CN1016100B

CN1016100B - 微弯光纤应力计

Info

Publication number: CN1016100B
Application number: CN 87107210
Authority: CN
Inventors: 约翰·W·伯索德; 斯达特·E·兑得
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1986-10-30
Filing date: 1987-10-29
Publication date: 1992-04-01
Also published as: AU7889487A; GB8719390D0; CN87107210A; IN167564B; GB2196735B; GB2196735A; AU598858B2; CA1299389C; JPS63117205A

Abstract

一种微弯应力计，包含两块具有相对的、互相错开的波纹表面的板，和一根夹在两块板之间的信号光纤。光纤上覆有涂层，由光纤的一端送入光信号，在其另一端用光传感器读出光信号。对光的调制主要来源于由板给光纤施加的压力差。第二根光纤，参考光纤，在信号光纤附近被暴露在相同的热条件下：用参考光纤的光信号与传过信号光纤的光信号比较，可以抵消温度变化所导致的光信号的温度误差。铝、聚酰亚胺或金涂层提高了光纤的耐温能力。

Description

一般来说，本发明与应力计有关，特别是与一种新型有用的微弯光纤应力计有关;这种应力计使用了一根覆有涂层的光纤，这样光纤被固定在两块波纹板之间并受到弯曲;还使用了一根参考光纤，参考光纤被暴露在与前一根光纤同样的热环境中，但没有被固定在两块波纹板之间。

已经开发了许多种应力计，用来测量结构负载，以便验证单独部件或整体结构设计得是否得当。现有的应力计包括箔、薄膜或线电阻装置，这些装置被粘或焊在被测样品上。加在样品上的负荷会使样品、以及粘在样品上的应力计受到拉伸、压缩或扭曲。在应力计上产生的应力使它的电阻发生变化。如果用应力计电阻做为温斯顿电桥的一臂，则电桥会变得不平衡，所产生的电压将正比于在应力计上感应出的应力大小。这种方法是目前使用的应力计测量的基础。

但是，当需要在高温下进行应力测量时会遇到困难。例如，应力计和样品的热膨胀不同，使应力计受到应力;这种应力用掉了相当大的量程，从而掩盖了需要测量的由负载所引起的应力。更进一步，要进行准确和可靠的测量，电阻应力计的使用温度一般都限制在约315℃（约600°F）以下。超过这一温度，物理和金属学的效应，如合金分解、相变、选择氧化和扩散，将使应力计的输出产生有很大不可重复性的、不可预测的变化，经常使应力计或引线系统过早失灵。

目前，对于温度超过315℃的准确和可靠的应力测量，还没有一种满意的方法。需要一种可靠、稳定的应力计，它能够在这种高温下工作;并且能使与被测样品的热膨胀相匹配，以便在低温时就能将应力计粘在样品上。

在测量结构条，如长支杆的伸长时，也会遇到与测量应力时遇到的相似的困难。在较温和的条件下，如能够产生自由振动，伸长可能会随时间缓慢地变化。这种情况要求伸长传感器能进行基本上是直流的测量。因此，传感器的漂移必须很小。

当结构条被置于恶劣条件下时，情况就更复杂了。

在高性能的飞机中，为了提高燃料效率，发动机性能和总体可靠性，需要能在飞行中监测发动机进口、出口情况的装置。这种装置必须能承受恶劣的发动机条件，其中包括高温运行条件和振动。光纤和光传感方法已被应用于许多恶劣环境下的测量，其中包括位移，速度、应力、流量、温度、粒度分布、气体成份和发生性。这些光传感方法也可用来在恶劣条件下测量压力。

还可设计光传感器，使它能在高温、或强电磁场中工作。

本发明描述了一个应力计;应力计使用一对波纹板;波纹板上有波纹，相对放置，相隔一定间距;一根覆有涂层的光纤被夹在上述相对的波纹表面中，并被波纹弯曲，弯曲程度取决于将两块板推向一起的附加力的大小;因此，通过光纤的光受到的调制，取决于两块板所受到的压力。

本发明的一个方面是，做为应力计的一部分，包括一根附加光纤，它的结构与上述第一根光纤的完全相同，但没有被夹在两块板中，第二根光纤与第一根光纤相距很近，这样使它们暴露在相同的温度条件下;由第二根光纤中传过并受到它调制的光，与由第一根光纤中传过并受到它调制的光一起，被用来产生热一机械偏差修正值。

通过在玻璃光纤上覆上铝或聚酰亚胺涂层，可以得到能在高达约427℃（约800°F）条件下使用的应力计。通过在玻璃光纤上覆上金涂层，使用温度范围可扩展到约540℃（约1000°F）。

本发明的另一方面是提供了一种设计简单、结构坚固、制造经济和抗恶劣环境的应力计。

本发明的各种独特特点具体地在权利要求中指出;权利要求附在本文之后并构成本文的一部分。为了更好的理解本发明、它的操作优点和特殊应用结果，对附图做了说明，并结合推荐实施例进行了描述。

在附图中：

图1是本发明中应力计最简单形式的截面侧视图。

图2是方框图，表示使用信号光纤和参考光纤的本发明中的应力计。

图3是本发明中负载随光纤位移的变化，光纤有两个空间弯曲。

图4是应力计输出电压随应力计中板的位移的变化。

图5是本发明微弯应力计相对于一个参考应力计的定标图。

图6是截面侧视图，表示位于待测应力样品的狭槽中的本发明应力计。

图1画出了微弯光纤应力计。其中使用的玻璃、玻璃光纤10具有下列参数：

芯直径 125μm

包层直径 170μm

数值孔径 0.2

缓冲涂层厚度为40μm的铝或聚酰亚胺

总直径 250μm

其中，1μm＝10⁶米

具有上述涂层的光纤结实、坚固、张力强度在100，000磅/平方英寸以上。微弯传感器是一种光强度传感器;因此，使用很简单的光电器件。应力计由上述光纤10组成，光纤被夹在波纹板12与14之间，波纹板的制作材料与被测样品的材料相同。被测样品应力的变化改变了板的间距，从而改变了在夹持点发出的光强度。波纹间隔约为3mm。一块板12上有两个波纹15，另一块与它相对的板有三个波纹18;使光纤10有两个空间正弦弯曲。光纤在两块板中被预加载（附加压力），使光纤弯曲的峰-峰幅度约为300μm。在这种结构中，微弯传感器的灵敏度和重复性可达到0.006μm。在这种预加载下，波纹板位移随负载的变化非常接近线性，如图3所示。还应注意到，由图4可见，微弯传感器的输出信号被波纹板位移的线性关系。

图5所示是在微弯光纤应力计得到的性能数据。微弯应力计相对于参考应力计定标。

可以用几种不同方法，将微弯传感器的两块板12和14与被测样品连接在一起。这些方法中包括将两端21和22焊在或粘在被测样品上。有一种破坏性较小的方法，在被测样品表面上开一个狭槽，将板插入槽中。图6中，被测样品20上开有狭槽26，在槽中放入板12和14。两块板被它们的背面23和24推向一起。选择连接方法时，应使被测样品的结构特性和静态、动态响应改变最小。

曾经用微弯传感器进行加速动态寿命测试，测得寿命在一百万次以上，峰值位移为25μm。这些测试以20KHz的频率进行，这也显示了微弯传感器的高频响应能力。

微弯传感器使用价格低廉的普通光电器件，其中包括发光二极管（LED），在图2中标作30，和硅光电探测器40。用脉冲调制发光二极管，并且用CMOS集成电路对光探测器的信号进行检测和放大，每个传感器的平均电功率消耗可小于12毫瓦。

如上文描述和图1所示的那样，微弯传感器可以通过两块板的附加位移实现预加载，从而使波纹16和18彼此交错;交错量应大于或等于光纤直径，或大于所期待的最大伸长。当板受热时，可以计算出波纹峰间距随温度的变化。另外，也容易证明，对每块板来说，波纹峰-峰间隔随温度的变化对传感器输出信号的影响可以忽略不计。在实践中，希望微弯波纹板很好的对正，使波纹峰位于所需要的+13μm预加载位移量之内。在这种情况下，由于位置误差产生的热伸长（△L）τ的最严重的数值是：

（△L）τ＝Lα△T

代入数值，△T是所要求的工作温度范围400℃，α对于典型的钛合金来说是8.5×10^-6/℃，L是位置误差13μm，从而得到热伸长误差为

（△L）＝（13）（8.5×10^-6）（400）＝0.04μm

这样，对于长度为1cm的应力计来说，产生的热误差是（4μ）应力，其中，1μ应力＝1μm/m。

除了上述的对热一机械偏差的补偿外，还要对光纤的光传输以及光源强度的变化和光探测器输出灵敏度的漂移进行补偿。本发明使用图2所示的方法成功地补偿了这些变化。如图2所示，第二根光纤11（参考光纤）与信号光纤10并行放置，信号光纤10被夹在两块波纹板（没在图2中画出）中间。参考光纤11没有被夹在板之间，但沿它的长度方向承受着与信号光纤相同的热环境。

本发明的一个主要优点是，微弯应力计使板12和14与被测衬底材料的热膨胀系数能得到匹配。这一点在普通应力计，如电阻应力计中是做不到的，这一优点具有下述效果：1）扩大了温度范围，2）减小了应力计的热输出。

图3～5所示是不锈钢板得到的测试数据。一般来说，应选择板材料，使它的热膨胀系统能与衬底材料的热膨胀系数匹配。另一种方法是，如果已知主应力方向，可以开始就使板和衬底的热膨胀系数不匹配，也就是说，在保持同样的灵敏度的前提下，互加偏置，从而增加应力计量程。

板12和14也可用熔融玻璃或与此相似的陶瓷材料制成，以增加抵抗热效应，如板的热老化、热膨胀和热收缩效应的能力。

本发明所述微弯光纤应力计的优点可归结为以下几点：

在温度高于427℃（800°F）的条件下工作;

重量轻，结构紧凑，没有突出部分，特别是将波纹微弯传感器板放入结构条的狭槽中时，更是如此;

在由直流到20KHz的频率范围内可达到0.05μm的准确度;

可以使用机械和电子方法对微弯传感器进行温度补偿;还可以用电子信号处理方法消除漂移;

可以适用于复合和金属材料，这是通过采用与结构材料或被测样品相同的材料制做波纹微弯传感器板来实现的;

具有抗电磁干扰和电磁脉冲的能力;

由于传感器靠非偏振光能量工作，不存在火花妨害问题，安装在远处的传感器可以放在有爆炸妨害的环境下;

惰性的玻璃光纤材料抗腐蚀。

用覆有金涂层的二氧化硅玻璃光纤代替覆有铝或聚酰亚胺涂层的玻璃光纤，可使本发明的使用范围增加到约540℃（约1000°F）。信号光纤10和参考光纤11都可以这样制作。按照本发明并具有上述耐温性的应力计可用于锅炉回热或主蒸汽管逆裂缝应力的长期测量。

上述应力计的现场安装应采用电容放电点焊方法进行，这样只需局部的除垢和研磨做为表面准备。如在管逆上安装本发明所述的应力计，通常只需去除与压力计对应区域的绝热层。可以将绝热层的丝堵（直径为二至三英寸）卸下，装入应力计，然后再重新装上丝堵。由引出光线引线，与外部光纤和应力读数设备连接。

现在回到图2，信号光纤10和参考光纤11都通过已知的光纤焊头42与光纤耦合器44连接。

由发光二极管30输出的光，被3db耦合器44分为两部分，这两部分光通过光纤焊头42耦合到信号光纤10和参考光纤11中。然后，这两根多模光纤将它们的输出信号送入双路光探测器40和它的附属输出电路46。信号A和B被数字化，并由转换电路46转换形成（A-B）/（A+B）形式的补偿传感器信号。

Claims

1、一种能在恶劣环境下工作的应力计，包括：

一对板，它们用在315℃以上的环境下具有与待测材料相似的温度膨胀系数的材料制成，并具有相对的、互相错开的波纹表面，且其中至少一块板与待测材料相连；

一缓冲涂覆的第一信号光纤，它被夹在板的波纹之间，并根据使板相互靠近而产生的压力而产生弯曲，

一缓冲涂覆的参考光纤，它位于板的附近，以便与第一信号光纤同时处于同样的热条件和其他条件下，

光信号发送装置，它包括光源和连到各光纤的一端的分光装置，用于同时把光信号加到两根光纤中，

与两根光纤的另一端相连的光检测装置，用于测量通过第一信号光纤传送的光信号调制并读出通过参考光纤传送的光信号调制，通过第一信号光纤传送的光信号调制就对应于加到板上的压力。

2、如权利要求1的应力计，其特征在于所述信号光纤和参考光纤具有玻璃芯和包层及铝覆层。

3、如权利要求1的应力计，其特征在于所述信号光纤和参考光纤具有玻璃芯和包层及聚合材料覆层。

4、如权利要求1的应力计，其特征在于所述信号光纤和参考光纤具有SiO₂制作的芯及金作的覆层。

5、一种能在恶劣环境下工作的应力计，包括：

-对板，它们用在315℃以上的环境下具有与待测材料的温度膨胀系数不相似的材料制成，当已知主应力方向时，在保持同样的灵敏度的前提下互加偏置，以扩大检测器的适用范围，并具有相对的、互相错开的波纹表面，且其中至少一块板与待测材料相连;

-缓冲涂覆的第一信号光纤，它被夹在板的波纹之间，并根据使板相互靠近而产生的压力而产生弯曲，

-缓冲涂覆的参考光纤，它位于板的附近，以便与第一信号光纤同时处于同样的热条件和其他条件下，

6、如权利要求5的应力计，其特征在于所述信号光纤和参考光纤具有玻璃芯和包层及铝覆层。

7、如权利要求5的应力计，其特征在于所述信号光纤和参考光纤具有玻璃芯和包层及聚合材料覆层。

8、如权利要求5的应力计，其特征在于所述信号光纤和参考光纤具有SiO₂制作的芯及金制作的覆层。