趙成均， 莊君剛， 徐樹振， 王敏吉， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

基于光纖Bragg光柵應變傳感器的量測錨桿拉力研究*

趙成均， 莊君剛， 徐樹振， 王敏吉， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500)

由于被錨固結(jié)構(gòu)自身的風化作用和錨桿自身的受力，蠕動變形等會改變錨桿的受力狀態(tài)。為了實時反映錨桿的受力狀態(tài)，將光纖Bragg光柵應變傳感器通過引腳沿軸向焊接在錨桿的桿體上。由于錨桿桿體受力帶動光纖Bragg光柵應變傳感器引腳間距發(fā)生變化，使得應變傳感器內(nèi)的光纖Bragg光柵中心波長發(fā)生移位。通過對光纖Bragg光柵中心波長移位量的測量，可以實現(xiàn)對錨桿軸向拉力的在線監(jiān)測。錨桿拉力試驗表明：拉力靈敏度為6.5 pm/kN，線性度為1.78 %FS。

光纖Bragg光柵； 錨桿； 應變傳感器； 拉力； 波長移位

0 引 言

在結(jié)構(gòu)工程應用中，錨桿在結(jié)構(gòu)承受載荷前的作用是預先對結(jié)構(gòu)體受拉壓的區(qū)域施加一定的應力。錨桿在軸向荷載作用過程中，某段的軸向拉力過大時錨桿很容易被破壞。拉力小于錨桿軸向拉力設計值的10 %時，需要重新施加張拉力[1～4]。因此，需要對錨桿軸向拉力大小和變化過程進行監(jiān)測，比如：柴敬等人直接將光纖Bragg光柵粘貼在錨桿基材上，根據(jù)拉力和應變呈正比關(guān)系，利用光纖Bragg光柵波長的移位量獲取桿體的應變量[5]。由于未經(jīng)封裝的光纖Bragg光柵長期工作應承受不超過3 000×10-6的拉應變，而預應力錨桿長期工作在6 000×10-6～7 000×10-6的環(huán)境下[6,7]。通過直接粘貼光纖光柵測量錨桿桿體軸向應變，光纖Bragg光柵波長變化會超出其測量范圍。

本文設計并加工了一種光纖Bragg光柵管式應變傳感器，通過對錨桿桿體軸向拉力的測量，實現(xiàn)對錨桿受力的在線監(jiān)測。

1 量測錨桿的工作原理

錨桿的桿體采用中空熱軋帶肋螺紋鋼材料制成，當橫截面上的正應力不超過材料的比例極限時，不僅變形是彈性的，而且伸長量與拉力呈正比,通過錨桿桿體拉伸產(chǎn)生的應變量來反映錨桿所受到的軸向拉力。將光纖Bragg光柵封裝在保護管內(nèi)，保護管通過內(nèi)外調(diào)節(jié)螺母之間的引腳與錨桿桿體固定，桿體受拉使引腳支點間距離發(fā)生了變化帶動應變傳感器外管產(chǎn)生一定的應變量，該應變量轉(zhuǎn)換為管內(nèi)光纖Bragg光柵的應變量，從而引起了光纖Bragg光柵中心波長發(fā)生移位。基于光纖Bragg光柵應變傳感器錨桿軸向拉力的測量原理圖，參見圖1。

圖1 基于應變傳感器錨桿拉力的測量原理圖Fig 1 Test principle of anchor bolt tension based on strain sensor

當錨桿桿體軸向受拉時，由于錨桿受到的軸向拉伸力與焊接支點之間量測錨桿與傳感器所受的拉伸力相等，其所受拉應力為

(1)

式中F為量測錨桿軸向施加的拉伸力，A為焊接支點之間量測錨桿與傳感器整體的橫截面積，σ為受到的軸向拉應力。

由于錨桿與應變傳感器保護管具有相同的彈性模量E，根據(jù)胡克定律，軸向拉應力σ與錨桿整體應變ε的關(guān)系可表示為[8]

(2)

式中E為錨桿的彈性模量。將式(2)代入式(1)可得焊接支點之間量測錨桿所受拉力為

F=EAε.

(3)

在錨桿桿體軸向受拉時，帶動光纖Bragg應變傳感器產(chǎn)生軸向應變，應變傳感器結(jié)構(gòu)2個點間距離原長為l，受拉力F作用后長度變?yōu)閘′，引腳2個支點間距的伸長量為

Δl=l′-l.

(4)

應變傳感器結(jié)構(gòu)2個支點間距L1的伸長量會引起應變傳感器保護管的軸向應變，其中支點間距伸長量與軸向應變的關(guān)系為

(5)

當支點之間發(fā)生Δl的軸向伸長量時，則粘貼在帶螺紋的調(diào)節(jié)內(nèi)管之間的光纖軸向伸長量也為Δl，光纖Bragg光柵測量粘接點長度L2時，由應變傳感器保護管軸向應變引起的光纖Bragg光柵應變?yōu)?/p>

(6)

結(jié)合式(5)和式(6)，可以得到光纖Bragg光柵的應變與應變傳感器保護管軸向應變關(guān)系為

(7)

由于光纖Bragg光柵應變傳感器產(chǎn)生軸向應變，使得光纖Bragg光柵應變引起的中心波長移位量為[9～11]

ΔλB=λB(1-Pe)ε1,

(8)

式中λB為光纖Bragg光柵的中心波長，ε1為光纖Bragg光柵的應變，ΔλB為波長移位量，Pe為有效彈光系數(shù),且Pe=0.22。

將式(7)代入式(8)，錨桿整體應變與光纖Bragg光柵的中心波長移位量的關(guān)系可表示為

(9)

管式應變傳感器通過引腳沿軸向焊接在錨桿的桿體上，故焊接支點間量測錨桿整體橫截面積A可表示為

A=A1+A2,

(10)

式中A1為中空錨桿的橫截面積，A2為應變管結(jié)構(gòu)的橫截面積。

將式(10)和式(9)代入式(3)，可得焊接支點之間量測錨桿所受拉力與光纖Bragg光柵的中心波長移位量關(guān)系為

(11)

選用錨桿桿體為熱軋帶肋螺紋鋼HRB335，D=25 mm,d=16 mm、彈性模量E=200 GPa,L=490 mm、極限拉力=200 kN，屈服強度335 MPa，截面積A1=290 mm2，應變管彈性模量E=200 GPa，長L=200 mm，外徑D=14 mm,內(nèi)徑d=4.5 mm，L1=90 mm，L2=150 mm，橫截面積A2=138 mm2；光纖Bragg光柵的中心波長為1 536.000 nm，有效彈光系數(shù)Pe=0.22；將各個已知量代入式(11)，理論計算表明，拉力靈敏度為8.4 pm/kN。

2 應變傳感器和錨桿設計與加工

根據(jù)錨桿的標距，應變測量應在其標距范圍內(nèi)，故設計兩引腳間距小于96 mm，由于未經(jīng)封裝的光纖Bragg光柵長期工作應承受不超過3 000×10-6的拉應變[12～14]，預應力錨桿長期工作在6 000×10-6～7 000×10-6的環(huán)境下。設計應變管外徑為14 mm，內(nèi)徑為4.5 mm，管長為200 mm ，內(nèi)外調(diào)節(jié)螺母之間刻有螺紋，使得螺母間距可以有一定的調(diào)節(jié)范圍，螺母之間設計20 mm×30 mm的引腳與桿體連接時使用，管式應變傳感結(jié)構(gòu)尺寸圖設計，參見圖2，管式應變傳感結(jié)構(gòu)加工實物圖，參見圖3。

圖2 管式應變傳感結(jié)構(gòu)尺寸圖Fig 2 Structure and size map of pipe type strain sensor

圖3 管式應變傳感結(jié)構(gòu)加工實物圖Fig 3 Process physical map of pipe type strain sensor structure

選用錨桿桿體為熱軋帶肋螺紋鋼筋HRB335，D=25 mm,d=16 mm,L=490 mm,極限拉力為120 kN，屈服強度為335 MPa，理論截面積A=290 mm2，實際截面積A=230 mm2，錨桿桿體的實物圖，參見圖4，計算錨桿的標距為96 mm。

圖4 錨桿桿體的實物圖Fig 4 Physical map of anchor bolt

將光纖Bragg光柵的一端穿過管式應變傳感結(jié)構(gòu)，用注射器將管式應變傳感結(jié)構(gòu)光纖出孔中灌滿調(diào)好的環(huán)氧樹脂膠，微調(diào)光纖Bragg光柵的位置，使光纖Bragg光柵處于傳感器中軸線位置并保持與管壁平行，外部光纖用套管保護。風干凝固后將光纖的另一端懸掛一定的重物，既要使光纖Bragg光柵處于預應力狀態(tài)，又不能因為懸掛重物過重使光纖拉斷，觀察中心波長的變化量使其在應變的預估范圍內(nèi)。粘結(jié)牢固后用2塊引腳與錨桿體焊接，焊接時應保護好應變傳感器,以免高溫燒壞光纖引線，管式應變傳感器與錨桿桿體組裝實物圖，參見圖5。

圖5 管式應變傳感器與錨桿桿體組裝實物圖Fig 5 Packaging physical map of anchor bolt and pipe type strain sensor

3 量測錨桿的拉力測試與分析

基于光纖Bragg光柵應變傳感器的錨桿拉力測量系統(tǒng)包括寬帶ASE光源、3dB耦合器、光纖Bragg光柵分析儀、管式應變傳感結(jié)構(gòu)的錨桿、萬能試驗機。錨桿拉力測量系統(tǒng)原理圖，參見圖6。傳感器信號利用跳線與分析儀連接，傳感光柵的波峰值采用可調(diào)諧光纖Fabry-Perot(FFP)濾波器進行解調(diào)，利用峰值檢測法由光電探測器確定反射光的波長值[15]。傳感器信號解調(diào)儀選用北京蔚藍仕科技有限公司BR-H-SLM-010A型光譜分析儀監(jiān)測波長變化，波長解調(diào)范圍為1 525～1 565 nm，分辨率為0.001 nm，掃描頻率為10 kHz。拉力試驗機是用來對材料進行靜載、拉伸、壓縮、彎曲、剪切、剝離等力學性能試驗用的機械加力的試驗機，錨桿拉力試驗選用上海申克試驗機有限公司的WE—1000B型液壓式萬能試驗機，試驗機最大試驗力1 000 kN。

對錨桿進行張拉試驗時，錨桿桿體兩端各留超過110 mm作為張拉機夾持部位，由于夾持過程中拉力較大，避免試驗過程中夾持部位中空導致錨桿體被拉壞，利用硬質(zhì)鐵芯將中空桿體兩端堵實后，將焊接有光纖Bragg光柵應變傳感器的錨桿安裝在萬能試驗機上下夾頭內(nèi)。開啟試驗機，調(diào)節(jié)上下夾頭使之移動到合適位置，由于機械作用帶動活動平臺上升，下夾頭和蝸桿相連，固定不動。上夾頭固定在活動平臺，當上夾頭隨活動平臺上升時，錨桿體便受到拉力作用產(chǎn)生拉伸變形，引起應變傳感器的光纖Bragg光柵中心波長產(chǎn)生移位。

圖6 錨桿拉力測量系統(tǒng)原理圖Fig 6 Tension test system principle of anchor bolt

錨桿張拉試驗加載從0 kN開始，緩慢進行加載，每次加載10 kN，記錄每次加載下的波長值。進行多次加載試驗，取相等拉力下的波長平均值，當拉力加載在0～170 kN時，光纖Bragg光柵的中心波長變化為1 536.513～1 537.612 nm，變化量為1 099 pm，光纖Bragg光柵的中心波長與拉力基本呈線性關(guān)系；當拉力加載在170～200 kN時，光纖Bragg光柵的中心波長變化為1 537.612～1 538.011 nm，共變化了399 pm，中心波長的變化量較明顯，當達到極限200 kN時錨桿被拉斷。可以得到應變傳感器內(nèi)光柵的中心波長值隨著拉力加載的變化曲線圖，參見圖7。在0～170 kN拉力范圍內(nèi)，波長的變化量基本與加載的拉力呈線性關(guān)系，故0～170 kN拉力范圍為有效波長測量數(shù)據(jù)，并根據(jù)測量波長值數(shù)據(jù)按最小二乘法原理繪制出線性擬合直線，可以得到錨桿張拉加載曲線擬合圖，參見圖8。

圖7 錨桿張拉加載曲線圖Fig 7 Curve graph of tension loading of anchor bolt

圖8 錨桿張拉加載曲線擬合圖Fig 8 Curve fitting graph of tension loading of anchor bolt

圖7和圖8表明：進行拉力加載試驗過程中，在0 kN～170 kN拉力范圍內(nèi)，波長的變化量基本與加載的拉力呈線性關(guān)系，可以得到光纖Bragg光柵應變傳感器的靈敏度為6.5 pm/kN，線性度為1.78 %FS。利用管式應變傳感器的減敏結(jié)構(gòu)和錨桿與管式應變傳感器在等拉力的作用下，通過對錨桿整體橫截面積的增加，也使得錨桿的拉力靈敏度降低，因為它們共同減敏的作用，使得應變傳感器內(nèi)的光纖Bragg光柵波長變化量完全滿足預應力錨桿長期工作在6 000×10-6～7 000×10-6環(huán)境下的軸向拉力監(jiān)測要求，通過對傳感器的減敏結(jié)構(gòu)和整體橫截面積的調(diào)整，還能擴大其測量范圍。測試試驗得到的靈敏度與理論計算的靈敏度有1.9 pm/kN的差距，產(chǎn)生此差距的原因可能是在焊接過程中，管式應變傳感結(jié)構(gòu)與錨桿桿體軸線平行度不高，產(chǎn)生一定的夾角，以及焊接時引腳與錨桿桿體連接強度的大小，強度較小時桿體產(chǎn)生的應變量不能完全傳遞給光纖Bragg光柵管式應變傳感器。

4 結(jié) 論

本文設計與加工了一種基于光纖Bragg光柵管式應變傳感器的量測錨桿，建立了測量結(jié)構(gòu)的應變量與錨桿受力大小對應的數(shù)學模型。錨桿拉力試驗表明：拉力靈敏度為6.5 pm/kN，線性度為1.78 %FS。利用管式大應變傳感器結(jié)構(gòu)和等拉力下增加橫截面積來降低拉力靈敏度的方法，使得光纖Bragg光柵波長變化量滿足預應力錨桿長期工作在6 000×10-6～7 000×10-6環(huán)境下的軸向拉力監(jiān)測要求，避免直接粘貼光纖光柵使得波長變化量超出其測量范圍?；诠饫wBragg光柵應變傳感器對錨桿的軸向拉力隨桿體不同分布位置的測量，可以監(jiān)測錨桿拉力沿軸向的分布情況。

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Research on tension of anchor bolt based on fiber Bragg grating strain sensor*

ZHAO Cheng-jun， ZHUANG Jun-gang， XU Shu-zhen， WANG Min-ji， LI Ying-na， LI Chuan

(School of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China )

The stress state of anchor bolt changes because of the weathering of anchoring structure,the stress of the bolt itself,the creep deformation will change stress state of bolt.In order to real-time reflect stress state of stress state of anchor bolt,the fiber Bragg grating strain sensor is welded to the bolt body by pin in an axial direction.The pin distance of fiber Bragg grating strain sensor changes by the stress of the bolt,which makes the fiber Bragg grating center wavelength occur shift inside strain sensor.Through displacement measurement of the fiber Bragg grating center wavelength,on-line monitoring of anchor bolt’s axial tension can be realized.Tension tests of anchor bolt indicate that the sensitivity is 6.5 pm/kN,and the nonlinearity error is 1.78 %FS.

fiber Bragg grating; anchor bolt; strain sensor; tension; wavelength shift

2013—09—15

云南省應用基礎(chǔ)研究計劃資助項目 (2013FZ021)；昆明理工大學人才培養(yǎng)基金資助項目(KKSY201303044)；云南省自然科學基金資助項目 (2007F181M)

TD 322

A

1000—9787(2013)04—0037—04

趙成均(1988-)，男，浙江杭州人，碩士研究生，主要研究方向為光纖Bragg光柵傳感器設計與應用。