光纤光栅测力环的应用

　　在结构工程领域,预应力锚索、锚杆的应用非常广泛.它们的受力大小及分布变化能最直接地反映结构的健康状况,监测上述构件的受力(下文简称索力)状态对了解结构的健康状况有着非常重要的意义[1].传统的测试手段如电阻应变计、钢弦式测力计等用作短期测试,可以满足一定的工程应用要求,但对索力的长期监测无法实现[2].本文开发出一种新型的测力装置———光纤光栅测力环,并将其用于武汉阳逻大桥锚索索力的长期监测.

　　1　光纤光栅传感原理

　　光纤布拉格光栅是一种新兴的传感元件,其传感原理如图1所示.当光栅周围的温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时,将导致光栅周期或有效折射率的变化,从而产生光纤布拉格光栅中心波长的漂移,通过检测波长漂移情况,即可获得待测物理量的变化情况.

　　应变引起光纤布拉格光栅波长的漂移由公式[3]ΔλB/λB=(1-Pe)ε=Kεε给出,式中:Pe为光纤的弹光系数,它是由制作光栅的材料决定的;λB为光纤光栅不受应变作用下的中心波长;ΔλB为应变引起的波长漂移;ε为外加轴向应变;Kε为光纤光栅应变相对灵敏度系数.

　　温度的变化引起光纤布拉格光栅波长的漂移由公式[3]ΔλB/λB=(α+ξ)ΔT=KtΔT给出,式中:α为FBG的热膨胀系数,是常数;ξ为FBG的热光系数,是常数;ΔT为温度变化量;Kt为光纤光栅温度相对灵敏度系数.

　　由上述公式知,光纤布拉格波长与应变、温度变化具有很好的线性关系,即光纤光栅具有优良的线性输出特性.此外,光纤光栅还具有波分复用的特性,即不同中心波长的光栅可以串接在一根光纤上,实现对应力、温度等参量的分布同步测量[4].光纤布拉格光栅分布测量原理如图2所示.不同FBG反射光波长(λ1,λ2,…,λn),与不同测点相对应,实现分布同步测量.

　　2　光纤光栅测力环

　　光纤光栅测力环的结构如图3所示.它由40Cr材料制成的环状弹性体,在弹性体表面布设了4个(根据需要,也可以更多)贴片式FBG应力传感器,位置上彼此间隔90°,传感器的布设方向与测力环的轴向一致;同时布设FBG温度传感器,使其与FBG应变传感器处于同一温度场下,一端固定,保证其不受应力影响[5].5个FBG传感器通过一根光纤串联后接到引线端子上,测量时,再从接线端子引出,整个结构用防水胶密封.在使用中,将测力环穿过锚索安装在锚垫板和锚板之间,当油压千斤顶对锚索施加预拉应力F时,作用在测力环上的是压力N,根据力学原理,F=N,测出N,就测出了锚索的索力.测力环受压后发生弹性变形,FBG应力传感器与其协调变形,FBG的中心波长均发生漂移,在经过温度补偿后,FBG中心波长的漂移量反映了作用在测力环上的压力大小,即呈线性比例关系,测出FBG中心波长的漂移量,根据标定的比例关系,便能够测算出测力环的受力,即锚索的索力.