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《温度与非轴向力对光纤光栅应变传递影响的分析_孙丽.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第30卷增刊防灾减灾工程学报Vol.30Suppl. 2010年9月JournalofDisasterPreventionandMitigationEngineeringSep.2010温度与非轴向力对光纤光栅应变传递影响的分析1,2111孙丽,任学玲,周鹏,谷凡(1.沈阳建筑大学土木工程学院,沈阳110168;2.大连理工大学土木水利学院,辽宁大连116023)摘要:由于光纤、保护层和粘贴层以及基体材料的物理力学性能不同,使得光纤光栅传感器的测量应变不等于基体材料的实际应变。本文以埋入式非轴向力作用下的光纤光栅作为研究对象
2、,采用弹性理论分析,利用剪滞法,推导了光纤光栅传感器在非轴向力和温度共同影响下的测量应变与基体结构实际应变之间的应变传递计算公式,并采用有限元方法对其分析,讨论了温度变化对非轴向力作用下的光纤光栅应变传递的影响,为埋入式光纤光栅传感器在非轴向力和温度影响下的应变测量提供理论依据。关键词:光纤光栅传感器;应变传递;非轴向应力;温度中图分类号:TN99文献标识码:A文章编号:1672-2132(2010)增刊-0231-04之间结合完好,没有相对滑移;0引言(2)光纤的变形是由基体通过中间层的剪切变形来传递,光纤和中间层均不直接
3、受力,即光纤端部对结构进行健康监测和诊断,及时发现结构的只受温度影响;损伤,评估其安全性已成为土木工程的必然要求,也(3)光纤、中间层和基体均为线弹性材料,不考是土木工程学科发展的重要领域。利用光纤光栅传虑其塑性变形;感器对结构进行监测,是结构健康监测领域发展的(4)光纤和中间层只有轴向位移,没有径向位[1]重要方向之一。移。由于光纤光栅各层材料与基体材料的物理性质1.2理论分析存在较大差异,使结构应变与光纤光栅测得的应变有一定差异。准确掌握光纤光栅传感器的应变传递经简化,其理论模型如图1所示,图中X,Y,Z规律,可以更为精
4、确地测量当前结构的应变。2007为基体结构的整体坐标系;x,y,z为光纤和中间层[2]年,李宏男和周广东对埋入式光纤光栅传感器在的局部坐标系;ra、rg和rm分别为基体圆柱体的半非轴向力下的测量应变与基体实际应变之间的关系径、光纤的外半径和中间层的外半径;T为光纤的轴进行了推导,得出了较为合理的应变传递公式,并讨向和基体结构Z方向之间的夹角。论了角度偏差对测量结果的影响。当光纤光栅传感器埋入结构后,由于结构的变本文在此基础上,考虑温度的影响,对非轴向力作用下埋入式传感器的测量应变与基体实际应变之间的关系进行推导,得出更为合理
5、的应变传递计算公式。1理论公式推导1.1基本假设(1)在界面上,光纤与中间层以及中间层与基体图1光纤光栅传感器埋入结构示意收稿日期:2010-05-12;修回日期:2010-07-05基金项目:国家自然科学基金项目(10902073)、中国博士后基金特别资助项目与面上项目(200801388、20070410348)、辽宁省自然科学基金项目(20072004)、沈阳市科技局项目(1081271-9-00)、住房和城乡建设部科学技术研究开发计划项目(2010-K2-21)资助作者简介:孙丽(1974-)女,副教授,硕导。主要从
6、事结构抗震、隔震、光纤智能传感和结构健康监测研究。Email:sunli2001@hotmail.com232防灾减灾工程学报第30卷r形,根据基本假定和剪滞法原理,取微元体研究受力dumdugmdfcr(r)-=Xm-Xg=∫dr(5)情况,如图2所示。图中,dz表示光纤微段的长度;dzdzrgdzeg、ec、em分别表示光纤、中间层和基体结构横截面式中Xm和Xg分别为基体和光纤沿Z方向上的应变上的正应力;fgc(z,rg)表示光纤和中间层交接面上量。的剪应力;fcr(z,r)表示中间层的外径为r的圆柱emeg+TmΔF-
7、+TgΔF=EmEg面上的剪应力;e表示基体结构Z方向上的正应力。r1mdfcr(r)dr(6)G∫crgdz式中Em、Eg和Gc分别为基体、光纤的弹性模量和中间层的剪切模量;Tm、Tg分别为基体和光纤的热膨胀系数;ΔT为温度变化。将式(1)、式(2)、式(3)代入式(6),得12222[raecosT-rgeg-(rm-rg)ec]图2与z坐标对称的各部分微元体受力情况Em12+TmΔFra2-Xg=(7)取光纤微段进行分析(如图2中光纤所示),忽-rmcosT略光纤的径向变形,列出平衡方程:r2221m1r-rgdecr
8、gdegdeg2fgc(z,rg)-Gr+dr=-(1)∫cgdz2rdz2rdzdzrg由于光纤光栅、中间层和基体同步变形,三者的对中间层进行分析(如图2中中间层所示),忽应变接近,另外,中间层的弹性模量与光纤光栅、基略光纤的径向变形,列出z方向平衡方程:体的弹性模量相差很大(一般在10
