專利名稱：混凝土專用溫度自補償型光纖法珀應變傳感器的制作方法
技本領域本發(fā)明屬于光纖傳感器領域與民用基礎設施狀態(tài)監(jiān)測領域的交叉領域，具體涉及一種可以自補償混凝土溫度變形的光纖應變傳感器。
背景技術：
大型橋梁、大壩、公路、隧道、高層建筑等的建造過程及建造完后的使用過程中均需經常監(jiān)測其內部應變，以保證它們的建造質量與運行安全。由于這些設施基本都是混凝土結構，而混凝土材料的各向異性非均勻性，使得這些結構內部的應力/應變監(jiān)測問題非常困難，因此國際上大力發(fā)展光纖應變傳感器，以其解決混凝土內部應力/應變監(jiān)測的難題。而非本征光纖法珀傳感器(Extrinsic Fabry-Perot Inteferometer)是其中應用最為廣泛一種，但其在實際應用中仍然存在一些問題1、混凝土結構不但受力會產生應變，環(huán)境溫度變化引起的材料熱脹冷縮、也會使混凝土結構產生應變。因此在分析計算混凝土結構的受力情況時，就必須將混凝土結構的應力應變與溫度應變分離開來。而現有的光纖應變傳感器無法單獨完成這個任務，需另外額外安裝一個溫度傳感器作為溫度補償傳感器，以同時記錄下該處的溫度，算出混凝土的溫度變形，并從綜合應變中剔除溫度應變。也就是說一個測點必須安裝兩個傳感器，這將導致監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器數量翻倍，帶來傳感器網絡設計、布線、保護等一系列的問題，并大大提高測量系統(tǒng)的成本。
2、由于混凝土是一種各向異性非均勻材料，隨配方不同其熱膨脹系數不同，因而即使利用溫度傳感器獲取溫度參數后、其計算出的溫度應變也不準確、誤差很大，因而上述溫度補償辦法的精度不高。
3、由于普通的光纖法珀應變傳感器的纖細、易損，因而不能直接埋入混凝土中，在使用時必須用粘接膠先將其粘貼在一個金屬構件上，然后再將金屬構件埋入混凝土結構中，以用金屬構件保護光纖應變傳感器免受損壞。但這樣一來，混凝土結構的應變要先傳遞到金屬構件上，然后經過粘接膠傳遞到光纖法珀應變傳感器，這樣就至少存在幾方面的問題一是光纖應變傳感器不是直接測量混凝土結構的應變，而是測量經過金屬構件、粘接膠兩次傳遞、轉換后的應變；二是粘接膠的厚度、剛度等特性，將大大影響上述應變傳遞的準確性，進而影響傳感器的準確性，同時粘接膠的壽命將影響傳感器的壽命；三是金屬構件的剛度大于混凝土結構的剛度，從而在金屬構件周圍混凝土中、形成局部應力集中，導致傳感器測得的應變數據不準確。
本發(fā)明正是為了避免上述已有技術的不足而設計的一種具有溫度應變自我補償能力，信號強、精度高的混凝土專用溫度自補償型光纖法珀應變傳感器。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是采用下述方案來實現的混凝土專用溫度自補償型光纖法珀應變傳感器的外觀為啞鈴型，由補償柱、剛性保護外殼和光纖三部分構成。剛性保護外殼套在補償柱和光纖之外。補償柱前端的光學反射端面與光纖的光學反射端面相對，形成法珀干涉腔。補償柱的前端可以在剛性保護外殼內自由伸縮，尾端固定。補償柱采用熱膨脹系數與該傳感器所埋入的混凝土材料的熱膨脹系數相同或接近的材料制作。
采用以上措施的優(yōu)點如下1、傳感器可以直接埋入混凝土結構中，無需額外的金屬保護裝置，結構的應變直接傳遞到傳感器上，沒有其他中間傳遞環(huán)節(jié)，可以保證測量的準確性。
2、補償柱可以抵消被測結構的溫度應變，從而使光纖法珀應變傳感器的輸出結果只與被測混凝土結構的應力應變有關，而與被測混凝土結構的溫度應變無關。。
3、傳感器采用啞鈴形狀可以保證傳感器與混凝土結構之間良好的受力耦合，保證結構的綜合變形無失真地傳遞到傳感器上。
4、補償柱與剛性保護外殼之間采用柔性膠粘接，保證整個傳感器結構的總體剛度小于混凝土的剛度，這樣可以實現傳感器和被測結構的剛度匹配，避免在傳感器周圍形成應力集中，影響測量準確性。
上述措施使本發(fā)明區(qū)別于現有混凝土專用光纖法珀應變傳感器，具有信號強，自補償溫度變形的優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明一種實施方案的結構圖。
具體實施例方式
下面結合附圖的實施方案對本發(fā)明作進一步闡述參見附圖1，溫度自補償型光纖法珀應變傳感器外觀為啞鈴型，由補償柱3、剛性保護外殼4和光纖7三部分構成。其中，光纖7安裝在一剛性圓盤6上，并與剛性保護外殼4焊接在一起。補償柱3放置在剛性保護外殼4內，尾端2固定，前端可以自由伸縮，其鍍有光學反射膜的前端5緊靠同樣鍍有光學反射膜的光纖7端面、形成法珀干涉腔9；反射柱3的尾端2直徑較端剛性保護外殼4大，它暴露在外并通過柔性膠10與剛性保護外殼4粘接在一起。在本實施例中，補償柱的材料選用被測結構混凝土配方相同的混凝土材料；光纖7前端可以增加自聚焦透鏡8，以便接收更多的光線，從而提高傳感器的信噪比；剛性圓盤6和剛性保護外殼4選用不銹鋼材料避免腐蝕；柔性膠10可采用硅橡膠。當然剛性保護外殼4也可選用混凝土制作。
工作時，傳感器直接埋入混凝土結構1當中，啞鈴形狀可以保證傳感器與混凝土結構之間直接的受力耦合，保證混凝土結構的綜合變形無失真地傳遞到傳感器上。補償柱3與剛性保護外殼4之間采用柔性膠10粘接，保證整個傳感器總體剛度小于被測混凝土的剛度，這樣可以避免在傳感器周圍形成應力集中，影響測量準確性。
這樣就采用本發(fā)明的思路，即可在一個光纖法珀應變傳感器上實現混凝土結構溫度應變的自補償和結構應力應變的準確測量。
盡管本發(fā)明的實施方式采用混凝土制作補償柱，并且在其反射面沉積金屬膜，在光纖的端面加裝自聚焦透鏡；然而仍然可以利用與混凝土熱膨脹系數相同的材料制作補償柱、利用其他方式處理補償柱的反射表面并與大芯徑光纖直接形成法珀腔，從而實現本發(fā)明而不背離權利要求書中所定義的本發(fā)明實質和范圍。
權利要求
1.混凝土專用溫度自補償型光纖法珀應變傳感器，傳感器呈啞鈴型，包括光纖，其特征在于它還有補償柱和套于補償柱和光纖之外的剛性保護外殼；補償柱前端的反射端面與光纖的端面相對，形成法珀干涉腔；補償柱前端可以在剛性保護外殼內自由伸縮，尾端固定；補償柱采用熱膨脹系數與該傳感器所埋入的混凝土材料的熱膨脹系數相同或接近的材料制作。
2.根據權利要求1所述的混凝土專用溫度自補償型光纖法珀應變傳感器，其特征在于補償柱和光纖組成法珀干涉腔的端面為光學反射端面。
3.根據權利要求1或2所述的混凝土專用溫度自補償型光纖法珀應變傳感器，其特征在于補償柱的尾端直徑較剛性保護外殼大，暴露在外并形成啞鈴型的一端，直接感受混凝土結構的應變，啞鈴型的另一端是與剛性保護外殼固定的剛性圓盤，光纖由此穿入并固定。
4.根據權利要求1或2所述的混凝土專用溫度自補償型光纖法珀應變傳感器，其特征在于剛性保護外殼采用混凝土或金屬材質制作。
全文摘要
本發(fā)明是一種混凝土專用溫度自補償型光纖法珀應變傳感器,傳感器呈啞鈴型,包括光纖、補償柱和套于補償柱和光纖之外的剛性保護外殼,補償柱的反射端面與光纖的端面相對,形成法珀干涉腔,補償柱的前端可以在剛性保護外殼內自由伸縮,尾端固定,補償柱采用熱膨脹系數與該傳感器所埋入的混凝土的熱膨脹系數相同或接近的材料制作。本傳感器具有自補償溫度變形、信號強、測量的數據準確的優(yōu)點。
文檔編號G01N21/41GK1378078SQ02113709
公開日2002年11月6日 申請日期2002年4月30日 優(yōu)先權日2002年4月30日
發(fā)明者朱永, 陳偉民, 陳小強 申請人:重慶大學