CN100494885C - 低温液氦环境中fbg应变传感器应变-波长定标装置 - Google Patents

Abstract

一种低温液氦环境中FBG应变传感器应变—波长定标装置，包括螺旋测微头[13]和悬臂梁支撑平台，其特征是：螺旋测微头[13]及悬臂梁支撑平台置于低温液氦杜瓦[3]中；悬臂梁[6]固定在悬臂梁支撑平台上；螺旋测微头[13]安装在低温液氦杜瓦[3]的杜瓦盖[9]上，螺旋测微头[13]的一端和放置于杜瓦[3]内的用于为悬臂梁[6]施加位移载荷的位移杆[4]相连，二者组成悬臂梁[6]的施力装置；需要定标的FBG应变传感器的光栅传感部分粘贴于悬臂梁[6]上，FBG应变传感器的光纤接口连接于光纤适配器[2]的内端口[14]，光纤适配器[2]的外端口[16]连接一根出射光纤用于将光源信号和传感信号传送至FBG解调仪。悬臂梁底座[18]和悬臂梁支柱[19]为环氧材料制作。

Description

低温液氦环境中FBG应变传感器应变—波长定标装置

技术领域

本发明涉及一种在低温液氦环境下对FBG应变传感器进行定标用的装置。

背景技术

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)应变传感器具有可靠性好、抗电磁干扰、电绝缘、抗腐蚀、体积小、重量轻、灵活方便、能在复杂环境下工作的特点外，还有一些明显优于其他光纤传感器的地方，其中最重要的是具有对波长敏感而对光强不敏感的独特优点，这种波长编码是其他类型传感器所无法相比的特性。

但传统的FBG应变传感器使用范围在室温附近。对于低温例如液氦环境，FBG应变传感器的性能是否发生较大变化，是否会影响其可用性，目前尚处于未知状态。为开展FBG应变传感器在低温液氦环境下的特性研究，需要测出低温液氦环境下该传感器的应变灵敏系数，为此需对低温液氦环境下的FBG应变传感器进行标定，也就是应变—波长标定。

FBG应变传感器的标定需要高精度的力学装置，而在低温液氦环境下，还需要考虑相应的低温环境的要求。

一般情况下，FBG应变传感器标定的目标是根据下面的公式来求取某个温度下FBG应变传感器的应变传感系数。

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_e{\mathrm{\ϵ}}_p---\left(1\right)$

其中，Δλ_B是该温度下Bragg中心波长的偏移量，λ_B是该温度且光栅未受力情况下Bragg中心波长的值，K_e是FBG应变传感器的应变灵敏系数，ε_p是FBG应变传感器感受到的应变。从公式(1)可知，要求应变灵敏系数K_e，定标实验须包含两个较为关键的部分：

一是通过力学装置为FBG应变传感器施加大小可控的应变ε_p。

另一个则是FBG波长量的测量，包括Δλ_B和λ_B。这两个量普遍采用精度较高的FBG波长解调仪进行解调和测量。

所以，FBG应变传感器的定标质量的高低就在于如何为FBG应变传感器施加大小可控的应变。常温附近，普通的力学装置可以满足此要求。例如最常见的悬臂梁装置。通过合理选择光栅粘贴位置，施加重量合适的砝码，可以准确得计算出FBG应变传感器感受到的应变。而在低温环境下，例如液氦温度(4.2K)，若同时考虑到密封和高精度的问题，普通力学装置将难以发挥其作用。以悬臂梁装置为例，日常使用的悬臂梁装置的底座和支柱大多为铸铁材料，并且尺寸较为庞大，这样可增加重量以保证实验过程中整个装置的稳定。而在低温液氦环境中，由于悬臂梁装置是放置于低温液氦杜瓦内部的，其尺寸受到杜瓦的限制。而且若悬臂梁装置的底座和支柱仍然使用铸铁，则在冷却过程中将会消耗大量的冷却介质。

另外，在低温液氦环境下要完成实验，为保证K_e的准确，需要多次测量，这可通过为悬臂梁施加不同重量的砝码来完成。若该装置处于低温液氦杜瓦中，由于杜瓦内部为密闭真空状态，为悬臂梁施加不同的砝码将变得尤其麻烦。即使可以打开杜瓦取出悬臂梁为其施加不同重量的砝码，再抽真空并灌液氦来完成一个固定应变值对应的波长测量，这样也不仅会浪费大量的液氦，并将导致装置的可重用性变得极差。

发明内容

本发明目的是克服现有装置不能满足低温液氦环境下FBG应变高精度定标实验要求的缺陷，提供一种可供低温液氦环境中FBG应变传感器高精度定标实验用的装置。该装置可以满足低温液氦环境下FBG应变高精度定标实验的要求。

本发明为一包括螺旋测微头、悬臂梁支撑平台以及光纤适配器的低温液氦杜瓦装置。在低温液氦杜瓦装置中放置一个悬臂梁支撑平台，力学装置——悬臂梁固定在悬臂梁支撑平台上。悬臂梁支撑平台由一个环氧悬臂梁圆盘底座，一个环氧悬臂梁支柱和一个铝制悬臂梁组成。悬臂梁圆盘底座起固定作用，环氧悬臂梁支柱固定在底座上，而铝制悬臂梁又固定在环氧悬臂梁支柱上。

螺旋测微头安装在低温液氦杜瓦装置的杜瓦盖上，螺旋测微头的一端和放置于杜瓦内的用于为悬臂梁施加位移载荷的位移杆相连，二者组成悬臂梁的加载装置。光纤适配器安装在杜瓦盖上用于连接放置于杜瓦内的FBG光纤传感器和外部传输光纤。

整个装置中，悬臂梁支撑平台和悬臂梁及位移杆位于杜瓦内部，而真空表接头、真空抽头以及低温液体灌输装置是低温液氦杜瓦的必备部件。光纤适配器、螺旋测微头安装在杜瓦盖上，二者和杜瓦盖接触的地方均涂有真空泥等密封材料，故在实验过程中可以保证一定的密封性。

本发明悬臂梁装置的底座和支柱采用环氧材料制作，以减少冷却介质的消耗。

本发明结构简单，精度较高，通过它可以方便地在低温液氦环境下完成FBG应变定标实验。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是本发明组成结构示意图，图1中：1真空表接头、2光纤适配器、3杜瓦、4位移杆、5悬臂梁支撑平台、6悬臂梁、7悬臂梁支撑平台固定拉杆、8杜瓦盖吊环、9杜瓦盖、10杜瓦盖安装螺孔、11真空抽头、12低温液体灌输装置、13螺旋测微头。

图2为光纤适配器的示意图：14光纤适配器内端口、15光纤适配器固定孔、16光纤适配器外端口。

图3为悬臂梁装置示意图：17铝制悬臂梁、18悬臂梁底座、19悬臂梁支柱、20悬臂梁固定螺孔。

图4为螺旋测微头示意图：21测微螺杆、22固定刻度、23可动刻度、24旋钮、25微调旋钮。

具体实施方式

如图1所示，悬臂梁6固定于悬臂梁支撑平台5上，支撑平台5通过固定拉杆7连接在杜瓦盖9上，可方便提取出整体装置。

需要定标的FBG应变传感器的光栅传感部分粘贴于悬臂梁6上，FBG应变传感器的光纤接口连接于光纤适配器2的内端口。光纤适配器2的外端口连接一根出射光纤用于将光源信号和传感信号传送至FBG解调仪。开始定标前，整个实验装置安装完毕后，通过低温液体灌注装置12将低温溶液--液氦灌入杜瓦3直至液氦覆盖整个悬臂梁6。待温度稳定后，可以认为此时杜瓦3内的温度为液氦温度(液氦为4.2K)。

此时可通过螺旋测微头13以带动连接在螺旋测微头13上的位移杆4为悬臂梁6施加位移载荷。

根据悬臂梁力学公式

${\mathrm{\ϵ}}_p=\frac{3\mathrm{hy}}{2L^2}---\left(2\right)$

其中y是梁的厚度，h是位移杆4的位移量。L是位移杆4到光纤粘贴处的距离。ε_p是光栅感受到的应变。通过螺旋测微头13来控制h的大小，故可得到对应ε_p的值。

由于Δλ_B和λ_B通过出射光纤由外接的FBG解调仪进行测量，FBG解调仪的波长分辨精度为1pm，而ε_p可通过公式(1)计算获得。这样就可以求得低温液氦环境下的FBG应变灵敏系数K_e。

螺旋测微头13的位移精度达到0.01mm，可以满足定标实验对精度的要求，另外由于该装置将施力部分放置于杜瓦内部，通过螺旋测微头13带动位移杆4的上下移动来控制悬臂梁17端部的位移从而在悬臂梁17上造成不同的应变。实际选购部件时，螺旋测微头13的位移量程可由定标实验的要求来决定。

真空表接头1可安装真空表，用于判断整体装置的真空密封性。

杜瓦盖9吊环8用于方便杜瓦盖9的拆卸。

杜瓦盖安装螺孔10用于将杜瓦盖固定在杜瓦3上。

真空抽头11可安装抽真空机，为杜瓦3抽真空。

如图2所示，光纤适配器内端口14用于连接FBG应变传感器，内端口14朝向杜瓦3内。光纤适配器固定孔15通过螺丝将光纤适配器2安装在杜瓦盖9上。光纤适配器外端口16用于将出射光纤连接至FBG解调仪。外端口朝向杜瓦3外。光纤适配器内外端口结构相同。光纤适配器2采用市面上提供的标准规格的产品。

如图3所示，铝制悬臂梁17可在位移杆4的控制下发生形变，从而为FBG应变传感器提供可控的应变。悬臂梁底座18为环氧材料制作而成，作为悬臂梁6的支撑和稳定作用。悬臂梁支柱19为环氧材料制作而成，用于支撑铝制悬臂梁17。悬臂梁固定螺孔20用于将铝制悬臂梁17固定在悬臂梁支柱19上。

图4所示为螺旋测微头，包括测微螺杆21、固定刻度22、可动刻度23、旋钮24、微调旋钮25等部件。

Claims (3)

1.一种低温液氦环境中FBG应变传感器应变—波长定标装置，其特征是：包括螺旋测微头[13]、悬臂梁支撑平台以及光纤适配器[2]；悬臂梁支撑平台置于低温液氦杜瓦[3]中，悬臂梁[6]固定在悬臂梁支撑平台上，螺旋测微头[13]安装在低温液氦杜瓦[3]的杜瓦盖[9]上；螺旋测微头[13]的一端和放置于杜瓦[3]内的用于为悬臂梁[6]施加位移载荷的位移杆[4]相连，二者组成悬臂梁[6]的施力装置；需要定标的FBG应变传感器的光栅传感部分粘贴于悬臂梁[6]上，FBG应变传感器的光纤接口连接于光纤适配器[2]的内端口[14]，光纤适配器[2]的外端口[16]连接一根出射光纤用于将光源信号和传感信号传送至FBG解调仪；光纤适配器[2]和螺旋测微头[13]分别与杜瓦盖[9]接触的地方均涂有真空泥。

2.根据权利要求1所述的低温液氦环境中FBG应变传感器应变—波长定标装置，其特征是光纤适配器内端口[14]朝向杜瓦[3]内，光纤适配器外端口[16]朝向杜瓦[3]外，光纤适配器[2]的内外端口结构相同。

3.根据权利要求1所述的低温液氦环境中FBG应变传感器应变—波长定标装置，其特征是悬臂梁支撑平台[5]包括悬臂梁圆盘底座[18]和悬臂梁支柱[19]；悬臂梁[6]为铝制，固定在悬臂梁支柱[19]上；悬臂梁圆盘底座[18]和悬臂梁支柱[19]为环氧材料制作。

Images