一種傳感光纖溫敏補償封裝裝置及運行方法
【專利摘要】本發明公開了一種傳感光纖溫敏補償封裝裝置及運行方法，該裝置包括載纖導連模塊和溫敏補償模塊，所述載纖導連模塊中穿過第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖，載纖導連模塊上設有固定第一傳感光纖和第三傳感光纖的內置固纖模塊，第一傳感光纖和第三傳感光纖通過內置固纖模塊固定后與第二傳感光纖平行布置；所述第一傳感光纖和第三傳感光纖位于圓弧形殼體的上表面，第二傳感光纖穿過溫度補償裝置后固定在另一個載纖導連模塊上。本發明可從監測層面上去除溫度干擾影響、可較為真實地反映待測結構體內部應力應變性態的新型的監測裝置，為真實監測實際工程的應力應變性態提供了重要的保障。
【專利說明】
一種傳感光纖溫敏補償封裝裝置及運行方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種傳感光纖溫敏補償封裝裝置及運行方法，屬于涉水工程、土木工程等安全健康監測領域。
【背景技術】
[0002]20世紀60年代，由于激光和光纖的發明，光纖技術取得了舉世矚目的成功，在光通信技術的推動下，各種光纖、器件、元件、儀器和機械設別等相關器件的研究與開發取得了巨大的進步，隨著光纖應用研究不斷地深入和傳感技術不斷地發展，光纖已經成為了一種不僅僅可以以高速率和大容量傳送傳感器獲取的信息，并且其本身就可以做為傳感元件，與傳統的傳感元件相比，光纖傳感技術具有抗電磁干擾、抗化學腐蝕、抗輻射性能好、且本身不帶電、體積小、質量輕、容易彎曲等優勢。
[0003]自從1989年蒙德茲等首先將光纖傳感器埋入混凝土結構體中進行結構安全監測以來，各國學者進一步推動了該技術在土木、水利工程中的應用，現在光纖傳感技術已經在監控復合材料固化、結構無損檢測、損傷監測、識別及評估方面取得了一些成果，對于點式的光纖傳感技術而言，其監測精度高，但是并沒有脫離最為傳統的監測儀器的弊端，因此，分布式傳感光纖技術得到了長足的發展，但是不管是點式光纖傳感監測技術還是分布式傳感光纖監測技術，在實際工作環境下單純獲取結構體的應力應變數值時，都逃脫不了結構體外界與內部溫度的影響，當前很多溫度補償的方法極為粗簡、且極不準確，在很多地方溫度的影響卻極為明顯，因此，研制一種可實現溫度補償的傳感光纖封裝裝置顯得極為重要。
[0004]對于待測結構體而言，外界多復雜因素的干擾導致待測結構體表征出多種復雜的外部特征，且該外部信息為待測結構體內部信息的柔和體，根據所提取出來的外部信息，即使使用了很多先進的數據優化算法，但是對于內嵌在結構體內反映結構體各種信息也無法真實地進行分離與辨識，這就需要從監測裝置出發，研究一種可以去除某些干擾因素的監測儀器設備。
【發明內容】
[0005]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種傳感光纖溫敏補償封裝裝置及運行方法，可從監測層面上去除溫度干擾影響、可較為真實地反映待測結構體內部應力應變性態的新型的監測裝置，基于傳感光纖的多種布設形式與方法，其最大程度地實現了多層級的互校正，為真實監測實際工程的應力應變性態提供了重要的保障。
[0006]技術方案:為解決上述技術問題，本發明的一種傳感光纖溫敏補償封裝裝置，包括載纖導連模塊和溫敏補償模塊，所述載纖導連模塊中穿過第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖，載纖導連模塊上設有固定第一傳感光纖和第三傳感光纖的內置固纖模塊，第一傳感光纖和第三傳感光纖通過內置固纖模塊固定后與第二傳感光纖平行布置;所述第一傳感光纖和第三傳感光纖位于圓弧形殼體的上表面，第二傳感光纖穿過溫度補償裝置后固定在另一個載纖導連模塊上，第一傳感光纖和第三傳感光纖通過另一對內置固纖模塊固定在載纖導連模塊上。
[0007]作為優選，所述載纖導連模塊包括光纖容載臺、上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽、過渡載臺段、上楔形載臺段、下楔形載臺段，其中，上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽從上到下依次布設于光纖容載臺中，第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖依次固定在上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽中，光纖容載臺通過過渡載臺段與上楔形載臺段、下楔形載臺段連接。
[0008]作為優選，所述內置固纖模塊包括上弧端緊固體、下弧端緊固體、鎖纖螺紋柱、上橫向螺紋控柱、下橫向螺紋控柱、凸臺和一對滑塊，所述凸臺位于上楔形載臺段和下楔形載臺段上，凸臺與上橫向螺紋控柱和下橫向螺紋控柱活動連接，所述上橫向螺紋控柱和下橫向螺紋控柱分別與一對滑塊螺紋連接，所述鎖纖螺紋柱與其中一個滑塊螺紋連接，所述下弧端緊固體與另一個滑塊固定連接。
[0009]作為優選，所述圓弧形殼體包含三層，最外面一層為特種復合材料層，中間層為金屬隔槽層，最里層為內層復合材料層。
[0010]作為優選，所述溫度補償裝置包含一對弧復合材料體構成的橢球體，兩個橢球體位于圓弧形殼體的兩端，橢球體內設有第二傳感光纖通過的第一通纖管，在兩個橢球體之間設有復合材料制成的葫蘆狀的葫蘆體，葫蘆體內設有第二通纖管，第二傳感光纖依次穿過第一通纖管、第二通纖管和另一個第一通纖管，橢球體和葫蘆體均通過內支撐柱支撐在圓弧形殼體內。
[0011]作為優選，所述特種復合材料層與經過該材料的第一傳感光纖，它們的熱膨脹系數之差與第一傳感光纖應變值的乘積，等于該光纖的溫度系數;特種復合材料層與經過該材料的第三傳感光纖，它們的熱膨脹系數之差與該光纖應變值的乘積，等于第三傳感光纖的溫度系數。
[0012]作為優選，所述橢球體和葫蘆體的復合熱膨脹系數與通過對應段的第二傳感光纖的熱膨脹系數之差，與該對應段的第二傳感光纖應變值的乘積，等于該對應段的第二傳感光纖的溫度系數值。
[0013]—種上述的傳感光纖溫敏補償封裝裝置的運行方法，包括以下步驟:
[0014]第一步，配備三根待監測用的傳感光纖作為第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖，制作圓弧形殼體，配備特種復合材料、內層復合材料、上半弧復合材料體、下半弧復合材料體，且要求特種復合材料層與通過這些材料的相應第一傳感光纖和第三傳感光纖，它們的熱膨脹系數之差與對應段第一傳感光纖和第三傳感光纖的應變值乘積，等于該對應段第一傳感光纖和第三傳感光纖各自的溫度系數;橢球體和葫蘆體它們的復合熱膨脹系數與通過對應段的第二傳感光纖的熱膨脹系數之差，與該對應段的第二傳感光纖應變值的乘積，等于該對應段的第二傳感光纖的溫度系數值；
[0015]第二步，將第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖分別通過傳感光纖溫敏補償封裝裝置初始端處光纖容載臺上的上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽中，并且在上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽中分別注入膠水，將穿入傳感光纖溫敏補償封裝裝置的三根傳感光纖的初始端處進行固定，后將第一傳感光纖和第三傳感光纖以一定的弧度過渡到過渡載臺段，將第二傳感光纖水平拉直到第一通纖管和第二通纖管中，并且對第一通纖管和第二通纖管進行封裝；
[0016]第三步，將第一傳感光纖以與水平面夾角為60°的角度將第一傳感光纖過渡到凸臺中，且在凸臺中注入膠水將第一傳感光纖進行再次固定，分布在首尾兩端的鎖纖螺紋柱帶動上弧端緊固體的運動，將第一傳感光纖進行預拉應力的伸長固定，并且在圓弧形殼體中注入膠水將第一傳感光纖布設到與其接觸的特種復合材料層中；
[0017]第四步，重復第二步的操作，對第三傳感光纖進行同樣的布設，并將第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖通過傳感光纖溫敏補償封裝裝置的末端處光纖容載臺上的上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽處，且向上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽注入膠水，進而完成傳感光纖溫度不敏感化操作；
[0018]第五步，為了更加精確去除溫度的干擾，將經過特種復合材料層處理過的第一傳感光纖和第三傳感光纖應變值取平均數，作為第一次獲取的較為準確的傳感光纖應變數值，后用第二傳感光纖的應變值來校正第一傳感光纖和第三傳感光纖應變值的平均數，作為最終的去溫度影響的傳感光纖監測的應變數值。
[0019]在本發明中，橢球體由上半弧復合材料體和下半弧復合材料體組成，葫蘆體由左弧復合材料體和右弧復合材料體構成，上半弧復合材料體和下半弧復合材料體以及左弧復合材料體和右弧復合材料體都處于內層復合材料和內撐柱之間的空腔中。
[0020]有益效果:本發明的傳感光纖溫敏補償封裝裝置，通過載纖導連模塊、內置固纖模塊、溫敏補償模塊的組裝，并采用多層級的復合材料體結構形式，為溫度補償提供了基礎，采用三通道同步互校正的方法最大化地實現了監測結果的高精度性，通過內置固纖模塊和載纖導連模塊實現了多位置處靈活布設與測試，其靈活性強、操作簡單、使用便捷，在實際工程現場與室內外試驗中都具有較好的應用潛力。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的結構圖；
[0022]圖2為1-1截面的結構示意圖；
[0023]圖3為2-2截面的結構示意圖；
[0024]圖4為3-3截面的結構示意圖；
[0025]圖5為圖1中上弧端緊固體的細部結構圖。
【具體實施方式】
[0026]如圖1至圖5所示，本發明的一種傳感光纖溫敏補償封裝裝置，包括載纖導連模塊、內置固纖模塊、溫敏補償模塊。載纖導連模塊包括長20cm、寬10cm、高5cm的光纖容載臺100、開槽深度為2cm的上容纖槽104、開槽深度為2cm的中容纖槽105、開槽深度為2cm的下容纖槽106、長10cm、寬5cm、高3cm的過渡載臺段107、與水平方向夾角為60°的上楔形載臺段108和下楔形載臺段109，其中，上容纖槽104、中容纖槽105、下容纖槽106從上到下依次布設于光纖容載臺100中，光纖容載臺100通過過渡載臺段107與上楔形載臺段108、下楔形載臺段109連接，向上容纖槽104、中容纖槽105和下容纖槽106中灌注518瞬間膠將G.652D型號的第一傳感光纖101、G.652D型號的第二傳感光纖102和G.652D型號的第三傳感光纖103固定在光纖容載臺100中，第一傳感光纖101與第三傳感光纖103分別通過與水平面夾角為60°的上楔形載臺段108與下楔形載臺段109。
[0027]內置固纖模塊包括厚度2cm的上弧端緊固體112、厚度2cm的下弧端緊固體118、直徑lcm、長度4cm的鎖纖螺紋柱113、長度5cm、直徑Icm的上橫向螺紋控柱114、長度5cm、直徑I cm的下橫向螺紋控柱115、凸臺110和一對滑塊111，所述凸臺110位于上楔形載臺段108和下楔形載臺段109上，凸臺110與上橫向螺紋控柱114和下橫向螺紋控柱115活動連接，上橫向螺紋控柱114和下橫向螺紋控柱115在凸臺110上只能轉動不能移動，所述上橫向螺紋控柱114和下橫向螺紋控柱115分別與一對滑塊111螺紋連接，所述鎖纖螺紋柱113與其中一個滑塊111螺紋連接，所述下弧端緊固體118與另一個滑塊111固定連接。通過轉動上橫向螺紋控柱114和下橫向螺紋控柱115帶動滑塊111左右移動，擰動鎖纖螺紋柱113帶動鎖纖螺紋柱113上下移動，從而帶動上弧端緊固體112移動通過與下弧端緊固體118配合鎖緊第一傳感光纖101與第三傳感光纖103。
[0028]溫敏補償模塊包括長度40cm、高度4cm、外直徑為15cm的圓弧形殼體116、特種復合材料層117、內層復合材料層127、金屬隔槽層128、長度40cm、上半弧復合材料體129、下半弧復合材料體121、直徑2cm、長度15cm的第一通纖管122、左弧復合材料123、右弧復合材料130、直徑2cm、長度25cm的第二通纖管124、長度20cm的內撐柱131，其中圓弧形殼體116內配置有特種性能樹脂基復合材料的特種復合材料層117，特種性能樹脂基復合材料的特種復合材料層117緊鄰鉻材質的金屬隔槽層128，金屬隔槽層128的內側緊鄰特種性能樹脂基復合材料的內層復合材料層127，內層復合材料層127通過內撐柱131與特種性能樹脂基復合材料的上半弧復合材料體129和特種性能樹脂基復合材料的下半弧復合材料體121連接，上半弧復合材料體129和下半弧復合材料體121組成橢球體，直徑2cm、長度15cm的第一通纖管122處于上半弧復合材料體129和下半弧復合材料體121的中間位置處，特種性能樹脂基復合材料的左弧復合材料123和特種性能樹脂基復合材料的右弧復合材料130中間為直徑2cm、長度25cm的第二通纖管124，左弧復合材料123和右弧復合材料130組成了葫蘆體，特種性能樹脂基復合材料的特種復合材料層117和與經過特種復合材料層117對應的G.652D型號第一傳感光纖101、G.652D型號第三傳感光纖103的熱膨脹系數之差與該對應段第一傳感光纖101和第三傳感光纖103的應變值乘積等于該對應段第一傳感光纖101和第三傳感光纖103的溫度系數。
[0029]內置固纖模塊一共配置有四個，分別位于傳感光纖溫敏補償封裝裝置初始端處，通過四個內置固纖模塊可以調制固定G.652D型號的第一傳感光纖101、G.652D型號的第三傳感光纖103的位置，將對布設的第一傳感光纖101和第三傳感光纖103施加一定的預拉應力，鉻材質的金屬隔槽層128將特種性能樹脂基復合材料的特種復合材料層117與特種性能樹脂基復合材料的內層復合材料層127隔離分開，將內層復合材料層127以內的部分形成一個獨立的結構體，第二傳感光纖102首先通過上半弧復合材料體129和下半弧復合材料體121，后再通過左弧復合材料體123和右弧復合材料體130，上半弧復合材料體129和下半弧復合材料體121以及左弧復合材料體123和右弧復合材料體130都處于內層復合材料層127和內撐柱131之間的空腔中，且上半弧復合材料體129和下半弧復合材料體121、左弧復合材料體123和右弧復合材料體130和內層復合材料層127之間的復合熱膨脹系數與通過該對應段的第二傳感光纖102的熱膨脹系數的插值與該對應段的第二傳感光纖102應變值的乘積等于該對應段的第二傳感光纖102的溫度系數值。
[0030]一種傳感光纖溫敏補償封裝裝置的運行方法的運行方法，包括以下步驟:[0031 ] (I)構建及配備傳感光纖及裝配各模塊
[0032]在需要去溫度干擾的傳感光纖段確定具體的監測范圍及確定傳感光纖溫敏補償封裝裝置的個數，根據本次所選定的待測水工混凝土結構體中，由于所處的溫度范圍值基本相似，以及根據監測的長度為1000m，且根據實際工程需要，確定5處需要布設的區域，每處的長度為2m，為更好地闡述具體的細節化的運行方法，僅對其中一處進行詳細論述，其他處與本處方法一致，并且依據從左到右，從上到下的原則將傳感光纖溫敏補償封裝裝置進行裝配；
[0033](2)引導及固定各不同位置處的第一傳感光纖
[0034]將G.652D型號的第一傳感光纖101分別通過上容纖槽104、過渡載臺段107、凸臺110、下弧端緊固體118、圓弧形殼體116，且通過對上容纖槽104和凸臺110進行注膠，進行初始端固定，后通過調整下橫向螺紋控柱115和上橫向螺紋控柱114將上弧端緊固體112和下弧端緊固體118移動到靠近凸臺110處，轉動鎖纖螺紋柱113對上弧端緊固體112進行預拉應力的設置；
[0035](3)引導及固定各不同位置處的第二傳感光纖和第三傳感光纖
[0036]按照第二步的步驟形式，將第三傳感光纖103以同樣的操作方法布設到過渡載臺段107、下楔形載臺段109處，對于第二傳感光纖102，主要是將其引至第一通纖管122和第二通纖管124中，并且對第一通纖管122和第二通纖管124進行封裝；
[0037](4)完成去溫度干擾后的監測數值獲取
[0038]由于所設置的特種復合材料層117、內層復合材料層127、上半弧復合材料體129、下半弧復合材料體121、左弧復合材料123、右弧復合材料130為具有特殊熱膨脹系數的材料，通過構建了一系列多平行布設的傳感光纖與不同材料之間的材料參數的差別，即可以消除溫度的影響，又根據多級校準，通過使用第二傳感光纖的應變值來校正第一傳感光纖和第三傳感光纖應變值的平均值，進而確立最可靠的無溫度干擾的傳感光纖監測應變的數值。
[0039]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種傳感光纖溫敏補償封裝裝置，其特征在于:包括載纖導連模塊和溫敏補償模塊，所述載纖導連模塊中穿過第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖，載纖導連模塊上設有固定第一傳感光纖和第三傳感光纖的內置固纖模塊，第一傳感光纖和第三傳感光纖通過內置固纖模塊固定后與第二傳感光纖平行布置;所述第一傳感光纖和第三傳感光纖位于圓弧形殼體的上表面，第二傳感光纖穿過溫度補償裝置后固定在另一個載纖導連模塊上，第一傳感光纖和第三傳感光纖通過另一對內置固纖模塊固定在載纖導連模塊上。2.根據權利要求1所述的傳感光纖溫敏補償封裝裝置，其特征在于:所述載纖導連模塊包括光纖容載臺、上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽、過渡載臺段、上楔形載臺段、下楔形載臺段，其中，上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽從上到下依次布設于光纖容載臺中，第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖依次固定在上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽中，光纖容載臺通過過渡載臺段與上楔形載臺段、下楔形載臺段連接。3.根據權利要求2所述的傳感光纖溫敏補償封裝裝置，其特征在于:所述內置固纖模塊包括上弧端緊固體、下弧端緊固體、鎖纖螺紋柱、上橫向螺紋控柱、下橫向螺紋控柱、凸臺和一對滑塊，所述凸臺位于上楔形載臺段和下楔形載臺段上，凸臺與上橫向螺紋控柱和下橫向螺紋控柱活動連接，所述上橫向螺紋控柱和下橫向螺紋控柱分別與一對滑塊螺紋連接，所述鎖纖螺紋柱與其中一個滑塊螺紋連接，所述下弧端緊固體與另一個滑塊固定連接。4.根據權利要求3所述的傳感光纖溫敏補償封裝裝置，其特征在于:所述圓弧形殼體包含三層，最外面一層為特種復合材料層，中間層為金屬隔槽層，最里層為內層復合材料層。5.根據權利要求4所述的傳感光纖溫敏補償封裝裝置，其特征在于:所述溫度補償裝置包含一對弧復合材料體構成的橢球體，兩個橢球體位于圓弧形殼體的兩端，橢球體內設有第二傳感光纖通過的第一通纖管，在兩個橢球體之間設有復合材料制成的葫蘆狀的葫蘆體，葫蘆體內設有第二通纖管，第二傳感光纖依次穿過第一通纖管、第二通纖管和另一個第一通纖管，橢球體和葫蘆體均通過內支撐柱支撐在圓弧形殼體內。6.根據權利要求5所述的傳感光纖溫敏補償封裝裝置，其特征在于:所述特種復合材料層與經過該材料的第一傳感光纖，它們的熱膨脹系數之差與第一傳感光纖應變值的乘積，等于該光纖的溫度系數;特種復合材料層與經過該材料的第三傳感光纖，它們的熱膨脹系數之差與該光纖應變值的乘積，等于第三傳感光纖的溫度系數。7.根據權利要求6所述的傳感光纖溫敏補償封裝裝置，其特征在于:所述橢球體和葫蘆體的復合熱膨脹系數與通過對應段的第二傳感光纖的熱膨脹系數之差，與該對應段的第二傳感光纖應變值的乘積，等于該對應段的第二傳感光纖的溫度系數值。8.一種如權利要求7所述的傳感光纖溫敏補償封裝裝置的運行方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，配備三根待監測用的傳感光纖作為第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖，制作圓弧形殼體，配備特種復合材料和橢球體，且要求特種復合材料層與通過這些材料的相應第一傳感光纖和第三傳感光纖，它們的熱膨脹系數之差與對應段第一傳感光纖和第三傳感光纖的應變值乘積，等于該對應段第一傳感光纖和第三傳感光纖各自的溫度系數;橢球體和葫蘆體它們的復合熱膨脹系數與通過對應段的第二傳感光纖的熱膨脹系數之差，與該對應段的第二傳感光纖應變值的乘積，等于該對應段的第二傳感光纖的溫度系數值； 第二步，將第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖分別通過傳感光纖溫敏補償封裝裝置初始端處光纖容載臺上的上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽中，并且在上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽中分別注入膠水，將穿入傳感光纖溫敏補償封裝裝置的三根傳感光纖的初始端處進行固定，后將第一傳感光纖和第三傳感光纖以一定的弧度過渡到過渡載臺段，將第二傳感光纖水平拉直到第一通纖管和第二通纖管中，并且對第一通纖管和第二通纖管進行封裝； 第三步，將第一傳感光纖以與水平面夾角為60°的角度將第一傳感光纖過渡到凸臺中，且在凸臺中注入膠水將第一傳感光纖進行再次固定，分布在首尾兩端的鎖纖螺紋柱帶動上弧端緊固體的運動，將第一傳感光纖進行預拉應力的伸長固定，并且在圓弧形殼體中注入膠水將第一傳感光纖布設到與其接觸的特種復合材料層中； 第四步，重復第二步的操作，對第三傳感光纖進行同樣的布設，并將第一傳感光纖、第二傳感光纖和第三傳感光纖通過傳感光纖溫敏補償封裝裝置的末端處光纖容載臺上的上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽處，且向上容纖槽、中容纖槽、下容纖槽注入膠水，進而完成傳感光纖溫度不敏感化操作； 第五步，為了更加精確去除溫度的干擾，將經過特種復合材料層處理過的第一傳感光纖和第三傳感光纖應變值取平均數，作為第一次獲取的較為準確的傳感光纖應變數值，后用第二傳感光纖的應變值來校正第一傳感光纖和第三傳感光纖應變值的平均數，作為最終的去溫度影響的傳感光纖監測的應變數值。
【文檔編號】G01L1/24GK106092393SQ201610459246
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】蘇懷智, 楊孟, 任杰
【申請人】河海大學