一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计

1.一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，其特征在于：包括第一圆弧状金属薄片（1）、带凹槽圆弧状金属连接片（2）、圆弧状带凸缘金属连接片（3）、带凹槽圆弧状金属中间片（4）、圆弧状金属连接片（5）、第二圆弧状金属薄片（6）、第一裸光纤光栅（7）、第二裸光纤光栅（8）、第一尾纤（9）、第二尾纤（10）和第三尾纤（11），其中第一圆弧状金属薄片（1）上设第一凹槽（15），第二圆弧状金属薄片（6）上设第二凹槽（16）和第三凹槽（17）；带凹槽圆弧状金属连接片（2）和圆弧状带凸缘金属连接片（3）间隔布置并在两端分别固定连接第一圆弧状金属薄片（1）和第二圆弧状金属薄片（6），带凹槽圆弧状金属连接片（2）的凹槽与第一凹槽（15）和第二凹槽（16）对齐，且带凹槽圆弧状金属连接片（2）的内外圆弧表面与第一圆弧状金属薄片（1）和第二圆弧状金属薄片（6）的内外圆弧表面平齐，圆弧状带凸缘金属连接片（3）外圆弧表面与第一圆弧状金属薄片（1）和第二圆弧状金属薄片（6）的外圆弧表面平齐；圆弧状金属连接片（5）两端固定连接于第一圆弧状金属薄片（1）和第二圆弧状金属薄片（6）之间，圆弧状金属连接片（5）外圆弧表面与圆弧状带凸缘金属连接片（3）的凸缘固定连接，且圆弧状金属连接片（5）内圆弧表面与第一圆弧状金属薄片（1）和第二圆弧状金属薄片（6）的内圆弧表面平齐；带凹槽圆弧状金属中间片（4）的凹槽与第三凹槽（17）对齐，带凹槽圆弧状金属中间片（4）左端固定连接于第二圆弧状金属薄片（6）上，带凹槽圆弧状金属中间片（4）右端与第一圆弧状金属薄片（1）之间具有间隔，带凹槽圆弧状金属中间片（4）的四周表面与圆弧状带凸缘金属连接片（3）和圆弧状金属连接片（5）之间均具有间隔；
所述第一裸光纤光栅（7）一端穿过带凹槽圆弧状金属连接片（2）凹槽右端形成第二尾纤（10），第一裸光纤光栅（7）另一端穿过带凹槽圆弧状金属连接片（2）凹槽左端形成第一尾纤（9）；第一裸光纤光栅（7）通过第一环氧树脂（12）固定于带凹槽圆弧状金属连接片（2）凹槽内，且第一环氧树脂（12）表面与带凹槽圆弧状金属连接片（2）内圆弧表面平齐；第二尾纤（10）通过第一环氧树脂（12）固定于第一凹槽（15）内，且第一环氧树脂（12）表面与第一圆弧状金属薄片（1）内圆弧表面平齐；第一尾纤（9）通过第一环氧树脂（12）固定于第二凹槽（16）内，且第一环氧树脂（12）表面与第二圆弧状金属薄片（6）内圆弧表面平齐；第二裸光纤光栅（8）一端穿过带凹槽圆弧状金属中间片（4）凹槽左端形成第三尾纤（11），第二裸光纤光栅（8）另一端在带凹槽圆弧状金属中间片（4）凹槽右端处截断；第二裸光纤光栅（8）通过第二环氧树脂（13）固定于带凹槽圆弧状金属中间片（4）凹槽内，第二环氧树脂（13）表面与带凹槽圆弧状金属中间片（4）内圆弧表面平齐；第三尾纤（11）通过第三环氧树脂（14）固定于第三凹槽（17）内，且第三环氧树脂（14）表面与第二圆弧状金属薄片（6）内表面平齐；第三尾纤（11）穿出第三凹槽（17）并与第一尾纤（9）焊接连接；
通过第二裸光纤光栅（8）测得被测钢筋位置的温度变化，利用第二裸光纤光栅（8）的温度测量值对第一裸光纤光栅（7）的波长漂移进行补偿，得到被测钢筋的应变，达到钢筋应变和测点处温度的同时测量。
2.根据权利要求1所述的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，其特征在于：所述第一圆弧状金属薄片（1）、第二圆弧状金属薄片（6）与带凹槽圆弧状金属连接片（2）的厚度相同。
3.根据权利要求1所述的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，其特征在于：所述圆弧状带凸缘金属连接片（3）非凸缘处厚度和带凹槽圆弧状金属中间片（4）厚度以及圆弧状金属连接片（5）厚度相同，且均小于第一圆弧状金属薄片（1）厚度的三分之一。
4.根据权利要求1所述的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，其特征在于：所述第一圆弧状金属薄片（1）与第二圆弧状金属薄片（6）的长度相同。
5.根据权利要求1所述的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，其特征在于：所述第一圆弧状金属薄片（1）、第二圆弧状金属薄片（6）和带凹槽圆弧状金属连接片（2）的曲率半径均相同。
6.根据权利要求1所述的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，其特征在于：所述圆弧状带凸缘金属连接片（3）内表面、带凹槽圆弧状金属中间片（4）外表面、带凹槽圆弧状金属中间片（4）内表面和圆弧状金属连接片（5）外表面设有导热润滑材料。
7.根据权利要求1所述的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，其特征在于：所述第一圆弧状金属薄片（1）、带凹槽圆弧状金属连接片（2）、圆弧状带凸缘金属连接片（3）、带凹槽圆弧状金属中间片（4）、圆弧状金属连接片（5）和第二圆弧状金属薄片（6）的材质均为不锈钢材。

一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种钢筋应变和温度测量装置，尤其是对土木工程钢筋混凝土结构中的钢筋应变和测点处温度进行同时测量的传感器。\n背景技术\n[0002] 钢筋应变是反映钢筋混凝土结构受力状态的主要参数之一，无论是模型实验，还是实际工程结构性能监测，钢筋应变都是钢筋混凝土结构测试的重要内容。传统钢筋应变计都是基于电阻应变传感原理或者振弦传感原理，存在测试信号容易受到电磁干扰、长期监测结果可靠性差、不能实现分布式测量、导线复杂、振弦式钢筋应变计不能进行动态测试等弊病。传统钢筋应变计安装时，需要将被测钢筋截断，然后将做成钢筋形状的钢筋应变计焊接于被测钢筋截断位置，由于焊接部位的凸起使得钢筋和混凝土结合面的传力状态改变，从而引起钢筋混凝土结构中被测钢筋受力状态的变化，存在精度有限、安装复杂、对被测结构影响大等缺点。因此，现有的钢筋混凝土结构钢筋应变计不能满足高精度以及长期监测的需求，迫切需要一种性能优越的钢筋应变计。\n[0003] 为了开发性能更为优良的钢筋应变计，选用基于光纤光栅传感原理的传感器是有效途径之一。光纤光栅传感是利用一段具有周期性折射率的芯内体光栅作为传感元件，通过测量外界物理量引起的光纤光栅工作波长的改变来获取被测物理量变化，光纤光栅传感以光的波长作为测量对象，不受光强的影响，信号稳定。光纤光栅传感是一种新型的传感原理，具有测量精度高、响应速度快、可靠性好、抗电磁干扰、长期稳定性好、能适应高温高湿环境、体积小、可以实现准分布式测量等优点，是一种性能优越的传感器载体。经过多年的发展，光纤光栅的制作技术已经非常成熟，制作成本也大大降低，必将具有广阔的应用前景。以光纤光栅传感原理为基础的钢筋应变计既能进行短期测量，也能进行长期监测，能够满足不同类型钢筋混凝土结构钢筋应变测试的不同要求，适应我国土木工程建设蓬勃发展的需求。\n发明内容\n[0004] 技术问题：本发明的目的是提供一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，它能对钢筋混凝土中钢筋的应变和测点处的温度进行实时精确测量；同时，在测量过程中能达到对钢筋应变和测点处温度的同时测量。\n[0005] 技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，包括第一圆弧状金属薄片、带凹槽圆弧状金属连接片，圆弧状带凸缘金属连接片，带凹槽圆弧状金属中间片，圆弧状金属连接片，第二圆弧状金属薄片，第一裸光纤光栅，第二裸光纤光栅，第一尾纤，第二尾纤和第三尾纤；其中第一圆弧状金属薄片上设第一凹槽，第二圆弧状金属薄片上设第二凹槽和第三凹槽；带凹槽圆弧状金属连接片和圆弧状带凸缘金属连接片间隔布置并在两端分别固定连接第一圆弧状金属薄片和第二圆弧状金属薄片，带凹槽圆弧状金属连接片的凹槽与第一凹槽和第二凹槽对齐，且带凹槽圆弧状金属连接片的内外圆弧表面与第一圆弧状金属薄片和第二圆弧状金属薄片的内外圆弧表面平齐，圆弧状带凸缘金属连接片外圆弧表面与第一圆弧状金属薄片和第二圆弧状金属薄片的外圆弧表面平齐；圆弧状金属连接片两端固定连接于第一圆弧状金属薄片和第二圆弧状金属薄片之间，圆弧状金属连接片外圆弧表面与圆弧状带凸缘金属连接片的凸缘固定连接，且圆弧状金属连接片内圆弧表面与第一圆弧状金属薄片和第二圆弧状金属薄片的内圆弧表面平齐；带凹槽圆弧状金属中间片的凹槽与第三凹槽对齐，带凹槽圆弧状金属中间片左端固定连接于第二圆弧状金属薄片上，带凹槽圆弧状金属中间片右端与第一圆弧状金属薄片之间具有间隔，带凹槽圆弧状金属中间片的四周表面与圆弧状带凸缘金属连接片和圆弧状金属连接片之间均具有间隔。\n[0006] 所述第一裸光纤光栅一端穿过带凹槽圆弧状金属连接片凹槽右端形成第二尾纤，第一裸光纤光栅另一端穿过带凹槽圆弧状金属连接片凹槽左端形成第一尾纤；第一裸光纤光栅通过第一环氧树脂固定于带凹槽圆弧状金属连接片凹槽内，且第一环氧树脂表面与带凹槽圆弧状金属连接片内圆弧表面平齐；第二尾纤通过第一环氧树脂固定于第一凹槽内，且第一环氧树脂表面与第一圆弧状金属薄片内圆弧表面平齐；第一尾纤通过第一环氧树脂固定于第二凹槽内，且第一环氧树脂表面与第二圆弧状金属薄片内圆弧表面平齐；第二裸光纤光栅一端穿过带凹槽圆弧状金属中间片凹槽左端形成第三尾纤，第二裸光纤光栅另一端在带凹槽圆弧状金属中间片凹槽右端处截断；第二裸光纤光栅通过第二环氧树脂固定于带凹槽圆弧状金属中间片凹槽内，第二环氧树脂表面与带凹槽圆弧状金属中间片内圆弧表面平齐；第三尾纤通过第三环氧树脂固定于第三凹槽内，且第三环氧树脂表面与第二圆弧状金属薄片内表面平齐；第三尾纤穿出第三凹槽并与第一尾纤焊接连接。\n[0007] 本发明的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，所述第一圆弧状金属薄片厚度和第二圆弧状金属薄片厚度以及带凹槽圆弧状金属连接片厚度相同。\n[0008] 本发明的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，所述圆弧状带凸缘金属连接片非凸缘处厚度和带凹槽圆弧状金属中间片厚度以及圆弧状金属连接片厚度相同，且均小于第一圆弧状金属薄片厚度的三分之一。\n[0009] 本发明的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，所述第一圆弧状金属薄片与第二圆弧状金属薄片长度相同。\n[0010] 本发明的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，所述第一圆弧状金属薄片、第二圆弧状金属薄片和带凹槽圆弧状金属连接片的曲率半径均相同，且可根据被测钢筋直径的大小而改变。\n[0011] 本发明的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，所述圆弧状带凸缘金属连接片内表面、带凹槽圆弧状金属中间片外表面、带凹槽圆弧状金属中间片内表面和圆弧状金属连接片外表面设置导热润滑材料。\n[0012] 本发明的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，所述第一圆弧状金属薄片、带凹槽圆弧状金属连接片、圆弧状带凸缘金属连接片、带凹槽圆弧状金属中间片、圆弧状金属连接片和第二圆弧状金属薄片的材质均为不锈钢材。\n[0013] 有益效果：本发明的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计，利用应变计内不受应变影响的光纤光栅温度传感器测量温度并对应变计内的光纤光栅应变传感器的测量值进行补偿，在准确测量应变的同时还能得到测点的温度，具有应变和温度的同时测量功能，不需要额外的温度测量装置，具有测量精度高、长期稳定性好、抗电磁干扰能力强、传感器集成度高等优点。本发明的另一有益效果是借助钢筋作为安装支架对测点处混凝土凝固过程中的温度变化情况进行准确测量，一传感器多种功能。测量时只需将本发明的钢筋应变计两端的端子点焊于被测钢筋表面或胶结于被测钢筋表面，因此对结构影响小、安装埋设方便；端子远离传感器内的环氧树脂，焊接也不会影响环氧树脂的粘结强度。本发明将裸光纤光栅直接粘贴于圆弧形金属薄片内侧凹槽内，不仅能有效保护裸光纤光栅在钢筋混凝土结构施工过程中不被损坏，且结构简单、制作方便。该同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计必定会给广大工程测试人员提供诸多便利，因此具有广泛的工程应用前景。\n附图说明\n[0014] 图1是本发明实施例的结构示意图；\n[0015] 图2是图1的半剖视图；\n[0016] 图3是图1的主视图；\n[0017] 图4是图3的右视图；\n[0018] 图5是图3的左视图；\n[0019] 图6是图3的A-A剖视图；\n[0020] 图7是图3的B-B剖视图；\n[0021] 图8是图3的C-C剖视图；\n[0022] 图9是图1中第一圆弧状金属薄片1的三维示意图；\n[0023] 图10是图1中第二圆弧状金属薄片6的三维示意图。\n[0024] 图中：第一圆弧状金属薄片1；带凹槽圆弧状金属连接片2；圆弧状带凸缘金属连接片3；带凹槽圆弧状金属中间片4；圆弧状金属连接片5；第二圆弧状金属薄片6；第一裸光纤光栅7；第二裸光纤光栅8；第一尾纤9；第二尾纤10；第三尾纤11；第一环氧树脂12；第二环氧树脂13；第三环氧树脂14；第一凹槽15；第二凹槽16；第三凹槽17。\n具体实施方式\n[0025] 实施例：下面结合附图1～10对本发明的技术方案进行详细说明：\n[0026] 本实施例的一种同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计包括第一圆弧状金属薄片1、带凹槽圆弧状金属连接片2、圆弧状带凸缘金属连接片3、带凹槽圆弧状金属中间片\n4、圆弧状金属连接片5、第二圆弧状金属薄片6、第一裸光纤光栅7、第二裸光纤光栅8、第一尾纤9、第二尾纤10、第三尾纤11、第一环氧树脂12、第二环氧树脂13、第三环氧树脂14、第一凹槽15、第二凹槽16和第三凹槽17，其中，第一圆弧状金属薄片上1设第一凹槽15，第二圆弧状金属薄片6上设第二凹槽16和第三凹槽17。\n[0027] 将第二裸光纤光栅8的光栅段去除涂敷层并用脱脂棉球蘸酒精擦净后剪去右端的尾纤，并将第二裸光纤光栅8置于用酒精洗净的带凹槽圆弧状金属中间片4凹槽内，第二裸光纤光栅8右不超出带凹槽圆弧状金属中间片4右端，第二裸光纤光栅8左端超出带凹槽圆弧状金属中间片4左端而形成第三尾纤11，在带凹槽圆弧状金属中间片4凹槽内填入第二环氧树脂13，使第二环氧树脂13表面与带凹槽圆弧状金属中间片4表面平齐，加热使第二环氧树脂13凝固；将带凹槽圆弧状金属中间片4左端与第二圆弧状金属薄片6右端固定，且使带凹槽圆弧状金属中间片4凹槽与第二凹槽16对齐；带凹槽圆弧状金属中间片4右端与第一圆弧状金属薄片1左端之间留有空隙，使带凹槽圆弧状金属中间片4可以自由伸缩，第三尾纤\n11从第二凹槽16穿出，在第二凹槽16内填入第三环氧树脂14，第三环氧树脂14表面与第二圆弧状金属薄片6平齐，加热使第三环氧树脂14凝固。\n[0028] 带凹槽圆弧状金属连接片2左端与第二圆弧状金属薄片6固定，并使带凹槽圆弧状金属连接片2凹槽与第三凹槽17对齐，带凹槽圆弧状金属连接片2内侧圆弧表面与第二圆弧状金属薄片6内侧圆弧表面平齐。\n[0029] 带凹槽圆弧状金属连接片2右端与第一圆弧状金属薄片1固定，并使带凹槽圆弧状金属连接片2凹槽与第一凹槽15对齐，带凹槽圆弧状金属连接片2内侧表面与第一圆弧状金属薄片1内侧平齐；将第一裸光纤光栅7依次穿过第三凹槽17、带凹槽圆弧状金属连接片2凹槽和第一凹槽15并在右端形成第一尾纤9，第一裸光纤光栅7的左端形成第二尾纤10，在第一裸光纤光栅7两端施加一定的拉力使第一裸光纤光栅7具有一定的预拉应变并保持与带凹槽圆弧状金属连接片2凹槽平行，在第三凹槽17、带凹槽圆弧状金属连接片2凹槽和第一凹槽15内填入第一环氧树脂12，使环氧树脂12表面与第一圆弧状金属薄片1内侧圆弧表面、带凹槽圆弧状金属连接片2内侧圆弧表面和第二圆弧状金属薄片6内侧圆弧表面平齐；圆弧状带凸缘金属连接片3右端与第一圆弧状金属薄片1固定，圆弧状带凸缘金属连接片3左端与第二圆弧状金属薄片6固定，且圆弧状带凸缘金属连接片3外侧圆弧表面与第一圆弧状金属薄片1外侧圆弧表面以及第二圆弧状金属薄片6外侧圆弧表面平齐；圆弧状金属连接片5右端与第一圆弧状金属薄片1固定，圆弧状金属连接片5左端与第二圆弧状金属薄片6固定，且圆弧状金属连接片5内侧圆弧表面与第一圆弧状金属薄片1内侧圆弧表面以及第二圆弧状金属薄片6内侧圆弧表面平齐；第一尾纤9和第三尾纤11焊接连接。\n[0030] 第一圆弧状金属薄片1和第二圆弧状金属薄片6作为同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计的端部结构，可方便的与被测钢筋焊接固定或胶结固定，使同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计与被测钢筋同步变形。带凹槽圆弧状金属连接片2和圆弧状带凸缘金属连接片3作为同时测量钢筋温度、应变的光纤光栅应变计的外部结构，它主要起保护内部结构和将工程结构的应变和温度传递给内部结构的作用。圆弧状带凸缘金属连接片3和圆弧状金属连接片5组成一腔体，保护带凹槽圆弧状金属中间片4不受外界干扰且可在腔体内自由伸缩。测量时，可在钢筋应变计和钢筋之间的空隙内填入环氧树脂，以避免混凝土浆体灌入钢筋应变计和钢筋之间的空隙而影响测量结果，做到测量结果精确可靠。\n[0031] 带凹槽圆弧状金属中间片4一端可自由伸缩，不会由于被测钢筋应变变化而产生应变，从而第二裸光纤光栅8也不会由于被测钢筋的应变变化而产生工作波长漂移，而温度变化则会因为光纤光栅钢筋应变计材料良好的导热性能而引起第二裸光纤光栅8工作波长的漂移，因此通过第二裸光纤光栅8只能测得被测钢筋位置的温度变化。带凹槽圆弧状金属连接片2由于两端分别固定于第一圆弧状金属薄片1和第二圆弧状金属薄片6而与被测钢筋同步变形，被测钢筋应变变化和被测钢筋位置的温度变化均会引起第一裸光纤光栅7工作波长的漂移。利用第二裸光纤光栅8的温度测量值对第一裸光纤光栅7的波长漂移进行补偿，得到被测钢筋的应变，达到钢筋应变和测点处温度的同时测量。