[发明专利]混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器

说明书

                      技本领域

本发明属于光纤传感器领域与民用基础设施状态监测领域的交叉领域，具体涉及一种可以自补偿混凝土温度变形的光纤应变传感器。

                      技术背景

大型桥梁、大坝、公路、隧道、高层建筑等的建造过程及建造完后的使用过程中均需经常监测其内部应变，以保证它们的建造质量与运行安全。由于这些设施基本都是混凝土结构，而混凝土材料的各向异性非均匀性，使得这些结构内部的应力/应变监测问题非常困难，因此国际上大力发展光纤应变传感器，以其解决混凝土内部应力/应变监测的难题。而非本征光纤法珀传感器(Extrinsic Fabry-Perot Inteferometer)是其中应用最为广泛一种，但其在实际应用中仍然存在一些问题：

1、混凝土结构不但受力会产生应变，环境温度变化引起的材料热胀冷缩、也会使混凝土结构产生应变。因此在分析计算混凝土结构的受力情况时，就必须将混凝土结构的应力应变与温度应变分离开来。而现有的光纤应变传感器无法单独完成这个任务，需另外额外安装一个温度传感器作为温度补偿传感器，以同时记录下该处的温度，算出混凝土的温度变形，并从综合应变中剔除温度应变。也就是说一个测点必须安装两个传感器，这将导致监测系统的传感器数量翻倍，带来传感器网络设计、布线、保护等一系列的问题，并大大提高测量系统的成本。

2、由于混凝土是一种各向异性非均匀材料，随配方不同其热膨胀系数不同，因而即使利用温度传感器获取温度参数后、其计算出的温度应变也不准确、误差很大，因而上述温度补偿办法的精度不高。

3、由于普通的光纤法珀应变传感器的纤细、易损，因而不能直接埋入混凝土中，在使用时必须用粘接胶先将其粘贴在一个金属构件上，然后再将金属构件埋入混凝土结构中，以用金属构件保护光纤应变传感器免受损坏。但这样一来，混凝土结构的应变要先传递到金属构件上，然后经过粘接胶传递到光纤法珀应变传感器，这样就至少存在几方面的问题：一是光纤应变传感器不是直接测量混凝土结构的应变，而是测量经过金属构件、粘接胶两次传递、转换后的应变；二是粘接胶的厚度、刚度等特性，将大大影响上述应变传递的准确性，进而影响传感器的准确性，同时粘接胶的寿命将影响传感器的寿命；三是金属构件的刚度大于混凝土结构的刚度，从而在金属构件周围混凝土中、形成局部应力集中，导致传感器测得的应变数据不准确。

本发明正是为了避免上述已有技术的不足而设计的一种具有温度应变自我补偿能力，信号强、精度高的混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器。

                        发明内容

本发明的目的是采用下述方案来实现的：

混凝土专用温度自补偿型光纤法珀应变传感器的外观为哑铃型，由补偿柱、刚性保护外壳和光纤三部分构成。刚性保护外壳套在补偿柱和光纤之外。补偿柱前端的光学反射端面与光纤的光学反射端面相对，形成法珀干涉腔。补偿柱的前端可以在刚性保护外壳内自由伸缩，尾端固定。补偿柱采用热膨胀系数与该传感器所埋入的混凝土材料的热膨胀系数相同或接近的材料制作。

采用以上措施的优点如下：

1、传感器可以直接埋入混凝土结构中，无需额外的金属保护装置，结构的应变直接传递到传感器上，没有其他中间传递环节，可以保证测量的准确性。

2、补偿柱可以抵消被测结构的温度应变，从而使光纤法珀应变传感器的输出结果只与被测混凝土结构的应力应变有关，而与被测混凝土结构的温度应变无关。。

3、传感器采用哑铃形状可以保证传感器与混凝土结构之间良好的受力耦合，保证结构的综合变形无失真地传递到传感器上。

4、补偿柱与刚性保护外壳之间采用柔性胶粘接，保证整个传感器结构的总体刚度小于混凝土的刚度，这样可以实现传感器和被测结构的刚度匹配，避免在传感器周围形成应力集中，影响测量准确性。

上述措施使本发明区别于现有混凝土专用光纤法珀应变传感器，具有信号强，自补偿温度变形的优点。

                         附图说明

图1为本发明一种实施方案的结构图。

                      具体实施方式

下面结合附图的实施方案对本发明作进一步阐述：