(zhǎng)值，由于是相同值，記為λ1；

2)使錨桿結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，通過(guò)解調(diào)儀，得到參考光柵與測(cè)量光柵的新的中心波長(zhǎng)值，分別記為λ2、λ3；

則所述錨桿結(jié)構(gòu)形變引起波長(zhǎng)變化為：(λ3-λ1)-(λ2-λ1)，溫度變化引起的波長(zhǎng)變化為：λ2-λ1；

4)根據(jù)所述結(jié)構(gòu)形變引起波長(zhǎng)變化和溫度變化引起的波長(zhǎng)變化計(jì)算所述錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度變化ΔT和結(jié)構(gòu)應(yīng)變?chǔ)拧?/p>

優(yōu)選地，所述錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度變化ΔT的計(jì)算公式為其中為光纖的熱膨脹系數(shù)，ζ為光纖的熱光系數(shù)。

優(yōu)選地，所述錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變?chǔ)诺挠?jì)算公式為ε＝[(λ3-λ1)-(λ2-λ1)]/[λ3(1-P_e)]，其中，Pe為有效彈光系數(shù)。

本設(shè)計(jì)通過(guò)利用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢?duì)測(cè)量的結(jié)果補(bǔ)償。設(shè)計(jì)出溫度——應(yīng)變處理結(jié)構(gòu)，解決了光纖光柵錨桿測(cè)量過(guò)程中應(yīng)力溫度交叉敏感的問(wèn)題，同時(shí)采用串聯(lián)式錨桿——空腔結(jié)構(gòu)，構(gòu)成分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，提高了測(cè)量的精度。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：相較于其他傳統(tǒng)的區(qū)分應(yīng)變溫度的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明利用溫度——應(yīng)變處理結(jié)構(gòu)，對(duì)溫度的結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，解決了普通光纖光柵錨桿測(cè)量中溫度與應(yīng)變交叉敏感的問(wèn)題，以及在參考光柵處錨桿形變無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題，對(duì)應(yīng)變測(cè)量精度更高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測(cè)試裝置的主視結(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1中左連接體結(jié)構(gòu)主視圖；

圖3為圖1中外部套管結(jié)構(gòu)主視圖；

圖4為圖1中右連接套結(jié)構(gòu)主視圖；

圖中：左連接體1(其中：左連接套1-1，應(yīng)變基座1-2，應(yīng)變傳遞體1-3，溫度基座1-4)，外部套管2，測(cè)量光柵3，參考光柵4，光柵尾纖5，右連接套6。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1～4所示，本發(fā)明一種避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測(cè)試裝置，包括中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)的外部套管2，外部套管2的兩端分別與左連接體1、右連接套6螺紋連接，左連接體1包括左連接套1-1、應(yīng)變基座1-2、應(yīng)變傳遞體1-3和溫度基座1-4，左連接套1-1、應(yīng)變傳遞體1-3分別與外部套管2螺紋連接，應(yīng)變基座1-2、應(yīng)變傳遞體1-3和溫度基座1-4位于外部套管2的內(nèi)腔中，溫度基座1-4懸空放置，應(yīng)變基座1-2內(nèi)設(shè)置有測(cè)量光柵3，溫度基座1-4內(nèi)設(shè)置有參考光柵4。測(cè)量光柵3和參考光柵4的光柵尾纖5通過(guò)外部套管2右部上端的通孔引出。外部套管2管壁上留有通孔并接有外連管。通孔和外連管的作用是用于光柵尾纖5的引出，以便于其他錨桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行串接。外部套管2內(nèi)圈為螺紋結(jié)構(gòu)，以便安裝左連接體1和右連接套6。

如圖2所示，左連接體1包括左連接套1-1、應(yīng)變基座1-2、應(yīng)變傳遞體1-3和溫度基座1-4，其構(gòu)成一個(gè)整體。左連接體1通過(guò)左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3上的螺紋裝配在外部套管2內(nèi)，應(yīng)變基座1-3的兩端分別為左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3，外部套管2發(fā)生形變時(shí)通過(guò)左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3把應(yīng)變傳遞到應(yīng)變基座上1-2，應(yīng)變傳遞體的另一端為溫度基座1-4，溫度基座1-4在外部套管3內(nèi)懸空放置，以消除應(yīng)變對(duì)溫度的影響。應(yīng)變基座1-2內(nèi)布置有測(cè)量光柵3,溫度基座1-4包裹參考光柵4。

左連接體1通過(guò)左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3上的螺紋裝配在外部套管2內(nèi)，應(yīng)變基座1-3的兩端分別為左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3，外部套管2發(fā)生形變時(shí)通過(guò)左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3把應(yīng)變傳遞到應(yīng)變基座1-2上，應(yīng)變傳遞體1-3的另一端為溫度基座1-4，溫度基座1-4在外部套管2內(nèi)懸空放置，以消除應(yīng)變對(duì)溫度的影響。中心波長(zhǎng)相同的測(cè)量光柵3和參考光柵4分別放置于應(yīng)變基座1-3與溫度基座1-4內(nèi)，并串接。外部套管2強(qiáng)度大小與錨桿結(jié)構(gòu)相同，保證其在受應(yīng)力作用時(shí)形變量與錨桿相同。

應(yīng)變基座1-2的兩端分別為左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3，外部套管2發(fā)生形變時(shí)通過(guò)左連接套1-1和應(yīng)變傳遞體1-3把應(yīng)變傳遞到應(yīng)變基座1-2上，應(yīng)變基座1-2內(nèi)布置有測(cè)量光柵3。

溫度基座1-3包裹參考光柵4，在整個(gè)系統(tǒng)形變時(shí)不受應(yīng)力影響，使參考光柵4中心波長(zhǎng)相對(duì)偏移量?jī)H受溫度影響。

利用上述避免溫度與應(yīng)變交叉敏感的光纖光柵錨桿測(cè)試裝置的測(cè)試方法，包括如下步驟：

1)引出測(cè)量光柵3和參考光柵4的光柵尾纖5的跳線，接入解調(diào)儀中，測(cè)量得到測(cè)量光柵3與參考光柵4的中心波長(zhǎng)值，由于是相同值，記為λ1；由于熱脹系數(shù)相同，因而參考光柵4的溫度敏感系數(shù)與其他光柵相同，在未受到應(yīng)變影響時(shí)，參考光柵4的中心波長(zhǎng)偏移量不變，參考光柵4和測(cè)量光柵3由于中心波長(zhǎng)相同，只產(chǎn)生一個(gè)反射信號(hào)。

2)使錨桿結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，通過(guò)解調(diào)儀，得到參考光柵3與測(cè)量光柵4的新的中心波長(zhǎng)值，分別記為λ2、λ3；當(dāng)光纖光柵錨桿受到應(yīng)力作用，錨桿結(jié)構(gòu)產(chǎn)生形變，置于其內(nèi)部的溫度基座1-4無(wú)形變，參考光柵3與測(cè)量光柵4中心波長(zhǎng)偏移不同，產(chǎn)生兩個(gè)反射信號(hào)λ2、λ3。

則錨桿結(jié)構(gòu)形變引起波長(zhǎng)變化為：(λ3-λ1)-(λ2-λ1)，溫度變化引起的波長(zhǎng)變化為：λ2-λ1；

4)根據(jù)結(jié)構(gòu)形變引起波長(zhǎng)變化和溫度變化引起的波長(zhǎng)變化計(jì)算所述錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度變化ΔT和結(jié)構(gòu)應(yīng)變?chǔ)拧?/p>

假定參考光柵3與測(cè)量光柵4的波長(zhǎng)漂移分別為Δλ1和Δλ2，那么這兩個(gè)反射波長(zhǎng)可以表示為：

式中，為光纖的熱膨脹系數(shù)，ζ為光纖的熱光系數(shù)，Pe為有效彈光系數(shù)，這樣就能把溫度和應(yīng)變區(qū)分開(kāi)來(lái)。

則錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)溫度變化ΔT的計(jì)算公式為其中為光纖的熱膨脹系數(shù)，ζ為光纖的熱光系數(shù)。

錨桿結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變?chǔ)诺挠?jì)算公式為ε＝[(λ3-λ1)-(λ2-λ1)]/[λ3(1-P_e)]，其中，Pe為有效彈光系數(shù)。

本說(shuō)明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。