[发明专利]一种三维变形测量的光纤光栅传感杆及其测量方法

说明书

本发明公开了一种三维变形测量的光纤光栅传感杆及其测量方法，该光纤光栅传感杆包括感知杆、连接筒、连接杆、光缆固定环、五个光纤光栅；感知杆为空心的圆筒结构，连接筒为圆筒结构，连接筒的内径与感知杆的外径过渡配合；连接杆为实心的圆杆，连接杆的直径与连接筒的内径过渡配合；光缆固定环为圆环结构；沿感知杆的两端分别套接光缆固定环，然后连接连接筒，连接筒再与连接杆连接；四个光纤光栅沿感知杆的外圆上周向间隔90°平行布置，第五光纤光栅为自由状态的光纤光栅，位于感知杆的内部空心。本发明实现了轴向变形的测量，达到三维变形测量，能够适用于不同的测量布点密度需求，测量精准。

技术领域

本发明属于光纤光栅传感与测量技术领域，具体涉及一种三维变形测量的光纤光栅传感杆及其测量方法。

背景技术

三维方向的变形测量技术可以全方位的反映被测对象的状态，在很多领域都有着实际需求。例如，土木工程领域的地基三维沉降变形、边坡失稳前的内部土体三维变形、高铁轨道的三维沉降变形等；重大机械装备领域的机器人操作臂三维变形姿态、龙门吊梁的三维变形状态等。目前，对于三维变形的测量有非接触式的GPS监测、全站仪、机器视觉等方法，但这些方法由于不直接和被测对象接触，易受恶劣天气状况影响而遮挡视线、雷击电磁干扰等而难以实现实时监测，不利于实时的安全监测报警。

接触式的三维变形测量，主要是通过将三维变形测量传感器安装固定在被测对象上，与被测对象一起变形，传感器测量的结果即是被测对象的变形。基于电阻、电容、MEMS等电磁信号原理的三维变形监测传感器以弱电/磁为输出信号，易受环境电磁干扰，且传感器信号引线多、传输距离严重受限，不利于大规模布点监测，同样难以开展实时有效的安全监测。

光纤光栅(FBG)传感器以光为传感信号，展现出优越的测量性能和工程适用能力，在重大土木工程和机械装备的结构健康监测中取得了良好的社会与经济效益。基于光纤光栅原理的三维变形测量技术也得到科研人员重视。目前的技术方法是通过将光纤光栅阵列粘贴在一根柔性杆上，柔性杆安装固定在被测物体上，随被测对象变形时，光纤光栅感知弯曲应变，然后基于弯曲曲率理论公式、梁弯曲应变理论公式等计算反推出柔性杆的变形。

现有技术中存在的主要问题包括：

(1)光纤光栅阵列粘贴在柔性杆上，柔性杆的长度受到运输、安装等条件制约，测量长度受到限制，即使通过光纤法兰连接、光纤熔接等方式将多个柔性杆连接起来进行长距离的变形测量，法兰连接、光纤熔接也会导致光信号严重衰减，不利于信号稳定。

(2)现有技术将光纤光栅阵列沿柔性杆周向间隔90°布置4条光栅阵列，或者沿柔性杆周向间隔120°布置3条光栅阵列，实际上只能感知柔性杆在径向方向的二维的弯曲变形，而轴向变形无法测量，没有真正实现三维变形监测。

(3)采用基于弯曲曲率理论、梁弯曲应变理论等计算反推出柔性杆的变形时，因不可避免的加工制备误差，理论计算无法考虑这些误差因素，导致理论计算得到的变形误差大，无法进行准确监测。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种三维变形测量的光纤光栅传感杆及其测量方法，实现了轴向变形的测量，达到三维变形测量，能够适用于不同的测量布点密度需求，测量精准。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种三维变形测量的光纤光栅传感杆，包括感知杆、连接筒、连接杆、光缆固定环、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅；所述感知杆为空心的圆筒结构，所述连接筒为圆筒结构，连接筒的内径与感知杆的外径过渡配合；所述连接杆为实心的圆杆，连接杆的直径与连接筒的内径过渡配合；所述光缆固定环为圆环结构；沿感知杆的两端分别套接光缆固定环，然后连接连接筒，连接筒再与连接杆连接；所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅、第四光纤光栅沿感知杆的外圆上周向间隔90°平行布置，所述第五光纤光栅为自由状态的光纤光栅，位于感知杆的内部空心。