本發(fā)明屬于光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種檢測(cè)建筑體內(nèi)部三維應(yīng)變的光纖光柵結(jié)構(gòu)體，該結(jié)構(gòu)體由正四面體高彈性金屬構(gòu)件和六個(gè)布拉格光纖光柵組成，用于建筑體內(nèi)部的三維應(yīng)變檢測(cè)。

背景技術(shù)：

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(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)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(cè)精度高和易于埋入智能結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，并且其諧振波長對(duì)溫度、應(yīng)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(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

物體的應(yīng)變狀態(tài)取決于材料的固有屬性和所受到的應(yīng)力狀態(tài)。工程上常常需要根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變等測(cè)試指標(biāo)對(duì)材料的工作狀態(tài)進(jìn)行研究和評(píng)估。一般要確定建筑體內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)，需要用3個(gè)正應(yīng)變和3個(gè)剪應(yīng)變進(jìn)行描述，即需要確定6個(gè)不同方向上的應(yīng)變分量，亦即需要6個(gè)應(yīng)變檢測(cè)器件。從理論上講，為確定三維應(yīng)變狀態(tài)，6個(gè)應(yīng)變器件可以采用多種不同的三維應(yīng)變花結(jié)構(gòu)。

目前，建筑體內(nèi)部的三維應(yīng)變狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)常常是根據(jù)理論計(jì)算獲得的。由于材料的不均勻性，理論計(jì)算往往誤差較大。為了獲得真實(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，有必要對(duì)受力體內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行直接檢測(cè)。因此，建筑體內(nèi)部三維應(yīng)變狀態(tài)的檢測(cè)需要設(shè)計(jì)合理的應(yīng)變檢測(cè)結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于檢測(cè)建筑體內(nèi)部的三維應(yīng)變狀態(tài)，設(shè)計(jì)一種光纖光柵應(yīng)變檢測(cè)結(jié)構(gòu)體，能夠?qū)ㄖw內(nèi)部進(jìn)行三維應(yīng)變檢測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種正四面體光纖光柵三維應(yīng)變檢測(cè)結(jié)構(gòu)體，由正四面體高彈性材料結(jié)構(gòu)和六個(gè)三維布局的布拉格光纖光柵(FBG)組成。

高彈性材料結(jié)構(gòu)，所述高彈性材料構(gòu)件為正四面體，所述高彈性材料構(gòu)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(shè)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(gè)，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(gòu)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(gòu)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(gòu)體示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的正四面體高彈性結(jié)構(gòu)體的棱的截面圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是一種能對(duì)建筑體內(nèi)部三維應(yīng)變進(jìn)行檢測(cè)的正四面體高彈性結(jié)構(gòu)體，下面將結(jié)合圖1，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

用于三維應(yīng)變檢測(cè)光纖光柵結(jié)構(gòu)體，由正四面體高彈性材料結(jié)構(gòu)和六個(gè)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(gòu)材料應(yīng)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(gòu)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(jìn)行固定時(shí)，須有適當(dāng)?shù)睦欤员ＷC布拉格光纖光柵能檢測(cè)構(gòu)件的雙向應(yīng)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(duì)布拉格光纖光柵的保護(hù)作用。

具體實(shí)施步驟如下：

步驟一：制作高彈性結(jié)構(gòu)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(yīng)結(jié)構(gòu)。并在高彈性材料結(jié)構(gòu)的六個(gè)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(gòu)體的棱的內(nèi)部起到保護(hù)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(gòu)體埋入建筑體的內(nèi)部，通過讀取特征波長計(jì)算相應(yīng)方向的線應(yīng)變?chǔ)?sub>i＝{ε₁，ε₂，ε₃，ε₄，ε₅，ε₆}，某點(diǎn)的一般應(yīng)變狀態(tài)可以從以下方法計(jì)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(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)為

ε_j＝{ε_xε_yε_zε_xyε_yzε_zx}

則OA方向的線應(yīng)變?yōu)?/p>

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

亦即，如果知道一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)，則任意方向的線應(yīng)變均可通過上式得到。相應(yīng)的，若已知6個(gè)不同方向上的線應(yīng)變，則常規(guī)應(yīng)變狀態(tài)也可以得到。設(shè)已知6個(gè)不同方向上的線應(yīng)變分別為

式中i＝1，2，3，4，5，6。由常規(guī)應(yīng)變狀態(tài)到不同方向線應(yīng)變的映射關(guān)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(diǎn)的常規(guī)應(yīng)變狀態(tài)。