[实用新型]一种带温度自补偿的光纤光栅索力传感器有效
申请号: | 201120198625.5 | 申请日: | 2011-06-03 |
公开(公告)号: | CN202216784U | 公开(公告)日: | 2012-05-09 |
发明(设计)人: | 任亮;张莹;李宏男;贾子光 | 申请(专利权)人: | 大连理工大学 |
主分类号: | G01L1/24 | 分类号: | G01L1/24;G01L1/26;G01L5/04 |
代理公司: | 大连理工大学专利中心 21200 | 代理人: | 侯明远 |
地址: | 116024 辽*** | 国省代码: | 辽宁;21 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 温度 补偿 光纤 光栅 传感器 | ||
技术领域
本实用新型属于基于传感技术的拉力测量工具技术领域,涉及到一种基于光纤光栅技术的缆索索力传感器,特别适用于体育馆、体育场、斜拉桥、悬索桥等缆索承重结构。
背景技术
悬索结构、膜结构和索一膜结构等柔性体系均以张力来抵抗外荷载的作用,可总称为张力结构。缆索作为张力结构的关键受力构件,其受力状态和动态响应与结构主体的动态响应之间密切相关,索的受力状态和动力特性是衡量结构是否处于正常状态的重要参量。然而由于结构设计、外界腐蚀、疲劳积累等原因,缆索在服役期间难免会出现不同程度的损伤和劣化。因此,采用缆索的实时监测实现结构安全性能评估是未来张力结构安全评估的发展方向。
光纤光栅是近几十年发展最为迅速的一种新型全光纤无源器件,以光纤光栅为传感元件研制的应变传感器,具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射干扰等优点;克服了传统电类传感器长期稳定性差以及信号传输距离短的缺点,能够实现张力结构缆索状态的实时监测。并且多个光纤光栅还可以组成准分布式传感系统,采用一根光缆就可以实现准分布式测量。
传统胶粘连接方法由于存在胶的老化问题,所以不能保证长期监测的稳定性、可靠性要求。由于缆索内钢丝的安全使用要求,表面不能进行任何破坏性的、有可能影响其强度的操作,另外考虑缆索制作工艺、进度及传感器造价问题,因此不能采取将光纤光栅应变传感器直接放置在索体内诸如直接与钢丝连接成一体的方式。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题就是提供了一种能够在不破坏钢丝的前提下,综合考虑不干扰缆索制作工艺、不耽误缆索制作进度及力求传感器造价较低等问题,将光纤光栅应变传感器焊接在锚头受力较小的部位,使索体拉力能够精确地传递到锚头上的光纤光栅应变传感器上。该传感器利用光纤光栅自身的性质提高了传感器的拉力灵敏度系数,不受材料的影响;同时传感器的测量灵敏度可以根据实际需求通过改变器件的尺寸进行调整,能够适用于建筑结构中不同种类缆索的索力实时监测。
本实用新型的技术方案如下:
首先将光纤光栅1两端采用胶接的方法固定在封装部件2内,然后将封装部件2分别置于固定支座4内,并使用螺栓将夹持部件3和固定支座4相连,最后使用焊接的方式将固定支座4与锚头连接。
根据光纤光栅的工作原理可知,光纤光栅的波长变化Δλ与应变ε的关系式为式(1):
Δλ=Kε·ε(1)
该(1)式中Kε为光纤光栅应变传感器灵敏度系数。对于纤芯是纯石英的光纤情况,中心波长为1550nm附近的光纤光栅Kε等于1.2pm/με。
根据材料力学,当锚头上作用如图2(a)所示的偏心拉力时,作用于任意点a的偏心拉力F可转化为如图2(b)所示的等效荷载,即作用在锚头中心的拉力F′与力偶Fx、Fy。在图2(b)所建立的坐标系下,力偶Fx、Fy对锚头的作用分别为Mx、My,Mx=F·y,My=F·x。
设锚头的弹性模量为E,安装光纤光栅应变传感器部位锚头的外径为R,横截面积为A,弹性模量为E,材料横截面惯性矩为I,则4个应变传感器对应位 置的应变分别为:
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