[发明专利]一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法

说明书

本发明涉及一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法，将光纤光栅传感器及温度计预埋在待测试材料中，在超低温环境下获取测量值，计算得到超低温下的材料应变ε，材料应变ε计算式为：其中n为光纤有效折射率，p_e为有效弹光系数，λ为反射波长，δλ为反射波长变化量，ΔT为温度变化，通过标定光纤光栅温度传感器得到，标定过程包括以下步骤：S1，将温度计和光纤光栅温度传感器置于温度可测的环境中，得到温度‑波长曲线；S2，曲线拟合，得到超低温度下的温度与波长二次关系式。与现有技术相比，本发明修正了超低温下光纤光栅的温度模型、应变模型等理论计算模型，使测试计算结果更接近超低温下的实际应变。

技术领域

本发明涉及一种超低温环境下材料应变的测量方法，尤其是涉及一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法。

背景技术

超低温(低于-150℃)下混凝土的性能与常温及低温下有很大不同。超低温下混凝土的抗压、抗折强度是常温下的2～3倍。就机械性能而言，混凝土是一种极佳的超低温材料，因而被用于建造液化天然气、液化氧气等超低温液体储罐外壳。近年来，国外学者提出采用混凝土来建造液化天然气储罐内罐这一构想，这将极大的降低储罐的建造成本和施工时间，同时也将对混凝土的各项性能提出更高的要求。

光纤光栅是常温及低温下测量混凝土应变的方法，但目前光纤光栅极少应用于超低温环境，经典的光纤光栅温度计算模型、应变计算模型在超低温的温度范围内存在较大偏差，对测试结果产生很大影响。同时，在超低温极端环境下，许多常温及低温混凝土性能测试设备及方法均难以使用。例如电阻应变片是常温及低温下尝试用的测试混凝土应变的方法，但在超低温下电阻应变片失效，不能获取超低温数据。且在超低温下，光纤光栅啁啾化，信号中产生多峰现象，使得测试结果失效，不能用于混凝土等多相复合材料结构的超低温低温下测量。

现有光纤光栅计算模型如下：

光纤光栅反射波长λ＝2·n·d，n为光栅有效折射率，d为光纤光栅栅距。FBG应变传感器中心反射波长主要受弹光效应及热光效应影响，其反射波长变化分数为

其中，δλ为波长变化量，δl为光纤光栅元件长度变化量，δn为有效折射率变化量。

常温下和与温度变化量成正比，

又

α_sub为基体材料热膨胀系数，ξ为热光系数，p_e为有效弹光系数，常温下均为常数。将α_sub，ξ代入式1，有：

在常温下，式2中第一项远小于第二项，可以忽略不计，式2可以写为：

即可得到光纤光栅温度传感器计算模型

对于光纤光栅应变传感器，其光纤光栅长度变化率又代入式1，可得

即可得光纤光栅应变传感器计算模型

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用光纤光栅测量超低温混凝土应变的有效计算和实施方法，使得超低温混凝土受力状态的在线监测成为可能，以推进混凝土在超低温构筑物中的广泛使用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法，该方法通过将光纤光栅传感器及温度计预埋在待测试材料中，在超低温环境下获取测量值，计算得到超低温下的材料应变ε，所述的超低温度为低于-150℃的温度，材料应变ε计算式为：