一種基于fbg傳感器的局部位移測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種采用FBG傳感器測量固體（如土體、巖石、混凝土等）表面局部位 移的裝置，特別涉及一種采用FBG傳感器原理的局部位移的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的電磁位移計(jì)可以測量被測對象上下兩個(gè)表面之間的位移，但是很難高精度 兩側(cè)被測對象中間局部的應(yīng)變和變形。然而，局部的小位移會影響到被測對象的力學(xué)性能 計(jì)算，如固體的局部小應(yīng)變的力學(xué)特性關(guān)系到基坑開挖引起臨近建筑物的變形計(jì)算，同時(shí) 也會影響隧道開挖引起的沉降計(jì)算等。因此，本發(fā)明的裝置和方法可以精確測量固體小應(yīng) 變情況下的力學(xué)特性，為工程設(shè)計(jì)和變形計(jì)算提供重要的參數(shù)。
[0003] 布拉格光纖光柵傳感器（Fiber Bragg Grating Sensor,簡稱FBG傳感器）屬于 光纖光柵傳感器的一種，基于外界物理參量的變化引起FBG中心波長的漂移，波長的漂移 與溫度和應(yīng)變呈線性關(guān)系，其關(guān)系式如下：
[0004]
(1)
[0005] 式中，Δ λ B為波長變化值，λ B為波長值，Pe為光纖的光彈系數(shù)，為常量，ε為應(yīng) 變變化值，α和ξ為光纖的熱光系數(shù)，為常量，ΔΤ為溫度變化值。如無特別注明，本發(fā)明 采用國家法定計(jì)量單位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決上述問題而提供的一種基于FBG傳感器的局部位移測 量裝置。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是包括彈性體、FBG傳感器、固定部 件、光纖、光纖光柵信號處理器。
[0008] 所述局部位移測量裝置工作原理為FBG傳感器安裝于彈性體的表面，彈性體通過 固定部件固定在被測對象的表面，被測對象的局部位移會導(dǎo)致彈性體的屈曲變形，所述的 彈性體的力學(xué)特性可以等效為彈性梁，因此根據(jù)梁的控制方程，梁的擾度與彎曲力矩之間 的關(guān)系式為：
[0009]
[0010] 其中，y為彈性體的擾度，X為沿著彈性體軸向方向的位置，M為梁的彎曲力矩，EI 為梁的彎曲剛度。I是截面慣矩
[0011] 進(jìn)一步的，上述的梁的彎曲力矩M可以表示為：M = -Py,其中P為作用在彈性體端 部的合力，代入到方程（2)中可以得到： CN 105136041 A ~P 2/5 頁
[0012]
(3)
[0013] 這是一個(gè)二階齊次微分方程，通過解這個(gè)方程可以得到：
[0014]
(4)
[0015] 其中CjPc2為系數(shù)，是常量，可以根據(jù)邊界條件確定，在本發(fā)明中的邊界條件為X =〇, y = 〇和X = y = 〇,將此邊界條件代入到方程（4)中，可以得到
[0016]
⑶
[0017] 其中1為梁的長度。因?yàn)橄禂?shù)C1不可能等于0,而且本發(fā)明中彈性體只有一階的 屈曲模態(tài)，因此
[0018]
(6)
[0019] 將公式（5)和（6)代入到公式（4)中，可以得到
[0020]
(7)
[0021] 上述的彈性體的實(shí)際長度并不會改變，因此在彈性體彎曲變形后，其垂直方向的 位移變化量A可以表示為：
[0022]
(琢）
[0023] 將公式（7)代入到公式⑶中，可以得到
[0024]
(9)
[0025] 由式（2)，在彈性梁上的彎曲力矩可以表示為：
[0026] M = -EI (d2y/dx2) (10)
[0027] 由公式（7)可知：
[0028]
(11)
[0029] 將公式（11)代入到公式（10)可以得到梁上任何一個(gè)位置X。處的彎曲力矩M。為：
[0030] M0= EI ( π /I) 2C1Sin ( π x〇/l) (12)
[0031] 由梁的彈性理論可以知道，在位置x。處的切線應(yīng)力為：
[0032] σ 0= M〇t/2I (13)
[0033] 其中t為梁的厚度，I是截面慣矩。根據(jù)胡克定理可知：
[0034] 〇 〇= E ε FBG (14)
[0035] ε FBe為在x。處，用FBG傳感器測量得到的應(yīng)變值。將公式（13)和（14)代入到公 式（12)中可以得到：
[0036]
(】5)
[0037] 進(jìn)一步可變換為：
[0038]
(16)
[0039] 此公式為本發(fā)明的關(guān)鍵公式，公式表明了通過FBG傳感器得到的應(yīng)變與局部位移 變化量A有唯一的對應(yīng)關(guān)系。這個(gè)關(guān)系只與彈性體的厚度t，長度1和FBG傳感器中心位 置X。有關(guān)。如果FBG傳感器安裝于彈性體的中部，也即X。= 1/2,因此公式（16)可以簡化 為：
[0040]
(17)
[0041] 此公式表明了 FBG傳感器安裝于彈性體的中部位置情況下，F(xiàn)BG傳感器得到的應(yīng) 變與局部位移變化量A的唯一對應(yīng)關(guān)系。并且從公式可以看出，通過控制彈性體的厚度t 和長度1，可以調(diào)節(jié)測量的范圍和靈敏度。
[0042] 基于式（16)，為了解決局部位移的測量問題，本發(fā)明提出一種局部位移測量裝置， 包括彈性體、FBG傳感器、光纖、光纖光柵信號處理器；其特征在于：
[0043] 其中，所述彈性體是長方體或矩形片狀具有彈性的金屬材料制成；
[0044] 所述FBG傳感器安裝在所述彈性體表面縱向中軸線上，構(gòu)成應(yīng)變傳感部件，其FBG 傳感器通過光纖連接光纖光柵信號處理器；
[0045] 所述光纖光柵信號處理器包括包括寬帶光源、3dB耦合器和光探測器、接口部件和 計(jì)算機(jī)，用以采集、接收、存儲、顯示FBG傳感器的應(yīng)變值，并根據(jù)下式計(jì)算被測對象的局部 位移，
[0046]
,
[0047] 其中，ε FBS為FBG傳感器的應(yīng)變變化值，1和t分別為所述彈性體的長度和厚度， xD為所述FBG傳感器的坐標(biāo)，該坐標(biāo)以彈性體下端部為基準(zhǔn)；
[0048] 工作中，將應(yīng)變傳感部件兩端通過固定部件安裝到被測對象部位，對FBG傳感器 的應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，由光纖光柵信號處理器根據(jù)FBG傳感器的應(yīng)變變化值計(jì)算出局部位移。 所述固定部件由強(qiáng)度高、比重低的材料制成，固定在被測對象表面，其安裝位置，可以根據(jù) 彈性體尺寸和被測對象的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0049] 進(jìn)一步的，所述的局部位移測量裝置中，所述FBG傳感器安裝在所述彈性體表面 幾何中心處，到彈性體上下端面距離相同，構(gòu)成局部