[发明专利]分布式光纤光栅孔壁应变计

权利要求书

1.一种分布式光纤光栅孔壁应变计，包括测量筒体(25)部分和活塞导向部分，测量筒体(25)外径为36mm，长度为336mm，活塞导向部分长度为308mm；其特征在于：测量筒体部分包括传感光纤(21)、定位销(22)、安装杆(23)、前粘结剂挡圈(24)、测量筒体(25)、胶室(26)、光纤光栅应变传感器(27)组件、环氧树脂外壳(28)和销钉孔(29)；活塞导向部分包括活塞杆(30)、出胶孔(31)、后粘结剂挡圈(24’)和导向器(32)；前粘结剂挡圈(24)与后粘结剂挡圈(24’)之间部分为测量段，传感光纤(21)从安装杆(23)的中间孔进入测量筒体(25)内腔并与光纤光栅应变传感器(27)组件串联，定位销(22)插在安装杆(23)上，前粘结剂挡圈(24)的作用是防止粘结剂水漏出，胶室(26)注满调制粘结剂，将分布式光纤光栅应变传感器(27)封装在弹性模量已知的测量筒体(25)内腔管壁上，外面覆盖一层环氧树脂外壳(28)以便与测量子孔(38)孔壁的耦合，销钉孔(29)的作用是插入销钉(39)将测量筒体部分与活塞导向部分连接；活塞导向部分中，活塞杆(30)的尾部有多个出胶孔(31)，后粘结剂挡圈(24’)的作用是防止粘结剂漏出，导向器(32)的作用是将孔壁应变计装入测量子孔(38)的指定位置中；光纤光栅应变传感器(27)为具有温度补偿的应变传感器，其温度标定与补偿方法是：在光纤光栅应变传感器(27)安装在测量筒体(25)内腔外壁之前，先将光纤光栅应变传感器(27)单元放置于恒温水域箱中进行温度标定实验，对波长随温度变化的实验数据进行拟合、处理和分析，通过温度标定实验得到应变传感单元的温度灵敏度系数，进而在压力加载中对应变传感单元温度进行补偿；带温度补偿单元的光纤光栅应变传感器(27)内部有一个不受应变影响的感温光栅，其作用为测量环境温度变化ΔT,有ΔT式中：λ_t0为感温光栅的初始波长；λ_t1为t₁时刻的波长；R₁为感温光栅的温度灵敏度；环境温度ΔT 引起光纤光栅应变传感器波长改变，变化量Δλ_S为：Δλ_S=R_s·T，式中R_s为应变传感单元的温度灵敏度；将解调仪解调出的波长λ减去温度引起的波长变化，最终得到光纤光栅应变传感器在加载压力下的波长为：λ_S=λ-Δλ_S，其中λ为t₁时刻波长解调仪解调出的波长。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤光栅孔壁应变计，其特征在于：根据多个光纤光栅应变传感器能够在一根光纤上串联集成的特点，分布式光纤光栅应变传感器(27)采用多组分布式缠绕的安装方式，包括A，B，C和D四组共计32个光纤光栅应变传感器，四组传感器缠绕在测量筒体(25)内腔表面，均与空心管体的横截面呈45°夹角；通过四根传感光纤(21)分别连接A，B，C和D四组32个光纤光栅应变传感器(27)，其中，L1号传感光纤连接A组的41、44、53、56、57、60、69和72号共8个光纤光栅应变传感器(27)，L2号传感光纤连接B组的43、42、55、54、59、58、71和70号共8个光纤光栅应变传感器(27)，L3号传感光纤连接C组的45、48、49、52、61、64、65和68号共8个光纤光栅应变传感器(27)，L4号传感光纤连接D组的47、46、51、50、63、62、67和66号共8个光纤光栅应变传感器(27)，在每根光纤上按照等间距布设光纤光栅应变传感器(27)；其中41、43、45和47号传感器沿圆周均匀分布，相邻传感器之间夹角均90°；同理42、44、46和48号传感器也是相同分布情况，且41号与42号与Z轴的夹角分别为135°和45°，43号与44号，45号与46号，47号与48号也是相同位置关系；因此41、43、45和47号传感器与42、44、46和48号传感器构成一组测量单元，通过空心包体应变测量应力计算公式利用8个传感器的应变量计算出测量管体区域的应力分布情况；同理，49、51、53和55，57、59、61和63，65、67、69和71与41、43、45和47号传感器分布和排列方向一致，而50、52、54和56，58、60、62和64，66、68、70和72与42、44、46和48号传感器分布和排列方向一致，因此49、51、53和55号传感器与50、52、54和56号传感器构成一组测量单元，57、59、61和63号传感器与58、60、62和64号传感器构成一组测量单元，65、67、69和71号传感器与66、68、70和72号传感器构成一组测量单元；利用上述四组测量单元计算出测量管体各区域的应力分布情况，实现测量管体表面应变的分布式检测。