[发明专利]一种光纤光栅测量部件的标定方法

说明书

技术领域

本发明属于应变测试技术领域，尤其涉及一种光纤光栅测量部件的标定方法。

背景技术

随着人类对地下空间的开发与运用，地下工程已成为人类生活不可或缺的重要组成部分。在地下工程建造过程中，围岩应力场直接影响到结构的受力与变形，是地下工程设计的基础资料；准确测量围岩初始地应力及扰动应力是工程安全的重要保证。

孔径变形法是发展时间最长，技术比较成熟的一种围岩应力测试方法，具有广泛的适用性及较高的可靠性。传统的孔径变形法是通过测量钻孔直径的变形而计算出垂直于钻孔轴线的平面内的应力状态，并通过三个互不平等钻孔的测量确定一点的三维应力状态。

使用传统的孔径变形传感器是通过胶体填充传感器与围岩之间的空隙来固定传感器，由于胶体具有流变性，因此无法实现地应力的长期监测。对于利用刚性测量部件直接接触钻孔围岩进而测量围岩变形的光纤光栅传感器，由于无法保证传感器的测量精度，因此无法使用。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种光纤光栅测量部件的标定方法，解决上述的由于无法保证传感器的测量精度，而无法使用可以直接测量围岩变形的光纤光栅传感器的问题。

一种光纤光栅测量部件的标定方法，包括以下步骤：

步骤1：获取自由变形状态下测量光纤光栅的波长变化与温度之间的波长-温度对应关系；

步骤2：确定测量光纤光栅进行位移标定时的标定温度，并根据波长-温度对应关系确定测量光纤光栅在未变形时的初始温度波长；

步骤3：按照测量部件的受力方式对设有光纤光栅的基材的测力端施加位移，得到基材测力端的不同位移及对应的光纤光栅波长；

步骤4：将光纤光栅波长减去初始温度波长，得到消去温度影响后，仅由位移引起的测量光栅波长变化与位移间的对应关系Dⁱ(U)＝Δλ_i；

步骤5：利用可以固定并对测量部件施加变形的施力件校核测量部件的精度：

将连接有解调仪的测量部件固定到施力件中，对施力件施加设定荷载，从而使测量部件发生变形，并确定校核时的环境温度，

测量光纤光栅的波长，利用步骤1中的波长-温度关系和步骤4中的对应关系Dⁱ(U)＝Δλ_i得到与测量部件对应的测量位移U_i，利用施力件的弹性模量、泊松比、测量位移U_i，得到施力件所受到的对应的测量荷载，当设定荷载和测量荷载的相对误差小于设定误差时，测量部件的精度合格。

施力件的施力端与测量部件的变形相同，因此测量位移U_i即为施力件施力端的测量变形。该测量变形是通过光纤光栅波长的变化情况计算所得，是测量部件的测量值。利用该测量值和施力件的力学参数，反算出作用到施力件上的测量荷载，该测量荷载和实际施加到施力件上的设定荷载之间的差值表明测量部件的精确程度。利用这种方法可以保证测量部件的测量精度，从而保证测量部件在钻孔围岩变形测量中的应用。

步骤1中，进行温度标定的过程为：将测量光纤光栅放置在可调节恒温箱内，记录各稳定温度下的光纤光栅波长，并通过数学拟合得到测量光栅波长与温度间的关系表达式。

步骤2和步骤5中，标定温度和环境温度均由温补光栅进行确定：读取温补光栅的波长，通过温补光纤光栅波长与温度的对应关系，确定相应的温度。利用温补光栅来测量标定温度和环境温度，操作方便，成本低廉，精度更高。

步骤3中，测量部件的基材为钢环，测力端为两个固定设于钢环外表面的传力帽，两个传力帽沿钢环的径向对置，通过位移标定架对两个传力帽施加位移，进而得到施加的位移及对应的测量光栅的波长。通过位移标定价对测量部件的传力帽施加位移，能真实模拟基材在监测时的受力状况，使得标定的结果更加准确。

位移标定架对传力帽施加的位移值，根据现场预估的最大应力水平及结构的力学参数确定。

步骤5中，施力件为材质均匀、各向同性的有机玻璃长方体，在长方体中设有贯穿性圆孔；测量部件设有外壳，壳体的中部为圆筒部分，壳体的尾部具有截面逐渐增大的扩张部，测量部件沿环向固定在圆筒体部分，传力帽凸出于壳体的外侧；外壳的扩张部卡紧在贯穿性圆孔中，两个传力帽之间的初始间距大于贯穿性圆孔的直径，使钢环具有预压量。钢环具有预压量，可以保证标定的准确性。施力件采用各向同性的长方体，可以更准确的反算测量荷载，施力件中的贯穿性圆孔，可以很好的模拟隧道变形作用到测量部件上的情况。