本發(fā)明屬于光纖傳感器技術領域，尤其涉及一種基于分布式光纖感測的力和位移測量方法及傳感器。

背景技術：

薄壁金屬圓環(huán)已作為力傳感器廣泛應用于傳統(tǒng)土工試驗儀器中，如無側限抗壓強度試驗儀、三軸儀、直剪儀等。這些儀器是通過百分表、千分表讀取圓環(huán)在荷載下的變形來實現(xiàn)力的測量。但多數(shù)情況下，這種方法測量精度較低，量程范圍較小，并且需要定期的標定。還有一種方法是用黏結劑將應變片貼在金屬圓環(huán)上構成惠斯頓電橋，繼而將應變引起的電阻變化轉換成電壓信號。該方法的缺陷是測試讀數(shù)易受電磁干擾，讀數(shù)不準。由于力和位移的測量可靠性較差，嚴重阻礙了土工試驗儀器的發(fā)展。

近年來，分布式光纖傳感技術得到了突飛猛進的發(fā)展。該技術可以快速采集到光纖任意位置的光信號，并結合相關傳感原理即可得到光纖沿全長所有位置的應變、溫度等物理參數(shù)，實現(xiàn)了常規(guī)監(jiān)測技術難以實現(xiàn)的分布式監(jiān)測。另外該技術具有數(shù)據(jù)量大、無電磁干擾、全自動、可遠程監(jiān)控等特點。正是由于這些優(yōu)點，分布式光纖監(jiān)測技術被越來越多地應用于各類工程結構監(jiān)測和室內試驗中。

布里淵光時域分析(BOTDA)、布里淵光時域反射(BOTDR)等分布式光纖傳感技術的原理是利用光纖中的布里淵散射光頻率變化量(頻移量)和光纖軸向應變或環(huán)境溫度之間的線性關系來實現(xiàn)傳感，該關系可以表示為：

式中：ν_B(ε,T)、ν_B(ε₀,T₀)分別為測量前、后光纖中布里淵散射光的頻移量；ε、ε₀分別為測試前后的軸向應變；T、T₀分別為測試前后的溫度值。比例系數(shù)和的值分別為0.05MHz/με和1.2MHz/℃。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，提供一種基于分布式光纖感測的力和位移測量方法及傳感器，以使土工試驗所測得的力、位移數(shù)據(jù)更加精確、可靠，并且實現(xiàn)自動化測量，從而徹底解決現(xiàn)有土工試驗儀器對力、位移測量精度低、受電磁干擾等缺陷。

為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術方案：一種基于分布式光纖感測力和位移的測量方法，包括如下步驟：

步驟一、提供一薄壁圓環(huán)，在所述薄壁圓環(huán)的側壁上黏貼分布式應變感測光纖，用信號傳輸光纖連接至光纖解調設備；

步驟二、在所述薄壁圓環(huán)頂點處施加力或位移，使黏貼在薄壁圓環(huán)側壁上的分布式應變感測光纖發(fā)生應變，用光纖解調設備和計算機采集、記錄所述薄壁圓環(huán)的環(huán)向應變分布測值；

步驟三、采用移動平均法對應變監(jiān)測數(shù)據(jù)進行平滑處理，平滑處理后的應變數(shù)據(jù)符合三角函數(shù)特征，采用余弦函數(shù)ε(x)＝a cos[b(x-c)]+d的形式擬合，式中：參數(shù)a表示擬合得到的最大環(huán)向應變值；參數(shù)b用以消除函數(shù)周期誤差；參數(shù)c用以消除加載中存在的偏心誤差；參數(shù)d用以消除溫度變化帶來的誤差；x表示距薄壁圓環(huán)底部的距離；ε(x)表示薄壁圓環(huán)在一定荷載、位移下的環(huán)向應變值；根據(jù)擬合方程得出薄壁圓環(huán)在一定荷載、位移下的最大環(huán)向應變值|ε|_max；

步驟四、通過理論公式推導得知，薄壁圓環(huán)頂點處的作用力和位移與薄壁圓環(huán)最大環(huán)向應變值均存在線性關系，即F＝K₁×|ε|_max和ΔD＝K₂×|ε|_max，式中：F表示作用在薄壁圓環(huán)上的力；ΔD表示薄壁圓環(huán)頂點處發(fā)生的位移；K₁、K₂分別為常數(shù)，通過標定試驗確定；由以上公式計算一定的最大環(huán)向應變測值所對應的力和位移。

步驟四所述的標定試驗，包括如下步驟：首先，將已黏貼了分布式應變感測光纖的薄壁圓環(huán)放置在加載臺上，在薄壁圓環(huán)頂點處分級施加已知大小的作用力及位移，使薄壁圓環(huán)發(fā)生環(huán)向應變，記錄各級荷載下薄壁圓環(huán)的環(huán)向應變測值；其次，對環(huán)向應變測值進行平滑處理和擬合，據(jù)此得到各級荷載下薄壁圓環(huán)的最大環(huán)向應變值；最后，建立薄壁圓環(huán)最大環(huán)向應變值和作用力、位移之間的線性關系，即F＝K₁×|ε|_max和ΔD＝K₂×|ε|_max，采用線性回歸方法計算出標定系數(shù)K₁、K₂的大小。

一種用于所述的基于分布式光纖感測力和位移的測量方法中的傳感器裝置，主要包括分布式應變感測光纖、薄壁圓環(huán)、信號傳輸光纖、光纖解調設備和計算機；分布式應變感測光纖通過信號傳輸光纖與光纖解調設備相互串聯(lián)，計算機和光纖解調設備采用串口、網(wǎng)線連接；所述的分布式應變感測光纖黏貼在薄壁圓環(huán)側壁上。

所述薄壁圓環(huán)采用具有線彈性應力-應變關系的金屬材料制成。

將整根分布式應變感測光纖沿全長用環(huán)氧樹脂緊緊黏貼在薄壁圓環(huán)的側壁上，使其與圓環(huán)黏貼牢固。

所述分布式應變感測光纖和信號傳輸光纖之間相互熔接，并用熱縮套管保護熔接點。

有益效果：

(1)根據(jù)力學分析，薄壁圓環(huán)頂點處作用力和位移與最大環(huán)向應變之間存在理想的線性關系，由此獲得標定系數(shù)K₁和K₂；

(2)提出一種基于分布式光纖感測的力和位移測量方法，實現(xiàn)對薄壁圓環(huán)變形的高精度、全自動、分布式測試，克服了傳統(tǒng)方法效率低、誤差大、監(jiān)測數(shù)據(jù)量小等問題；

(3)采用本發(fā)明安裝簡單、測量精確、自動化程度高、性價比好。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；

圖2是實施例中分布式光纖測力和位移的傳感器試驗裝置示意圖；其中，1是分布式應變感測光纖，2是薄壁圓環(huán)，3信號傳輸光纖，4是計算機，5是光纖解調設備，6是萬能試驗機。

圖3是本發(fā)明實施例中光纖應變讀數(shù)及擬合圖；

圖4-5是本發(fā)明實施例中的理論計算與實際測得值之間的比較；

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案作更為具體的描述。

一種分布式光纖測力傳感器，包括分布式應變感測光纖、薄壁圓環(huán)、信號傳輸光纖、光纖解調設備和計算機。光纖解調設備與黏貼在薄壁圓環(huán)側壁(內壁或外壁)上的分布式應變感測光纖通過信號傳輸光纖相互串聯(lián)，計算機和光纖解調設備采用串口、網(wǎng)線連接。

作為上述方案的進一步優(yōu)化，所述薄壁圓環(huán)采用具有線彈性應力-應變關系的金屬材料制成，例如不銹鋼、鋁合金等。

作為上述方案的進一步優(yōu)化，為了保證光纖和金屬圓環(huán)的變形存在一致性，將整根分布式應變感測光纖沿全長用環(huán)氧樹脂緊緊黏貼在所述薄壁圓環(huán)側壁上，并置于室內24h，使其與圓環(huán)黏貼牢固。由于光纖比較柔軟，只有全長黏貼的方式才能保證光纖與薄壁圓環(huán)側壁均勻緊貼，采用綁扎、定點黏貼等方式會造成測量誤差。

作為上述方案的進一步優(yōu)化，所述分布式應變感測光纖和信號傳輸光纖之間相互熔接，并用熱縮套管保護熔接點。

在上述方案中，在所述薄壁圓環(huán)頂點處施加力或位移，使黏貼在薄壁圓環(huán)側壁上的分布式應變感測光纖發(fā)生應變，用光纖解調設備和計算機采集、記錄所述薄壁圓環(huán)的環(huán)向應變值；

進一步地，采用移動平均法對應變監(jiān)測數(shù)據(jù)進行平滑處理，平滑處理后的應變數(shù)據(jù)符合三角函數(shù)特征，采用余弦函數(shù)ε(x)＝a cos[b(x-c)]+d的形式擬合，式中：參數(shù)a＝|ε|_max表示擬合得到的最大環(huán)向應變值，參數(shù)b用以消除函數(shù)周期誤差，參數(shù)c用以消除加載中存在的偏心誤差，參數(shù)d用以消除溫度變化帶來的誤差，x表示距薄壁圓環(huán)底部的距離,；ε(x)表示薄壁圓環(huán)在一定荷載、位移下的環(huán)向應變值。采用該擬合函數(shù)一方面可以很好反映薄壁圓環(huán)的應變曲線特征，另外一方面是由于該擬合方式可以消除試驗中各種誤差，提高測試精度。根據(jù)擬合方程得出薄壁圓環(huán)在一定荷載、位移下的最大環(huán)向應變值|ε|_max；

進一步地，根據(jù)F＝K₁×|ε|_max和ΔD＝K₂×|ε|_max，由最大環(huán)向應變值求出薄壁圓環(huán)頂點處的作用力大小和相應的位移，式中：F表示作用在薄壁圓環(huán)上的力；ΔD表示薄壁圓環(huán)頂點處發(fā)生的位移；K₁、K₂分別為常數(shù)，通過標定試驗確定。在上述方案中，通過理論公式推導得知，薄壁圓環(huán)頂點處的作用力和位移與薄壁圓環(huán)最大環(huán)向應變值存在上述的線性關系。

進一步地，為了獲得標定系數(shù)K₁、K₂，將黏貼了分布式應變感測光纖的薄壁圓環(huán)放置在加載臺上，用信號傳輸光纖將分布式應變感測光纖連接至光纖解調設備，光纖解調設備連接計算機；在薄壁圓環(huán)頂點處施加已知大小的作用力及位移，使黏貼在薄壁圓環(huán)側壁上的分布式應變感測光纖發(fā)生應變，用光纖解調設備、計算機采集、記錄所述薄壁圓環(huán)的環(huán)向應變測值；采用移動平均法對應變數(shù)據(jù)進行平滑處理，并采用余弦函數(shù)進行擬合。根據(jù)擬合方程得出薄壁圓環(huán)在一定荷載下的最大環(huán)向應變值；通過改變施加在薄壁圓環(huán)上的作用力和位移，得到薄壁圓環(huán)在不同作用力、位移下的最大環(huán)向應變值。根據(jù)公式F＝K₁×|ε|_max和ΔD＝K₂×|ε|_max計算出標定系數(shù)K₁、K₂的大小。

本發(fā)明原理：利用黏貼在薄壁圓環(huán)上的分布式應變感測光纖測出圓環(huán)在外力作用下發(fā)生的環(huán)向應變；通過光纖解調設備和計算機收集分布式應變感測光纖的應變值；對收集到的應變數(shù)據(jù)進行平滑和擬合處理，獲得薄壁圓環(huán)的最大環(huán)向應變值；根據(jù)薄壁圓環(huán)頂點處作用力和相應位移與最大環(huán)向應變值之間的線性關系計算出力和位移。

實施例1

如圖2，一種分布式光纖測力和位移傳感器，包括分布式應變感測光纖1、薄壁圓環(huán)2、信號傳輸光纖3、計算機4、光纖解調設備5、萬能試驗機6。所述方法中為了保證光纖和金屬圓環(huán)的變形存在一致性，將分布式應變感測光纖1用環(huán)氧樹脂等膠水黏貼在薄壁圓環(huán)2的外壁，并置于室內24h，使其與薄壁圓環(huán)2表面黏貼牢固。所述光纖解調設備5與黏貼在薄壁圓環(huán)2側壁的分布式應變感測光纖1通過信號傳輸光纖3相互串聯(lián)。所述分布式應變感測光纖1和信號傳輸光纖3的相互熔接處套有熱縮套管保護。所述分布式應變感測光纖1的讀數(shù)通過光纖解調設備5和計算機4自動采集。實施例中所采用的光纖是直徑為0.9mm的單模單芯緊包光纖。

所述裝置在萬能試驗機6上采用勻速位移加載方式進行加載，萬能試驗機6上的顯示儀記錄加載過程中的力和位移關系曲線，該測量值用來驗證光纖應變推算出的作用力、位移的準確性。

當薄壁圓環(huán)2頂點處受到力的作用時，黏貼在薄壁圓環(huán)2側壁上的分布式傳感光纖1發(fā)生應變，該應變將使分布式應變感測光纖上的布里淵散射光頻率發(fā)生漂移，光纖解調設備可以實時測得該頻移量，從而獲得金屬圓環(huán)的環(huán)向應變分布情況。為了消除測量誤差，采用移動平均法對對所測得的應變數(shù)據(jù)進行平滑處理。

假設薄壁圓環(huán)在徑向作用力下發(fā)生橢圓狀變形，則薄壁圓環(huán)上各點的徑向位移為：

式中：y為薄壁圓環(huán)上各點的徑向位移；為方位角；ΔD為直徑變化量。另外根據(jù)力學理論，薄壁圓環(huán)上各點的徑向位移與彎矩之間存在如下關系：

式中：為薄壁圓環(huán)所受彎矩；E為薄壁圓環(huán)的彈性模量；I為薄壁圓環(huán)的慣性矩；R為薄壁圓環(huán)的半徑。由以上公式得到：式中：D為薄壁圓環(huán)的直徑。當時，薄壁圓環(huán)的最大環(huán)向應變?yōu)槭街校篸為薄壁圓環(huán)厚度的一半。該式可改寫為式中：K₂為位移的標定系數(shù)，可通過標定試驗獲得。

根據(jù)彈性力學中Timoshenko的薄壁圓環(huán)應力計算公式，可以得到一定徑向力作用下薄壁圓環(huán)內、外壁環(huán)向應變ε的公式

式中：ω為薄壁圓環(huán)的厚度；δ為薄壁圓環(huán)的寬度；F為薄壁圓環(huán)上單位厚度所受的兩個方向相反的徑向作用力；θ為方位角；R_a為金屬圓環(huán)的中徑；E為薄壁圓環(huán)的彈性模量。當θ＝90°時，薄壁圓環(huán)向應變的絕對值達到最大值，且進一步轉換為式中：K₁為力的標定系數(shù)，可通過標定試驗獲得。

標定試驗的實施方式包括：利用加載裝置對金屬圓環(huán)施加相反方向的徑向作用力，等讀數(shù)穩(wěn)定后記錄薄壁圓環(huán)的環(huán)向應變讀數(shù)，然后逐級加載，依次記錄應變數(shù)據(jù)。

對所測得的應變讀數(shù)移動平均法對數(shù)據(jù)進行平滑處理，對平滑處理得到的薄壁圓環(huán)環(huán)向應變讀數(shù)進行余弦函數(shù)ε(x)＝a cos[b(x-c)]+d的形式擬合，式中：參數(shù)a＝|ε|_max表示擬合得到的最大環(huán)向應變值，參數(shù)b用以消除函數(shù)周期誤差，參數(shù)c用以消除加載中存在的偏心誤差，參數(shù)d用以消除溫度變化帶來的誤差。據(jù)此得出薄壁圓環(huán)在每級荷載下對應的最大環(huán)向應變值|ε|_max。

根據(jù)理論公式計算得出作用力和位移的大小，最后和加載裝置自帶的顯示儀讀數(shù)進行對比。并繪制理論計算作用力和位移與實際測量值的關系曲線。如圖4和5所示，從圖中可以看出基于分布式光纖感測的力和位移測量方法的計算結果和實際測量值非常接近。

薄壁圓環(huán)頂點處的作用力和位移與最大值環(huán)向應變之間存在關系F＝K₁×|ε|_max和ΔD＝K₂×|ε|_max，根據(jù)以上步驟得到的結果計算出標定系數(shù)K₁和K₂的大小。該標定系數(shù)可以作為傳感器的設計參數(shù)。

需要說明的是，除上述實施例外，本發(fā)明還可以有其它實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發(fā)明專利要求的保護范圍內。