光纤光栅传感器在索力测量中的应用

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1、第七届全国现代结构工程学术研讨会光纤光栅传感器在索力测量中的应用肖德宝“2。3⋯王帆。2’■吴波1’2(1华南理工大学建筑学院广州510640；2华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验皇广州510640：3中广核工程有限公司阳江分公司广东阳江529500：t广东省建筑科学研究院广州510500)摘要：本文介绍，应用光纤光栅传感器测量拉索索力的一种新方法。其原理是利用拉素在弹性范围内工作时索头各点应力与拉索拉力存在对应关系，将光纤光栅传感器焊接于索头特定位置，然后对拉索进行标定试验。得到拉力一波长关系曲线。该曲线可作为现场施工时索力铡量的依据，施工时只要知道光纤光栅传感器波长的

2、变化即可求出相应的拉索索力。这是一种相对的索力测量方法。同现有的其他删量索力方法相比较，具有樵多优点。关键词：光纤光栅传感器．索力，拉力一波长曲线一、引言目前．测量拉索索力的方法很多，如压力传感器测量法、频率法⋯(振动法或脉动法)、磁通量法、振动波法【2J、零弯矩法、三点弯曲法等等。在实际工程中，应用较多而且研究比较成熟的方法足频率法，它是根据拉索索力同拉索振动频率之间的关系来确定索力，当假设条件满足较好时误差可控制在5％以内。但是这种方法只能用于测量施工完毕的拉索，且影响频率法测量精度的因素较多”?⋯，导致测量难度相与大。本文提出了一种测量索力的新方法一利用光纤光栅传感器的

3、波长变化测量索力。这是一种相对的索力测量方法，不受施工过程的干扰，可以对正在施工或施工完毕的拉索进行索力测量，测量精度也较高。使用这种方法测量索力的过程为：首先格光纤光栅传感器焊接于拉索索头的某特定位置，然后做好索力标定得出光纤光栅传感器的波长变化值(或换算为索的应变值)与索力变化值之间的相关曲线，这条曲线就是施工过程中索力测定的参考曲线，现场只要可咀测得传感器的波长值，即可很容易得到拉索中的实际拉力。t二、光纤光栅简介随着光纤光栅传感技术和健康监测技术的不断发展，光纤光栅传感器在建筑领域的应用越来越广泛，尤其足在桥梁的健康监测方面pJ。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性：即外界

4、入射光子和纤芯相互作用而引起后者折射率的永久性变化，用紫外激光直接写入法在单模光纤的纤芯内形成的空问相位光栅．其实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜。其工作原理为：当光源发出的连续宽带光(图1中Ii)通过传输光纤射入时，它与光场发生耦台作用，对该宽带光有选择地反射回相应的—个窄带光(图1中h)，并沿原传输光纤返回；其余宽带光(图l中It)则直接透射过去。反射回的窄带光的中心波长值随着作用于光纤光栅的温度和应变的改变而线性变化，从而使光纤光栅成为性能优异的温度、应变测量敏感元件。透射过去的剩余宽带光可以继续传输给其他具有不同中心波长的光纤光栅阵列，其中相应中心波长的窄带光

5、系列将被逐一反射，全部沿原传输光纤返回．由此可实现多个光纤光栅传感器的串接复用。工业建筑2007增刊第七届全国现代结构工程学术研讨会h蝴HghtR胡删蚝h图l光纤光擅工作原理三、光纤光栅传感器焊接位置的选择光纤光栅传感器焊接位置的选择应本着如下原则：(1)不占用拉索施工的操作空间；(2)光纤光栅传感器底座焊接比较方便；(3)测量处索头的z向应力变化较大。以佛山世纪莲体育中心体育场屋盖结构工程中使用的索头sPEs5×337为例，考虑以上因素，这里拟选择了以下5点作为焊接传感器的位置，如图2所示。l～＼／，旺爿_⋯一7}(-一∈l∑≮f，r．。＼圈2传感器焊接位置的选择四、索头z

6、向应力有限元分析这里采用了3·D1oIlodes的四面体单元SOLIDl87划分网格，该单元是带有中节点的高阶单元，适合于形状不规则的实体模型建模，且计算时能够通过较粗糙的网格划分得到较精确的计算结果。销轴和销孔的挤压面处采用接触单元模拟(TARGEl70和cOMrAl74)，可以模拟索头的两个叉耳随着销轴的受弯而出现接触面分离的情况，防止该处应力过分集中。图3给出了索头的有限元模型图和von．Mi∞s应力云图。898工业建筑2007增刊第七屑全国现代结构工程学术研讨会l∞，1∞∞0刍舯VR蚰翅．∞O—∞图3索头有限于模型与von—Mises应力云图+l点计算值一：辫嚣．／一

7、一3点计算值’／一：嚣嚣／一一晡计算值／<．．／．．／幺；；_—●●■■-j—O埘咖l枷1嘲2咖删卿姗姗帅∞彻舢索拉力(蚶)圈4l～5点Z向应力随拉力的变化上图为根据图3的有限元模型计算得到的索头上1～5点的z向应力变化曲线。从图中可以看出，索拉力的变化对索头的锥形头部分影响并不大(2、3、4点)，整个锥形头z向基本处于受压状态，且压力均不超过10MPa：1点和5点z向应力均为正值，线形较好，但1点应力的变化梯度较5点大得多。由此可以确定，1点是焊接传感器的较理想位置。五、标定试验缉果分析根据上面得出的