一种分布式光纤形变拉伸仪及测试方法.pdf

1、10申请公布号CN104132622A43申请公布日20141105CN104132622A21申请号201410326618722申请日20140710G01B11/1620060171申请人河海大学地址210000江苏省无锡市西康路1号72发明人苏怀智杨孟田始光范振东74专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司32200代理人张惠忠54发明名称一种分布式光纤形变拉伸仪及测试方法57摘要本发明涉及一种分布式光纤形变拉伸仪，具体涉及一种针对光纤处于不同拉伸状态下实际应用能力以及模拟实际应用的一种形变拉伸装置。分布式光纤形变拉伸仪包括拉伸系统，光纤承载平台；拉伸系统与光纤承载平台相连。解决了常规

2、的光纤形变拉伸测试装置不能简单、准确且多工况下监测分布式光纤传感性能的缺点，本测试装置能简单有效地控制加载进度，通过最终建立的可移动灵巧式拉伸平台可以开展模拟裂缝开度发展、小应变监测以及变角度变高程多工况的基础应用研究，避免了一些室内模拟试验中光纤成活率低、模型制作周期长、效果差以及费用高等问题，进而可以研究分布式光纤监测技术在复杂荷载条件及多种工况形式上的变形机理以及组合机理。51INTCL权利要求书2页说明书6页附图4页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图4页10申请公布号CN104132622ACN104132622A1/2页21一种分布式光纤形变

3、拉伸仪，其特征在于包括拉伸系统，光纤承载平台；所述的拉伸系统与光纤承载平台相连；拉伸系统包括前支撑钢板（1）、活动钢板（2）、后支撑钢板（3）、连接横柱（4）、手柄连接盘（9）、转动手柄（10）、固定用横柱（11）、刻度（12）、带螺纹式转动横柱（16）；所述的前支撑钢板（1）与后支撑钢板（3）之间垂直布置连接横柱（4）与固定用横柱（11），前支撑钢板（1）与后支撑钢板（3）之间设有活动钢板（2）；带螺纹式转动横柱（16）贯穿前支撑钢板（1），螺纹式转动横柱（16）的一端与活动钢板（2）螺纹连接、另一端设有转动手柄（10），转动手柄（10）通过手柄连接盘（9）与带螺纹式转动横柱（16）连接；连

4、接横柱（4）上设有刻度（12）；光纤承载平台包括带刻度式钢立柱（6）、可调角度式放置台（7）、拉伸端夹具（8）、固定端夹具（13）；所述的带刻度式钢立柱（6）布置在后支撑钢板（3）的顶端，后支撑钢板（3）的顶端还设有固定端夹具（13）；可调角度式放置台（7）布置在活动钢板（2）的顶端，可调角度式放置台（7）上设有拉伸端夹具（8），拉伸端夹具（8）与固定端夹具（13）之间放置光纤（37）。2根据权利要求1所述的分布式光纤形变拉伸仪，其特征在于所述的固定端夹具（13）套置在带刻度式钢立柱（6）上，沿带刻度式钢立柱（6）延伸方向滑动。3根据权利要求1所述的分布式光纤形变拉伸仪，其特征在于所述的可调角

5、度式放置台（7）包括带刻度圆盘（17）与螺纹式钢柱（18）组成；所述的带刻度圆盘（17）下方布置螺纹式钢柱（18），带刻度圆盘（17）盘面上设有若干个刻度圆孔，刻度圆孔以带刻度圆盘（17）圆心为中心沿圆周排列。4根据权利要求1所述的分布式光纤形变拉伸仪，其特征在于还包括测温室（14）；所述的测温室（14）布置在前支撑钢板（1）上。5根据权利要求4所述的分布式光纤形变拉伸仪，其特征在于所述的测温室（14）内设有温度计保护层（27）将温度计（28）固定及保护于测温室（14）中，通过按压测温室螺栓帽（24）将带弹簧（25）的尖头螺杆（26）压置于带螺纹卡扣（29）中，带动测温室门板（40）的转动闭合

6、。6根据权利要求1所述的分布式光纤形变拉伸仪，其特征在于所述拉伸端夹具（8）包括拉伸端夹具支撑台（23），螺纹式钢柱二（19），拉伸端夹具转动横柱（20），拉伸端夹具转动手柄（21）；带刻度式光纤夹具一（22）；所述的拉伸端夹具支撑台（23）内设有凹槽，凹槽内设有两块带刻度式光纤夹具一（22），拉伸端夹具转动横柱（20）从拉伸端夹具支撑台（23）的两端延伸入凹槽内分别与带刻度式光纤夹具一（22）连接，拉伸端夹具转动横柱（20）上设有拉伸端夹具转动手柄（21）；拉伸端夹具支撑台（23）下端设有螺纹式钢柱二（19）。7根据权利要求1所述的分布式光纤形变拉伸仪，其特征在于所述的固定端夹具（13）包括

7、钢板掐扣（30），掐扣螺栓（31），固定端夹具转动横柱（33），固定端夹具转动手柄（34），带刻度式光纤夹具二（35），固定端夹具支撑台（36）；固定端夹具支撑台（36）中心设有凸台，凸台内设有凹槽，凹槽内布置带刻度式光纤夹具二（35），固定端夹具转动横柱（33）延伸入凸台内的凹槽，固定端夹具转动横柱（33）一端与带刻度式光纤夹具二（35）连接、另一端布置固定端夹具转动手柄（34）；固定端夹具支撑台（36）的底端延伸出两支脚，两支脚的两端设有钢板掐扣（30），钢板掐扣（30）通过掐扣螺栓（31）与固定端夹具支撑台权利要求书CN104132622A2/2页3（36）固定。8如权利要求1所述的分布

8、式光纤形变拉伸仪的测试方法，其特征在于测试步骤如下步骤一装配、调试设备构建及调整固定端夹具（13）和拉伸端夹具（8）的高度和角度；步骤二根据试验中待拉伸光纤（37）的起始标距以及带刻度式连接横柱（12）上的刻度，转动转动手柄（10）将带螺纹式转动横柱（16）转动到与起始标距一致的长度；步骤三将待拉伸光纤（37）按照试验目的布设于固定端夹具（13）和拉伸端夹具（8）中，将拉伸端夹具（8）和固定端夹具（13）保持水平，并且通过拉伸端夹具转动手柄（21）和固定端夹具转动手柄（34）将其微调固定；步骤四将拉伸光纤（37）端口顺接到光纤光信息采集装置上，并按照设定的试验要求施加拉伸荷载；步骤五通过测温室

9、（14）记录试验中的温度变化，对于环境温度差异过大或者室内需长时间保持拉伸状态等温度影响不可忽略的情况，可根据测温室（14）所监测到的光纤温度变化结合光纤温度影响系数确定因为环境温度变化所引起的光纤应变值，进而扣除外界温度对光纤的影响，实现光纤温度补偿过程；步骤六通过转动转动手柄（10）带动带螺纹式转动横柱（16）转动，通过螺纹转动进而带动活动钢板平台（2）的移动，进而带动拉伸端夹具的移动，使得光纤随之拉伸变形；步骤七使用测温室（14）监测温度结果，根据公式最终计算出因为外界拉伸荷载所引起的形变量值。权利要求书CN104132622A1/6页4一种分布式光纤形变拉伸仪及测试方法技术领域0001

10、本发明涉及一种分布式光纤形变拉伸仪及测试方法，具体涉及一种针对光纤处于不同拉伸状态下实际应用能力以及模拟实际应用的一种形变拉伸装置。背景技术0002分布式光纤传感技术作为一种新型传感技术其应用领域不断扩展，光纤良好的传感性能是保证光纤结构健康监测的必要条件，光纤拉伸变形是分布式光纤监测系统传感性能可靠性的重要指标。光纤在实际工程应用中因其材料本身性能原因存在存活率差的不足，因此对于其实际应用中光纤的变形破坏等过程无法追踪观测，即使室内试验也因成活率低、模型周期长和装置过于粗简等原因对其分析研究缺少全面性、准确性和时效性，因此高效精确的重复性试验以及方便模拟多工况的复杂环境是研究分布式光纤一个极

11、为关键的核心技术，需要设计一种量程较小、精确和容易控制的形变拉伸设备。0003随着结构健康监测技术小型化、分布式方向的发展，其监测结构体微小变形的能力被越来越被重视。目前光纤的拉伸伺服试验机，价格昂贵、操作复杂、占据空间大且仅能进行单一材料性能拉伸试验，较难精确进行监测能力的拉伸试验，尤其不能模拟实际应用中多工况下光纤的变形过程，阻碍了对其更多基础研究和应用推广。现阶段，与分布式光纤监测技术配套，进行多元化、系统化、多工况精确拉伸试验的装置与测试技术尚属空白。发明内容0004本发明针对上述不足提供了一种分布式光纤形变拉伸仪及测试方法。0005本发明采用如下技术方案本发明所述的一种分布式光纤形变

12、拉伸仪，包括拉伸系统，光纤承载平台；所述的拉伸系统与光纤承载平台相连；拉伸系统包括前支撑钢板、活动钢板、后支撑钢板、连接横柱、手柄连接盘、转动手柄、固定用横柱、刻度、带螺纹式转动横柱；所述的前支撑钢板与后支撑钢板之间垂直布置连接横柱与固定用横柱，前支撑钢板与后支撑钢板之间设有活动钢板；带螺纹式转动横柱贯穿前支撑钢板，螺纹式转动横柱的一端与活动钢板螺纹连接、另一端设有转动手柄，转动手柄通过手柄连接盘与带螺纹式转动横柱连接；连接横柱上设有刻度；光纤承载平台包括带刻度式钢立柱、可调角度式放置台、拉伸端夹具、固定端夹具；所述的带刻度式钢立柱布置在后支撑钢板的顶端，后支撑钢板的顶端还设有固定端夹具；可调

13、角度式放置台布置在活动钢板的顶端，可调角度式放置台上设有拉伸端夹具，拉伸端夹具与固定端夹具之间放置光纤。0006本发明所述的分布式光纤形变拉伸仪，所述的固定端夹具套置在带刻度式钢立柱上，沿带刻度式钢立柱延伸方向滑动。0007本发明所述的分布式光纤形变拉伸仪，所述的可调角度式放置台包括带刻度圆盘与螺纹式钢柱组成；所述的带刻度圆盘下方布置螺纹式钢柱，带刻度圆盘盘面上设有若干说明书CN104132622A2/6页5个刻度圆孔，刻度圆孔以带刻度圆盘圆心为中心沿圆周排列。0008本发明所述的分布式光纤形变拉伸仪，还包括测温室；所述的测温室布置在前支撑钢板上。0009本发明所述的分布式光纤形变拉伸仪，所述

14、的测温室内设有温度计保护层，将温度计固定及保护于测温室中，通过按压测温室螺栓帽将带弹簧的尖头螺杆压置于带螺纹卡扣中，带动测温室门板的转动闭合。0010本发明所述的分布式光纤形变拉伸仪，所述拉伸端夹具包括拉伸端夹具支撑台，螺纹式钢柱二，拉伸端夹具转动横柱，拉伸端夹具转动手；带刻度式光纤夹具一；所述的拉伸端夹具支撑台内设有凹槽，凹槽内设有两块带刻度式光纤夹具一，拉伸端夹具转动横柱从拉伸端夹具支撑台的两端延伸入凹槽内分别与带刻度式光纤夹具一连接，拉伸端夹具转动横柱上设有拉伸端夹具转动手；拉伸端夹具支撑台下端设有螺纹式钢柱二。0011本发明所述的分布式光纤形变拉伸仪，所述的固定端夹具包括钢板掐扣，掐扣

15、螺栓，固定段夹具转动横柱，固定段夹具转动手柄，带刻度式光纤夹具二，固定端夹具支撑台；固定端夹具支撑台中心设有凸台，凸台内设有凹槽，凹槽内布置带刻度式光纤夹具二，固定段夹具转动横柱延伸入凸台内的凹槽，固定段夹具转动横柱一端与带刻度式光纤夹具二连接、另一端布置固定段夹具转动手柄；固定端夹具支撑台的底端延伸出两支脚，两支脚的两端设有钢板掐扣，钢板掐扣通过掐扣螺栓与固定端夹具支撑台固定。0012分布式光纤形变拉伸仪的测试方法，测试步骤如下步骤一装配、调试设备构建及调整固定端夹具13和拉伸端夹具8的高度和角度；步骤二根据试验中待拉伸光纤的起始标距以及带刻度式连接横柱上的刻度，转动转动手柄将带螺纹式转动横

16、柱转动到与起始标距一致的长度；步骤三将待拉伸光纤按照试验目的布设于固定端夹具和拉伸端夹具中，将拉伸端夹具和固定端夹具保持水平，并且通过拉伸端夹具转动手柄和固定端夹具转动手柄将其微调固定；步骤四将拉伸光纤连接到基于预泵浦布里渊光时域分析技术的光纤形变监测仪上，并按照试验要求施加拉伸荷载；步骤五通过测温室记录试验中的温度变化，对于环境温度差异过大或者室内需长时间保持拉伸状态等温度影响不可忽略的情况，可根据测温室所监测到的光纤温度变化结合光纤温度影响系数确定因为环境温度变化所引起的光纤应变值，进而扣除外界温度对光纤的影响，实现光纤温度补偿过程。0013步骤六通过转动转动手柄带动带螺纹式转动横柱转动，

17、通过螺纹转动进而带动活动钢板平台的移动，进而带动拉伸端夹具的移动，使得光纤随之拉伸变形；步骤七使用测温室监测温度结果，基于光纤布里渊频移的变化与温度的变化有关，且有较好的线性关系，用公式表示为，即可以写成，其中，、为温度为T及T0时的布里渊频移量，为布里渊说明书CN104132622A3/6页6温度系数，即为试件光纤被拉伸段温度的变化量值，为因温度变化所引起布里渊频移变化量；利用上述公式可以计算出此时的光纤因外界温度引起的布里渊频移量值，进而根据可以得出，进而可得出，最终可以得出，最终计算出因为外界拉伸荷载所引起的形变量值，其中，为因温度和应变变化所引起布里渊频移变化量，为因应变变化所引起布里

18、渊频移变化量，为应变系数，为被引起应变量值。0014有益效果本发明解决了常规的光纤形变拉伸测试装置不能简单、准确且多工况下监测分布式光纤传感性能的缺点，本测试装置能简单有效地控制加载进度，通过最终建立的可移动灵巧式拉伸平台可以开展模拟裂缝开度发展、小应变监测以及变角度变高程多工况的基础应用研究，避免了一些室内模拟试验中光纤成活率低、模型制作周期长、效果差以及费用高等问题，进而可以研究分布式光纤监测技术在复杂荷载条件及多种工况形式上的变形机理以及组合机理，其可以推广到实际工程应用中。0015利用本测试仪器结合预泵浦布里渊分布式光纤传感技术实现了结构体的小应变以及微小应变监测，借助于本发明装置对于

19、分布式光纤性能等各项研究具有重要意义，其具有轻巧、灵便、低制造成本、受外界干扰小、可组合工况多、使用范围广等优势。附图说明0016图1为本发明的形变拉伸装置的主视图；图2为本发明的形变拉伸装置中可调角度式放置台细部结构图；图3为本发明的形变拉伸装置中拉伸端夹具细部结构图；图4为本发明的形变拉伸装置中测温室细部结构图；图5为本发明的形变拉伸装置中固定端夹具细部结构图。0017图中，1是前支撑钢板平台；2是活动钢板平台；3是后支撑钢板平台；4是连接横柱；5是横柱螺栓帽；6是带刻度式钢立柱；7是可调角度式放置台；8是拉伸端夹具；9是手柄连接盘；10是转动手柄；11是固定用横柱；12是刻度；13是固定

20、端夹具；14是测温室；15是固定用横柱螺栓帽；16是带螺纹式转动横柱；17是带角度式圆盘，18是螺纹式钢柱1；19是螺纹式钢柱二；20是拉伸端夹具转动横柱；21是拉伸端夹具转动手柄；22是带刻度式光纤夹具一；23是拉伸端夹具支撑台；24是测温室螺栓帽；25是弹簧；26是尖头螺杆；27是温度计保护层；28是温度计；29是带螺纹卡扣；30是钢板掐扣；31是掐扣螺栓；32是掐扣螺栓帽；33是固定端夹具转动横柱；34是固定端夹具转动手柄；35是带刻度式光纤夹具二；36是固定端夹具支撑台；37是待拉伸光纤，40是测温室门板。说明书CN104132622A4/6页7具体实施方式0018下面结合附图对本发明

21、进一步详细说明如图所示一种分布式光纤形变拉伸仪及测试方法，它是由拉伸系统以及光纤承载平台两大部分组成，其中，拉伸系统的主要组成部分为前支撑钢板1、活动钢板2、后支撑钢板3、连接横柱4、横柱螺栓帽5、手柄连接盘9、转动手柄10、固定用横柱11、刻度12、固定用横柱螺栓帽15、带螺纹式转动横柱16等；光纤承载平台的主要组成部分为带刻度式钢立柱6、可调角度式放置台7、固定端夹具13、拉伸端夹具8等；前支撑钢板1、活动钢板2和后支撑钢板3上分布有不同尺寸的圆孔，将连接横柱4和带刻度式连接横柱12分别横穿于前支撑钢板1、活动钢板2和后支撑钢板3的顶端圆孔，使用固定用横柱11将前支撑钢板1和后支撑钢板3连

22、接，并且使用横柱螺栓帽5和固定用横柱螺栓帽15将其各自固定，使用带螺纹式转动横柱16连通前支撑钢板1和活动钢板2，带螺纹式转动横柱16通过手柄连接盘9与转动手柄10相连接，将可调角度式放置台7以及带刻度式钢立柱6分别固定于活动钢板2和后支撑钢板3，将待拉伸光纤37放置于拉伸端夹具8以及固定端夹具（13）处。0019各组件均可以进行自由组装和拆卸，以方便更换和进一步地改装试验。对于可调角度式放置台7可以在其他试验要求时更换成其他类型的放置台以备完成各种试验不同的需求。带刻度式连接横柱12用来标示待拉伸光纤37的基本物理尺寸。0020本测试装置不但可以测试水平向的光纤拉伸，还可以测试不同高程上倾斜

23、拉伸。通过掐扣螺栓31将固定端夹具13的钢板掐扣30连接于带刻度式钢立柱6，并且使用掐扣螺栓帽32将其固定。带刻度式钢立柱6上根据固定位置不同可以实现不同高程上倾斜拉伸，在固定端夹具13与后支撑钢板平台3相接触的位置为光纤水平拉伸处。0021本测试装置还可以进行光纤不同方向上的拉伸测试。可调角度式放置台7上布设有标示0360间隔45的8个角度圆孔，在圆盘中心处设置中心圆孔，其为光纤水平拉伸位置处。可调角度式放置台7是由带角度式圆盘17和螺纹式钢柱一18组成。对于不同试验的要求，可以将拉伸端夹具8通过螺纹式钢柱二19将其固定于不同角度圆孔处。可以模拟光纤实际应用中局部受到水平拉伸或者可能存在的不

24、同倾斜方向以及不同角度上的形变拉伸状态。0022调整活动钢板2与后支撑钢板3之间的距离，实现裂缝监测过程的模拟。而传统通过制作模型将光纤铺设于其中进而监测裂缝的方法，其存在单试件不可重复性、模型制作周期长及费用高等问题。使用带刻度式连接横柱12事先标定好活动钢板2与后支撑钢板3之间的距离，并将其作为裂缝初始值，再使用转动手柄10将其距离拉开时可以模拟裂缝不断扩大直至光纤被过大的裂缝开度所拉断而破坏的过程，结合使用可调角度式放置台7可以模拟光纤不同角度横穿裂缝时的变形机理。0023本测试装置利用测温室14可以监测环境量温度的变化。在分析计算光纤拉伸应变时，可以将测温室14的监测结果作为温度补偿计

25、算使用。温度计保护层27将温度计28固定及保护于测温室14中，通过按压测温室螺栓帽24将带弹簧25的尖头螺杆26压置于带螺纹卡扣29中，带动测温室门板40的转动闭合，其可以对测温室14起到保护隔离的效果。说明书CN104132622A5/6页80024本测试装置的固定端夹具13和拉伸端夹具8有所不同，对于固定端夹具13其为具有一定高度的固定端夹具支撑台36外接带刻度式光纤夹具二35，通过固定端夹具转动手柄34旋转固定端夹具转动横柱33微调其宽度，且外接带刻度式光纤夹具二35内表面进行了切槽处理以及中心刻度的标示。拉伸端夹具8通过拉伸端夹具支撑台23安置带刻度式光纤夹具一22，通过拉伸端夹具转动

26、手柄21旋转拉伸端夹具转动横柱20微调其宽度，并且通过螺纹式钢柱二19将其固定于带角度式圆盘17上。0025本实施例将以SMF28E普通单模光纤作为待拉伸光纤37为例，测试形变拉伸条件下分布式光纤变形性态的测试方法步骤一装配、调试设备构建及调整固定端夹具13和拉伸端夹具8的高度和角度。0026步骤二根据试验中待拉伸光纤37的起始标距以及带刻度式连接横柱12上的刻度，转动转动手柄10将带螺纹式转动横柱16转动到与起始标距一致的长度。0027步骤三将待拉伸光纤37按照试验目的布设于固定端夹具13和拉伸端夹具8中，将拉伸端夹具8和固定端夹具13保持水平，并且通过拉伸端夹具转动手柄21和固定端夹具转动

27、手柄34将其微调固定。0028步骤四将拉伸光纤37端口顺接到光纤光信息采集装置上，并按照设定的试验要求施加拉伸荷载；步骤五通过测温室14记录试验中的温度变化，对于温度差异过大的情况或者室内需要长时间保持拉伸状态下的试验需要考虑温度补偿效应。0029步骤六通过转动转动手柄10带动带螺纹式转动横柱16转动，通过螺纹转动进而带动活动钢板平台2的移动，进而带动拉伸端夹具的移动，使得光纤随之拉伸变形，并且通过基于预泵浦布里渊光时域分析的光纤监测技术监测其拉伸变形量。0030步骤七使用测温室14监测温度结果，基于光纤布里渊频移的变化与温度的变化有关，且有较好的线性关系，用公式表示为，即可以写成，其中，为因

28、温度变化所引起布里渊频移变化量，、分为温度以及初始温度下的布里渊频移的量值，为温度系数，即为试件光纤被拉伸段温度的变化量值，利用上述公式可以计算出此时的光纤因外界温度引起的布里渊频移量值，进而根据可以得出，进而可得出，最终计算出因为外界拉伸荷载所引起的形变量值，其中为应变系数，为被引起应变量值。0031如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释说明书CN104132622A6/6页9为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。说明书CN104132622A1/4页10图1说明书附图CN104132622A102/4页11图2图3说明书附图CN104132622A113/4页12图4说明书附图CN104132622A124/4页13图5说明书附图CN104132622A13