基于光纖光柵和振弦式傳感器的復合式位移測量裝置的制作方法

本實用新型屬于結構測量領域，具體涉及一種建筑領域大型結構物的位移或變形測量。

背景技術：

在大型結構物的日常養護中，對其關鍵部件的變形或位移測量十分重要，上述受力構件的受力大小及分布變化最直接地反映結構的健康狀況，因此對這些構件的受力狀況監測及在此基礎上的安全分析評估具有重大意義。

目前常采用的是將多只光纖光柵預埋至結構物如橋梁、道路、房屋等水泥內部，通過測量位移形變引起的光纖光柵的波長偏移來計算得到位移或變形量，通常將多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網絡,對結構進行準分布式檢測，并通過計算機對傳感信號進行遠程控制。

但由于光纖光柵波長對溫度與應變同時敏感，即溫度與應變同時引起光纖光柵耦合波長移動，使得通過測量光纖光柵耦合波長移動無法對溫度與應變加以區分。因此，解決交叉敏感問題，實現溫度和應力的區分測量是傳感器實用化的前提。通過一定的技術來測定應力和溫度變化來實現對溫度和應力區分測量。這些技術的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵構成雙光柵溫度與應變傳感器，通過確定兩個光纖光柵的溫度與應變響應靈敏度系數，利用兩個二元一次方程解出溫度與應變。故由此帶來了較大的測量的不確定度。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于克服現有測量光纖光柵傳感器在應變測量中需要對溫度進行解算的算法，提供一種利用振弦式傳感器對光纖光柵測量的應變進行校正的方案，由于振弦式傳感器自帶有溫度校正功能，并具有較高的應變測量準確度，故可以對分布式光纖光柵測量系統的測量結果進行校正，避免了算法的復雜和光纖光柵校正過程帶來的不確定度，最終提高了系統的測量準確度。

本實用新型的技術方案如下：

基于光纖光柵和振弦式傳感器的復合式位移測量裝置，包括設置在被測量結構物某一區域內部的分布式光纖光柵測量單元和振弦式傳感器，所述的分布式光纖光柵測量單元包括光源、解調儀和通過一根光纖連接的若干只光纖光柵單元，所述的光源和解調儀通過光纖分束器或光纖環路器與光纖聯接，所述的分布式光纖光柵測量單元的某一只光柵固定在振弦式傳感器的殼體上，并與振弦式傳感器共同設置在被測量目標的內部。

上述基于光纖光柵和振弦式傳感器的復合式位移測量裝置中，若干只光纖光柵共同工作在溫差可忽略的區域。

上述基于光纖光柵和振弦式傳感器的復合式位移測量裝置中，振弦式傳感器內置有溫度校正單元。

上述基于光纖光柵和振弦式傳感器的復合式位移測量裝置中，光源波長為1.5微米的寬譜光源。

本實用新型具有的有益技術效果如下：

一、本實用新型提供了一種利用振弦式傳感器對光纖光柵測量的應變進行校正的方案，由于振弦式傳感器自帶有溫度校正功能，并具有較高的應變測量準確度，故可以對分布式光纖光柵測量系統的測量結果進行校正，避免了光纖光柵溫度和應變解調算法的復雜和光纖光柵標校過程帶來的不確定度，最終提高了系統的測量準確度。

二、本實用新型的光纖光柵分布在溫差可忽略的區域，故采用振弦式傳感器對其中的一只光纖光柵進行標定后，只需要按照校正系數對其他光纖光柵的結果進行校正，就可以克服溫度、標定誤差等結果的影響，可大大提高測量精度。

附圖說明

圖1為本實用新型分布式光纖光柵單元安裝示意圖；

圖2為本實用新型光纖光柵和振弦式傳感器的粘接示意圖。

圖中：1—光源；2—解調儀；3—光纖分束器；4—光纖；5—被測量結構物；6—光纖光柵單元；7—振弦式傳感器；8—振弦；9—起振和檢測單元；10—溫度監測單元；11—殼體。

具體實施方式

如圖1所示，振弦式傳感器屬于頻率型傳感器，可等效成一個兩端頻率隨鋼絲張力變化的振動鋼弦，其由定位支座、起振和檢測單元9、振弦8及殼體11組成。其中起振和檢測單元9包括激勵線圈和頻率檢測器件，主要是由電路產生激勵信號，驅動線圈產生磁力驅動振弦產生振動。

在電激勵下，振弦按其固有頻率振動，改變振弦的張力F，可以得到不同的振動頻率f，即張力與諧振頻率成單值函數關系。當振弦受張力長度變化Δl后，則有其中ρ_ν為弦的體密度，E為振弦的彈性模量，l為弦長。

實際應用時，當振弦式傳感器7的殼體11受到伸縮變形時，帶動兩端的定位支座產生移動，從而引起振弦伸長或收縮，通過檢測振弦頻率的變化，來實現位移和變形的測量。通常振弦頻率的變化可以采用與激勵磁鐵相同的線圈，也可以采用與激勵磁鐵不同的線圈來完成。當信號的頻率和振弦的固有頻率相接近時，振弦迅速達到共振狀態，振動產生的感應電動勢通過檢測電路濾波、放大、整形送給頻率測量單元。由于其輸出的是頻率信號，具有測量可靠、抗干擾能力強，對電纜要求低，有利于傳輸和遠程測量的特點。

由于振弦式傳感器零件的金屬材料膨脹系數不同，會對頻率測量產生影響。為了減小這個誤差，通常在出廠之前對振弦式傳感器進行溫度補償，即通過測量不同溫度條件下傳感器的頻率變化值，得到頻率和溫度的關系，同時對于高精度要求的傳感器，還在傳感器內部安裝了溫度監測單元10，根據溫度結果和事先標定的數據，對測量結果進行修正。

如圖1和圖2所示，本發明在被測量結構物某一區域設置分布式光纖光柵測量單元6和振弦式傳感器7，其中分布式光纖光柵測量單元包括光源1、解調儀2和通過一根光纖連接的若干只光纖光柵單元6，光源1和解調儀2通過光纖分束器3或光纖環路器與光纖聯接，分布式光纖光柵測量單元的某一只光柵作為定標光柵，固定在振弦式傳感7器的殼體11上，并與振弦式傳感器共同設置在被測量目標的內部。

光源1通常采用1.5微米的寬譜光源，解調儀2可采用分光式探測結構，當寬譜光源輸出的光經過光纖分束器沿光纖入射至分布式光纖光柵系統，每只光柵將自己的對應的光波長反射至光纖分束器，再入射至解調儀2得到其波長值。當光纖光柵受到外力或溫度變化時則會引起波長變化，通過波長的變化也可以推算得到應變值。

應用中光纖光柵是固定在彈性模塊上，比如鋼片或鋼條等彈性金屬，被嵌入至結構件的待測量區域，定標光柵則通過彈性模塊粘接在振弦式傳感器的殼體上，測量過程中結構物的形變引起殼體的長度變化，則引起光纖光柵單元的波長變化。通常同一根光纖上的光纖光柵盡可能選用溫度變化系數一致的光柵，集中安裝在結構件溫差可忽略的區域，也就是說通過振弦式傳感器的測量結果對其中某一只光纖光柵進行標定后，只需要按照校正系數對其他光纖光柵的結果進行校正，就可以克服溫度、標定誤差等結果的影響。

由于振弦式傳感器本身可靠成熟，而且其內部設置有溫度單元進行了溫度補償，故具有較高的測量精度，采用其對光纖光柵校正，可大大提高測量精度。