CN102200430B - 利用fbg传感器测量皮革弹性形变量的方法 - Google Patents

Abstract

利用FBG传感器测量皮革弹性形变量的方法，首先，用两个夹子把待测皮革样品两端固定好，其中一个夹子上设置第一FBG传感器FBG1，在皮革样品上设置第二FBG传感器FBG2；然后，调整温度的变化量为ΔT，得到因温度变化ΔT而引起的光纤波长变化Δλ₁；再利用第二FBG传感器FBG2，得到由于温度变化引起皮革形变进而引起的应变Δε，进而求出皮革发生长度改变量ΔL₁；最后，向皮革样品两边拉伸两个夹子，得到由于拉力引起的波长变化量，进而求出施加在皮革上的拉力ΔF，最终可求出由于拉力ΔF引起皮革长度发生形变量ΔL；本发明能够实现皮革弹性测量中温度、拉伸力及皮革纤维受力变形长度变化量三类参数被同时测量，测量全面，性能稳定，同时具有可扩展性。

Description

利用FBG传感器测量皮革弹性形变量的方法

技术领域

本发明属于FBG传感器应用领域，涉及对皮革弹性度的测量，具体涉及利用FBG传感器测量皮革弹性形变量的方法。

背景技术

一般评价皮革感官特性参数是沿用皮革检测人员感官检验方法，用人手触摸、拉伸等，其评定结果用语言、文字或者图表表达，既没有统一的标准又缺乏规范的词汇，难以进行相互交流，或者采用电学传感器实现单参数测量，从国外传感发展研究上看，FBG传感器在皮革行业中还没被研究和利用，研究和设计多参数同时测量还很少被研究和应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用FBG传感器测量皮革弹性形变量的方法，能够实现皮革弹性测量中温度、拉伸力及皮革纤维受力变形长度变化量三类参数被同时测量，测量全面，性能稳定，同时具有可扩展性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

利用FBG传感器测量皮革弹性形变量的方法，包括测量由于温度变化引起皮革发生弹性长度形变以及由于外界拉力引起皮革发生长度改变两种情况，具体实现步骤为：

第一步，用两个夹子把待测皮革样品两端固定好，其中一个夹子上设置第一FBG传感器FBG1，在皮革样品上沿其发生形变方向设置第二FBG传感器FBG2；

第二步，调整温度的变化量为ΔT，利用第一FBG传感器FBG1，根据公式Δλ₁＝λ×(α+ξ)ΔT得出因温度变化ΔT而引起的光纤波长变化Δλ₁，其中，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，

n为有效折射系数，λ为温度变化前的光纤波长；

第三步，利用第二FBG传感器FBG2，根据公式得到由于温度变化引起皮革形变进而引起的应变Δε，又因为

进而求出皮革发生长度改变量ΔL₁，其中L₀为皮革原有长度，λ为温度变化前的光纤波长，n为有效折射系数，P₁₁和P₁₂为弹光张量分量，υ为光纤材料的泊松比，Δλ₂为第二FBG传感器FBG2上读出的光纤波长变化；

第四步，不再调整温度变化，向皮革样品两边拉伸两个夹子，根据公式

得到由于拉力引起的FBG2波长变化量，进而求出施加在皮革上的拉力ΔF，又因为

最终可求出由于拉力ΔF引起皮革长度发生形变量ΔL，其中，λ为温度变化前的光纤波长，n为有效折射系数，P₁₁和P₁₂为弹光张量分量，υ为光纤材料的泊松比，E为皮革弹性模量，A₀为皮革单位受力面积，Δλ₂′为第二FBG传感器FBG2上读出的光纤波长变化，Δλ₁′为第一FBG传感器FBG1上读出的光纤波长变化。

所述的光纤波长变化Δλ₁、Δλ₂、Δλ₂′和Δλ₁′通过位相干涉仪识别求出，位相干涉仪输出的光信号通过光检出器转换为电信号并输入到处理器设备中进行运算。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：实现皮革弹性测量中温度变化、温度变化引起的皮革纤维受力变形长度变化量和拉伸力引起的皮革纤维受力变形长度变化量三个参数被同时测量；减少了测量误差和设备成本；性能稳定；具备可扩展性，可实现多点、多参数实时测量。

附图说明

图1是传感系统测量结构示意图。

图2是本发明测量方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如附图所示，本发明为利用FBG传感器测量皮革弹性形变量的方法，主要包括测量由于温度变化引起皮革发生弹性长度形变以及由于外界拉力引起皮革发生长度改变两种情况，具体实现步骤为：

第一步，用两个夹子把待测皮革样品两端固定好，其中一个夹子上设置第一FBG传感器FBG1，在皮革样品上沿其发生形变方向设置第二FBG传感器FBG2；

第二步，调整温度的变化量为ΔT，利用第一FBG传感器FBG1，根据公式Δλ₁＝λ×(α+ξ)ΔT得出因温度变化ΔT而引起的光纤波长变化Δλ₁，其中，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，

n为有效折射系数，λ为温度变化前的光纤波长；

第三步，利用第二FBG传感器FBG2，根据公式

得到由于温度变化引起皮革形变进而引起的应变Δε，又因为进而求出皮革发生长度改变量ΔL₁，其中L₀为皮革原有长度，λ为温度变化前的光纤波长，n为有效折射系数，P₁₁和P₁₂为弹光张量分量，υ为光纤材料的泊松比，Δλ₂为第二FBG传感器FBG2上读出的光纤波长变化；

第四步，不再调整温度变化，向皮革样品两边拉伸两个夹子，根据公式

得到由于拉力引起的FBG2波长变化量，进而求出施加在皮革上的拉力ΔF，又因为最终可求出由于拉力ΔF引起皮革长度发生形变量ΔL，其中，λ为温度变化前的光纤波长，n为有效折射系数，P₁₁和P₁₂为弹光张量分量，υ为光纤材料的泊松比，E为皮革弹性模量，A₀为皮革单位受力面积，Δλ₂′为第二FBG传感器FBG2上读出的光纤波长变化，Δλ₁′为第一FBG传感器FBG1上读出的光纤波长变化。

所述的光纤波长变化Δλ₁、Δλ₂、Δλ₂′和Δλ₁′通过位相干涉仪识别求出，位相干涉仪输出的光信号通过光检出器转换为电信号并输入到处理器设备中进行运算。

根据需要，第二FBG传感器FBG2的数量可以增添，测量待测皮革上多点参数，使得测量结果更加精确。

本发明的传感系统测量结构如图1所示，用两个宽夹子4将待测皮革3伸展固定，其中任一个宽夹子4上设置有第一FBG传感器FBG1，待测皮革3上设置第二FBG传感器FBG2。

本发明的测量方法参见图2，首先利用ASE光源将光线通过一个1*4耦合器后，再分别通过一个1*2耦合器照射到第一FBG传感器FBG1和第二FBG传感器FBG2上，第一FBG传感器FBG1和第二FBG传感器FBG2返回的光信号分别经其对应的1*2耦合器后被各自对应的位相干涉仪识别，位相干涉仪输出的光信号通过光检出器转换为电信号并输入到处理器设备中进行运算。

图中：1是第一FBG传感器FBG1；2是第二FBG传感器FBG2；3是待测皮革；4是宽夹子。

Claims (3)

1.利用FBG传感器测量皮革弹性形变量的方法，包括测量由于温度变化引起皮革发生弹性长度形变以及由于外界拉力引起皮革发生长度改变两种情况，其特征在于，具体实现步骤为：

第一步，用两个夹子把待测皮革样品两端固定好，其中一个夹子上设置第一FBG传感器FBG1，在皮革样品上沿其发生形变方向设置第二FBG传感器FBG2；

第二步，调整温度的变化量为ΔT，利用第一FBG传感器FBG1，根据公式Δλ₁＝λ×(α+ξ)ΔT得出因温度变化ΔT而引起的光纤波长变化Δλ₁，其中，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，

n为有效折射系数，λ为温度变化前的光纤波长；

第三步，利用第二FBG传感器FBG2，根据公式 ${\mathrm{\Δ\λ}}_{F_1}=\mathrm{\λ}\{1-\frac{n^2}{2}[P_{12}-\mathrm{\υ}(P_{11}+P_{12})\left]\right\}\×\mathrm{\Δ\ϵ}={\mathrm{\Δ\λ}}_2-{\mathrm{\Δ\λ}}_1$ 得到由于温度变化引起皮革形变进而引起的应变Δε，又因为进而求出皮革发生长度改变量ΔL，其中L₀为皮革原有长度，λ为温度变化前的光纤波长，n为有效折射系数，P₁₁和P₁₂为弹光张量分量，υ为光纤材料的泊松比，Δλ₂为第二FBG传感器FBG2上读出的光纤波长变化；

第四步，不再调整温度变化，向皮革样品两边拉伸两个夹子，根据公式 ${\mathrm{\Δ\λ}}_{F_2}={\mathrm{\Δ\λ}}_2^{\′}-{\mathrm{\Δ\λ}}_1^{\′}=\frac{\mathrm{\λ}\{1-\frac{n^2}{2}[P_{12}-\mathrm{\υ}(P_{11}+P_{12})\left]\right\}\×\mathrm{\ΔF}}{{\mathrm{EA}}_0},$ 得到由于拉力引起的FBG2波长变化量，进而求出施加在皮革上的拉力ΔF，又因为

最终可求出由于拉力ΔF引起皮革长度发生形变量ΔL′，其中，λ为温度变化前的光纤波长，n为有效折射系数，P₁₁和P₁₂为弹光张量分量，υ为光纤材料的泊松比，E为皮革弹性模量，A₀为皮革单位受力面积，Δλ₂′为第二FBG传感器FBG2上读出的光纤波长变化，Δλ₁′为第一FBG传感器FBG1上读出的光纤波长变化。

2.根据权利要求1所述的利用FBG传感器测量皮革弹性形变量的方法，其特征在于，所述的光纤波长变化Δλ₁、Δλ₂、Δλ₂′和Δλ₁′通过位相干涉仪识别求出。

3.根据权利要求2所述的利用FBG传感器测量皮革弹性形变量的方法，其特征在于，所述位相干涉仪输出的光信号通过光检出器转换为电信号并输入到处理器设备中进行运算。

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