CN103344665B - 一种基于光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于光纤传感器测定阻尼材料耗能的方法。该方法中提供了两种可供选择的测量方法，一种是以光纤解调仪为测量工具的方法，一种是以光纤光谱仪为测量工具的方法。两种方法均为通过光纤传感器测量阻尼材料在振动过程中，阻尼材料吸收振动机械能，并将其转化为热能而产生的温差值。本发明可以对阻尼材料在使用状态下的阻尼性能进行实时监控，相比于常规的测量阻尼材料阻尼性能的方法，本发明侧重于阻尼材料阻尼性能的实时测量，并提供了一种新的测量评价阻尼材料性能的方法。

Description

一种基于光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置及方法

技术领域

本发明涉及到材料科学和光电子信息科学技术领域，具体涉及利用光纤传感器测量阻尼材料振动吸收机械能转变为热能的装置及方法。

背景技术

目前，机械振动随处可见，其广泛存在于国民生活生产的各个方面，大到飞机、导弹、火箭、神舟飞船等，小到汽车、船舶、机械等交通工具，强烈的振动会影响仪器仪表的工作准确性和稳定性，严重的还会因疲劳破坏而缩短结构的寿命或因共振而损坏。同时由于振动产生的噪声更是危害环境和人类健康。因此，减振降噪是一个急需解决的问题。

人们研究出多种减振降噪的方法，其中阻尼技术是控制振动的有效方法。阻尼材料是一种能吸收振动机械能，并将它转化为热能、电能、磁能或其它形式的能量而损耗掉的一种功能材料。它利用阻尼材料在变形时把动能变成热能的原理降低结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低机构噪声。阻尼材料在振动时由于不停地将机械能转化为热能，阻尼材料的温度会上升，相比初始振动时会产生一个温度差。在单位时间内，阻尼性能越好的材料，在相同的振动条件下，其吸收机械能的能力越强，则其振动转换成热能的能量也越多，并且阻尼材料在振动初始至一定时间之后，其温度差值也会越大；若材料的阻尼性能差，则在单位时间内振动的机械能转化为热能的能量少，阻尼材料的温度差值也会小。

对阻尼材料振动阻尼性能的研究目前有三种常用方法：一是动态力学热分析法，使用粘弹谱仪DMA获取材料的储能模量和损耗模量，进而计算出材料的损耗因子；二是悬臂梁法；三是振动时间衰减法。这三种方法均为在实验状态下对阻尼材料阻尼性能的测试，在应用中还有很多实际工程应用要求需进行考虑。

光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而发展起来的新型传感技术，其是利用光纤对某些特定的物理量敏感特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号技术。由于光纤不仅可以作为光波的传播媒介，而且由于光波在光纤传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素(如温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等)的作用而直接或间接发生变化，从而也可以将其用作传感元件来探测各种物理量。光纤传感器有其独特的优点：高灵敏度、耐腐蚀、体积小、抗电磁干扰、可弯曲、结构简单以及与光纤传感线路相容等。其应用范围相当广泛，如在医学方面、流体温度及压力测量、电力系统检测、建筑桥梁、航空航天等等。

光纤温度传感器可分为分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器、基于弯曲损耗的光纤温度传感器等。光纤光栅温度传感器是根据光纤光栅反射波长会随温度的变化而产生“波长移位”的原理制成的。它的传感信号为波长调制，使其测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗的探测器老化等因素的影响，很容易将其埋入材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量。

现有的将光纤传感器应用于阻尼材料耗能机理测量方面的专利基本没有。现有中国专利CN2763785Y文献“一种光纤光栅温度传感器的封装结构”，采取的是将整个结构封装在金属管内，通过密封圈和密封栓封装，封装结构较为复杂；中国专利CN101545791A文献“光纤传感器及其在折射率及应变测量中的应用”，特别适用于聚合物的固化过程监控。中国专利102680140A文献“一种基于光纤光栅温度传感器的依然易爆物品温度检测方法”，将光纤传感器粘贴于易燃易爆物品关键位置，通过光纤光栅温度的改变量得到易燃易爆物品的改变量。目前还没有关于将光纤传感器应用于阻尼材料性能研究的应用。

发明内容

本发明的目的之一在于：克服已有的技术局限，将光纤传感器引入阻尼材料研究应用领域，提供一种新的测量阻尼材料阻尼性能的方法，为阻尼材料阻尼机理的研究提供了一种全新的研究思路，采用了新的测量技术手段，直接定量测定阻尼材料振动耗能大小，为阻尼材料阻尼性能的研究提供直接依据。本发明可以实现对材料阻尼性能的实时测量。

本发明的目的之一在于：提供一种测量阻尼材料在振动过程中产生热量大小的装置，该装置通过光纤传感器直接测量阻尼材料振动后所产生的温度差值，判断材料的阻尼性能，在一定时间内，所测得差值越大，阻尼性能越好；差值越小，阻尼性能越差。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置，包括测量部分、远程控制电脑和辅助装置部分，所述测量部分中的光纤解调仪通过传输光纤与远程控制电脑连接；所述辅助装置部分由辅助金属夹具和振动驱动仪组成，辅助金属夹具的夹头夹持住阻尼材料的一端，振动驱动仪装在阻尼材料粘贴铁片的一端，驱动悬臂梁振动。

所述测量部分可以由光纤传感器、阻尼材料、铁片和光纤解调仪组成，其中光纤传感器置于阻尼材料的内部，铁片粘贴于阻尼材料的一端；光纤解调仪通过传输光纤与光纤传感器相连。

所述测量部分还可以由光纤传感器、阻尼材料、铁片、耦合器和LED光源组成，其中光纤传感器置于阻尼材料的内部，铁片粘贴于阻尼材料的一端；耦合器的一端连接光纤传感器，另一端通过传输光纤分别连接LED光源和光纤光谱仪。

所述阻尼材料可以为聚合物阻尼材料、陶瓷类耐高温阻尼材料、高阻尼合金材料、智能型阻尼材料中的一种，其形状是悬臂梁。

在所述悬臂梁的一端可以粘贴一个铁片，作为振动驱动部位；在悬臂梁阻尼材料的内部埋入光纤传感器。

所述的光纤传感器可以是分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器中的一种，该传感器可以由铜、不锈钢或镍封装。

本发明提供的光纤传感器测量阻尼材料耗能的方法，是利用上述装置实现测量阻尼材料耗能的，该方法基于装置中测量部分的组成不同有两种，其中第一种方法采用的装置中的测量部分是由光纤传感器、阻尼材料、铁片和光纤解调仪组成，第二种方法采用的装置中的测量部分是由光纤传感器、阻尼材料、铁片、耦合器、光纤光谱仪和LED光源组成。

本发明提供的第一种光纤传感器测量阻尼材料耗能的方法，其步骤包括：

第一步，按照设计搭载测量装置，打开光纤解调仪和远程控制电脑，在电脑上设置采样频率为500Hz，即为每1秒钟采集2个数据，在振动驱动仪还未工作时采集数据，得到静态时光纤光栅温度传感器的波长值，作为空白对照组；

第二步，打开振动驱动仪，调节振动驱动仪的功率大小使阻尼材料振动，并保持其振动幅度为最大，此时振动产生的热量值最大，便于光纤传感器的测量；

第三步，阻尼材料在持续振动下，每隔半小时保存一组测量数据，得到在振动下光纤传感器的波长值，可保存4-6组数据；

第四步，根据在静态和振动下测量得到的波长的数值，计算出波长的差值ΔA，由光纤光栅温度传感器的温度标定曲线斜率K换算得到温差值ΔT，ΔT=ΔA/K。

第五步，根据公式：Q=C*M*ΔT即可计算出产生的热量值Q，Q为热量值，C为阻尼材料的比热容，M为阻尼材料的质量，ΔT为测量计算出的温差值。

本发明提供的第二种光纤传感器测量阻尼材料耗能的方法，其步骤包括：

第一步，按照设计搭载测量装置，打开LED光源和光纤光谱仪，由于光纤光栅温度传感器的固有波长值为1550nm，在光谱仪上设定光谱仪的扫描范围为1545-1550nm，在这个扫描范围内，可使接收到的光谱图在光谱仪显示区的中间，便于观察，在振动驱动仪还未工作时采集数据，得到静态时光纤光栅温度传感器的光谱图，选择扫描通道A，点击sweep，开始扫描，待波形稳定后选择FixA，此时A通道波形图固定，作为对照图A；

第二步，打开振动驱动仪，调节振动驱动仪的功率大小使阻尼材料振动，并保持其振动幅度为最大，此时振动产生的热量值最大，便于光纤光栅温度传感器的测量；

第三步，选择扫描通道B，点击sweep，重新开始扫描，阻尼材料在持续振动下，半小时后选择FixB，此时B通道波形固定，得到在振动下光纤光栅温度传感器的光谱图B，采用类似方法，依次可以选择扫描通道C、D、E、F、G，每隔半小时记录一次光谱图，最多有七个扫描通道可以进行数据测量及保存；

第四步，根据在静态和振动下测量得到的光谱图，计算出两个光谱图之间波长的偏移值ΔA，由光纤光栅温度传感器的温度标定曲线的斜率K换算得到温差值ΔT，ΔT=ΔA/K。

第五步，根据公式：Q=C*M*ΔT即可计算出产生的热量值Q，Q为热量值，C为阻尼材料的比热容，M为阻尼材料的质量，ΔT为测量计算出的温度差值。

本发明与现有技术相比，具有以下主要的优点：使用常规的三种测量阻尼材料阻尼性能的方法测量阻尼材料阻尼性能时，阻尼材料需制备为特定的形状，并在特定的条件下进行阻尼性能的测量，而本发明可以实现在任意使用状态下对阻尼材料阻尼性能的测量，对阻尼材料的阻尼性能进行实时监控，对材料的应用具有更好的实际意义。

附图说明

图1是光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置一结构示意图。

图2是光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置二结构示意图。

图3是光纤传感器的温度标定曲线图。

图中：1.辅助金属夹具；2.光纤传感器；3.阻尼材料；4.铁片；5.传输光纤；6.振动驱动仪；7.光纤解调仪；8.远程控制电脑；9.耦合器；10.LED光源；11.光纤光谱仪。

具体实施方式

本发明是一种基于光纤传感器测定阻尼材料耗能的方法。该方法中提供了两种可供选择的测量方法，一种是以光纤解调仪为测量工具的方法，一种是以光纤光谱仪为测量工具的方法。两种方法均为通过光纤传感器测量阻尼材料在振动过程中，阻尼材料吸收振动机械能，并将其转化为热能而产生的温差值。本发明可以对阻尼材料在使用状态下的阻尼性能进行实时监控，相比于常规的测量阻尼材料阻尼性能的方法，本发明侧重于阻尼材料阻尼性能的实时测量，并提供了一种新的测量评价阻尼材料性能的方法。

为了更好地理解本发明，下面结合实施例及附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置

参见图1，该装置主要包括测量部分，数据采集及显示部分和辅助装置部分，可以实现对阻尼材料耗能的测量。

所述测量部分由光纤传感器2、阻尼材料3、铁片4和光纤解调仪7组成，其中：光纤传感器2置于阻尼材料3的内部，铁片4粘贴于阻尼材料的一端；光纤解调仪7与光纤传感器2通过传输光纤5连接。

上述光纤传感器2为分布式光纤温度传感器、布拉格光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器中的一种，该传感器由铜、不锈钢或镍封装。

上述阻尼材料3为聚合物阻尼材料、陶瓷类耐高温阻尼材料、高阻尼合金材料、智能型阻尼材料中的一种，其形状是悬臂梁。在悬臂梁的一端粘贴一个铁片4，作为振动驱动部位；在悬臂梁阻尼材料的内部埋入光纤传感器2。

上述铁片4为普通铁片。

上述光纤解调仪7内置有扫描式光源，可以采用美国MOI公司生产的光纤光栅解调仪SM130，或者其它公司生产的同类型的光纤解调仪。

所述数据显示及采集部分为远程控制电脑8，可以显示实时数据并且记录所有采集到得数据，该电脑与光纤解调仪7通过传输光纤5连接。

所述辅助装置部分由辅助金属夹具1和振动驱动仪6组成，其中：辅助金属夹具1包括铁制底座和铁制夹头，夹头夹持住阻尼材料的一端。振动驱动仪6的驱动力的大小可以调节，功率范围为0-1000w，该振动驱动仪6装在阻尼材料粘贴铁片4的一端，驱动悬臂梁振动。

实施例2：光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置

参见图2，该装置主要包括测量部分，数据采集及显示部分和辅助装置部分，可以实现对阻尼材料耗能的测量。

所述测量部分由光纤传感器2、阻尼材料3、铁片4、耦合器9和LED光源10组成，其中光纤传感器2置于阻尼材料的内部，铁片4粘贴于阻尼材料的一端。耦合器9的一端连接光纤传感器2，另一端通过传输光纤5分别连接LED光源10和光纤光谱仪11。

所述光纤传感器2、阻尼材料3和铁片4均同于实施例1。

所述耦合器9为在耦合器中有两条拉细的靠的很近的光纤，光在一根光纤上传输时会耦合到另一条光纤上，将入射光耦合到并行的光纤上然后反向传输反射光到光谱仪上，其作用是分光路的。

所述LED光源10是波长为1550nm的稳定激光光源。

所述数据显示及采集部分为光纤光谱仪11，该光纤光谱仪为YokogawaAQ6370B型光纤光谱仪，可以显示出在测量过程中波长的光谱图，在控制面板中调节sweep，fix，file按钮，可以保存下不同时间下波长的光谱图。

所述辅助装置部分与实施例1中的辅助装置部分相同。

实施例3：光纤传感器测量阻尼材料耗能的方法

该方法是利用实施例1所述光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置实现的，其步骤包括：

第一步，按照设计搭载测量装置，打开光纤解调仪和远程控制电脑，在电脑上设置采样频率为500Hz，即为每1秒钟采集2个数据，在振动驱动仪还未工作时采集数据，得到静态时光纤光栅温度传感器的波长值，作为空白对照组；

第二步，打开振动驱动仪，调节振动驱动仪的功率大小使阻尼材料振动，并保持其振动幅度为最大，此时振动产生的热量值最大，便于光纤传感器的测量；

第三步，阻尼材料在持续振动下，每隔半小时保存一组测量数据，得到在振动下光纤传感器的波长值，可保存4-6组数据；

第四步，根据在静态和振动下测量得到的波长的数值，计算出波长的差值ΔA，由光纤光栅温度传感器的温度标定曲线斜率K换算得到温差值ΔT，ΔT=ΔA/K。

第五步，根据公式：Q=C*M*ΔT即可计算出产生的热量值Q，Q为热量值，C为阻尼材料的比热容，M为阻尼材料的质量，ΔT为测量计算出的温度差值。

实施例4：光纤传感器测量阻尼材料耗能的方法

该方法是利用实施例2所述光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置实现的，其步骤包括：

第一步，按照设计搭载测量装置，打开LED光源和光纤光谱仪，由于光纤光栅温度传感器的固有波长值为1550nm，在光谱仪上设定光谱仪的扫描范围为1545-1550nm，在这个扫描范围内，可使接收到的光谱图在光谱仪显示区的中间，便于观察，在振动驱动仪还未工作时采集数据，得到静态时光纤光栅温度传感器的光谱图，选择扫描通道A，点击sweep，开始扫描，待波形稳定后选择FixA，此时A通道波形图固定，作为对照图A；

第二步，打开振动驱动仪，调节振动驱动仪的功率大小使阻尼材料振动，并保持其振动幅度为最大，此时振动产生的热量值最大，便于光纤光栅温度传感器的测量；

第三步，选择扫描通道B，点击sweep，重新开始扫描，阻尼材料在持续振动下，半小时后选择FixB，此时B通道波形固定，得到在振动下光纤光栅温度传感器的光谱图B，采用类似方法，依次可以选择扫描通道C、D、E、F、G，每隔半小时记录一次光谱图，最多有七个扫描通道可以进行数据测量及保存；

第四步，根据在静态和振动下测量得到的光谱图，计算出两个光谱图之间波长的偏移值ΔA，由光纤光栅温度传感器的温度标定曲线的斜率K换算得到温差值ΔT，ΔT=ΔA/K。

第五步，根据公式：Q=C*M*ΔT即可计算出产生的热量值Q，Q为热量值，C为阻尼材料的比热容，M为阻尼材料的质量，ΔT为测量计算出的温度差值。

Claims (4)

1.一种光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置，其特征是包括测量部分、远程控制电脑和辅助装置部分，所述测量部分中的光纤解调仪（7）通过传输光纤与远程控制电脑连接；所述辅助装置部分由辅助金属夹具（1）和振动驱动仪（6）组成，辅助金属夹具（1）的夹头夹持住阻尼材料（3）的一端，振动驱动仪（6）装在阻尼材料粘贴铁片（4）的另一端，驱动悬臂梁振动；

所述测量部分由光纤传感器（2）、阻尼材料（3）、铁片（4）和光纤解调仪（7）组成，其中光纤传感器（2）置于阻尼材料（3）的内部，铁片（4）粘贴于阻尼材料的一端；光纤解调仪（7）通过传输光纤与光纤传感器（2）相连；

所述的光纤传感器（2）是分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器中的一种，该传感器由铜、不锈钢或镍封装。

2.如权利要求1所述的光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置，其特征是所述阻尼材料（3）为聚合物阻尼材料、陶瓷类耐高温阻尼材料、高阻尼合金材料、智能型阻尼材料中的一种，其形状是悬臂梁。

3.如权利要求2所述的光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置，其特征是在悬臂梁的一端粘贴一个铁片（4），作为振动驱动部位；在悬臂梁阻尼材料的内部埋入光纤传感器（2）。

4.一种光纤传感器测量阻尼材料耗能的方法，其特征是利用权利要求1至3中任一权利要求所述装置实现测量阻尼材料耗能的，该方法步骤包括：

第一步，按照设计搭载测量装置，打开光纤解调仪和远程控制电脑，在电脑上设置采样频率为500Hz，在振动驱动仪还未工作时采集数据，得到静态时光纤光栅温度传感器的波长值，作为空白对照组；

第二步，打开振动驱动仪，调节振动驱动仪的功率大小使阻尼材料振动，并保持其振动幅度为最大，此时振动产生的热量值最大，便于光纤传感器的测量；

第三步，阻尼材料在持续振动下，每隔半小时保存一组测量数据，得到在振动下光纤传感器的波长值，可保存4-6组数据；

第四步，根据在静态和振动下测量得到的波长的数值，计算出波长的差值ΔA，由光纤光栅温度传感器的温度标定曲线斜率K换算得到温差值ΔT；

第五步，根据公式：Q=C*M*ΔT即可计算出产生的热量值Q，Q为热量值，C为阻尼材料的比热容，M为阻尼材料的质量，ΔT为测量计算出的温差值。