CN103424081A - 一种长标距应变传感器高精度标定架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长标距应变传感器高精度标定架，由前端板、后端板以及连接前端板和后端板的中间固定架组成，在前端板和后端板之间滑动的设置有固定框架，该固定框架包括第一拖动板和第二拖动板，第一拖动板和第二拖动板套在固定杆上，且第一拖动板和第二拖动板之间固定连接，在第二拖动板上连接一差动丝杆，该差动丝杆的另一端与一连接在后端板上的圆形手柄连接，在前端板和第一拖动板上均设置有千分表和两个夹具，在两个夹具的相对表面上均设置有3～20个垫块槽，在每个垫块槽内设置有传感器装夹垫块，所述的垫块为软金属块。本发明标定架结构布置合理、刚度大、差动丝杆旋进速度可调且控制精度高，坚固耐用。

Description

一种长标距应变传感器高精度标定架

技术领域

本发明专利涉及一种长标距应变传感器标定架，标定架结构设计合理、刚度大、推进精度控制高，特别适合长标距及比较脆弱的应变传感器标定，可同时对多个传感器进行高精度的标定，属于传感技术领域。

背景技术

光纤传感器是近年来迅速发展起来的一种新型传感器件，具有许多传统传感器所无法比拟的优势：如抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、重量轻、抗腐蚀、耐久性好、安装方便等优点，因而具有广泛的应用前景。特别是光纤光栅传感器除了上述优点外，还具有良好的动态测量性能，经过用纤维复合材料（FRP）、毛细钢管等封装后，大幅提高了FBG光纤传感器的抗冲击、抗破坏及抵御恶劣环境的能力。因而，光纤光栅传感器在土木、交通、岩土等工程领域得到了广泛的应用。然而，由于光纤传感器通常非常纤细，如裸光纤光栅直径只有125με，且其主要成分为SiO₂，比较脆弱，抗剪能力差，在土木工程粗放式施工条件下难以存活。因此，为了适应土木、交通、岩土等工程的检测需求，需要对脆弱的光纤传感器进行二次开发，即对其封装，同时需要对“点”式的传感器进行长标距化处理才能应用于土木、交通、岩土等实际工程。目前，出现了多种封装工艺，不同封装材料对于光纤传感器的应变敏感度系数有一定的影响，需要经常对裸光纤传感器和封装光纤传感器进行标定。

传感器的准确标定是其进行正常工作的前提，不同种类的传感器其标定方法也存在较大的区别。应变传感器的常用标定方法为载体法，即将光纤光栅粘贴于载体（钢板、钢筋或等强度梁等）上，然后使载体产生应变，间接地使光纤光栅产生应变，而测量载体的应变则是通过电阻式应变片来测量。如，等强度梁法、万能试验机拉伸钢板法等。然而，电阻式应变片存在离散性大、精度不高等缺点，而且光线光栅与载体的粘结界面存在一定的滑移，很难准确得到载体及光纤光栅的实际应变，标定结果存在比较大的误差。参考文献1（CN201811755U）给出一种新型传感器标定台，由固定框架、移动框架和丝杆推进机构组成，通过变速箱使丝杆移动，其优点是速度控制方便、丝杆推进精度较高，但结构相对复杂，传感器的装夹不便且易对脆弱的传感器（裸光纤光栅传感器等）造成损伤；该标定台每次只能对单个传感器进行标定，且传感器的标定距离小。

针对长标距光纤传感器的标定，常用的传感器标定架存在较多问题。如，可标定长度短，主要针对“点”式传感器的标定；垫块用的是钢片、拖动板移动速度太快且控制不便、夹具容易产生变形、夹具之间距离变化困难、没有千分表固定架等问题。

针对光纤传感器（特别是长标距光纤传感器）标定存在的技术难题，本发明提出了相应的解决方案，锚固垫块是由紫铜、黄铜或铝材料制成，由于紫铜、黄铜、铝的弹性模量比光纤材料SiO₂的低，加上夹具8、定位钢板2和拖动钢板4的垫块槽都具有条状刻痕，因而在用这些材料制成的锚固垫块锚固光纤传感器时（特别是裸光纤传感器），既保证了标定时不会夹坏裸光纤，又防止了垫块滑移；同时，增加了夹具和固定杆的长度，可以对多个长标距传感器进行同时标定。

发明内容

本发明的主要目的是解决长标距、脆弱传感器的批量标定技术难题，提供一种高精度的长标距应变传感器标定架及其标定技术。该标定架刚度大、稳定性好，装夹装置不会对传感器造成任何损伤且能保证其装夹牢固，不存在滑移现象；可以对标距长度为300cm以内的长标距应变传感器进行准确标定，而且可以同时对多个长标距应变传感器进行标定，具体装夹数量由夹具的宽度而定。另外一个特点是采用差动丝杆，可以对推进速度进行调节，并实现推进速度的精确控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种长标距应变传感器标定架，由前端板、后端板以及连接前端板和后端板的中间固定架组成，在前端板和后端板之间滑动的设置有固定框架，该固定框架包括第一拖动板和第二拖动板，第一拖动板和第二拖动板套在固定杆上，且第一拖动板和第二拖动板之间固定连接，在第二拖动板上连接一差动丝杆，该差动丝杆的另一端与一连接在后端板上的圆形手柄连接，在前端板和第一拖动板上均设置有千分表和两个夹具，在两个夹具的相对表面上均设置有3～20个垫块槽，在每个垫块槽内设置有传感器装夹垫块，所述的垫块为软金属块。

所述的金属块为黄铜块、紫铜块或铝块。

所述的固定架由三根固定杆组成，三根固定杆成等腰三角形布置。

所述的圆形手柄通过手柄固定杆与差动丝杆刚性连接。

所述的千分表通过千分表支架固定于固定框架上，千分表测量轴和第二拖动板紧密接触。

垫块槽内具有条状刻痕。

与现有技术相比，本发明加载装置采用圆形手柄的转动通过差动丝杆带动移动机构移动，从而直接给待标定的传感器施加应变，圆形手柄每圈的进给量可通过差动丝杆6在0.02mm～0.1mm范围内进行控制，可满足不同类型长标距传感器的标定需求。锚固垫块是由黄铜、紫铜或铝等软金属制成，黄铜、紫铜及铝相比于传统标定架用的钢材要软，同时通过在垫块槽内设置刻痕，这样对长标距传感器的夹持既不会夹坏传感器也不会出现相对滑移。

附图说明

图1是本发明长标距光纤光栅应变传感器标定架的俯视图。

图2是图1的侧视图。

图3是本发明夹具结构示意图。

图4是本发明标定曲线图。

图中各部分名称：1、前端板； 2、后端板；3、第一拖动板；4、第二拖动板；5、圆形手柄；6、夹具；7、千分表；8、差动丝杆；9、固定杆； 10 、传感器夹紧用螺钉；11、 传感器装夹上垫块； 12、传感器装夹下垫块；13、螺栓。

具体实施方式

如图1、图2以及图3所示，本发明长标距应变传感器标定架，由固定框架、移动机构和装夹及测量装置等部分构成。通过移机构的精确移动给待标定长标距传感器直接施加应变，不会出现相对滑移和间接法（如载体法等）所出现的应变损失，且应变大小可以直接通过千分表进行精确测量，因而标定的精度高。

固定框架是该标定架的主体部分，移动机构和装夹及测量装置安装在固定框架上。固定框架由前端板1、后端板2、三根固定杆9和固定螺帽组成；其中，三根固定杆9在空间呈等腰三角形分布且相互平行，通过固定螺栓与前端板1和后端板2刚性连接，固定杆9与前后端板也可以通过焊接连接。标定架的整体刚度主要决定于三根固定杆9的刚度，因而为保证标定架的刚度，固定杆9的直径通常大于8mm，而且需要有比较高的同轴度。第一拖动板3和第二拖动板4可在固定杆9上自由移动，所能标定的长标距传感器标距长度可在一定范围能变动。固定杆9的最大长度决定了所能标定长标距传感器的最大标距长度，其设计长度则根据所要标定的长标距应变传感器的标距长度而定，通常可以标定标距长度在0.5mm-300cm之间的任意标距长度的传感器。

移动机构是该标定架的推进部分，采用差动丝杆不仅结构简单，而且推进速度可控性好、移动的控制精度高，由第一拖动板3、第二拖动板4、二根连接杆、差动丝杆8、圆形手柄5、圆形手柄固定杆和固定螺帽组成。其中，第一拖动板3和第二拖动板4通过安装孔安装于上面两根固定杆9且可在固定杆上自由移动，第一拖动板3和第二拖动板4通过两根连接杆刚性连接，第一拖动板3、第二拖动板4和二根连接杆构成了一个移动框架，连接杆的长度主要根据丝杆的最大推进量和传感器的标距长度而设计，其长度越小移动框架的刚度越大、推进的控制精度越高；差动丝杆8与第一拖动板3通过螺纹连接，圆形手柄5通过手柄固定杆与差动丝杆8刚性连接并固定于前端板1，圆形手柄5的转动通过差动丝杆8带动移动框架移动，从而直接给待标定的传感器施加应变，圆形手柄7每圈的进给量可通过差动丝杆8在0.02mm～0.1mm范围内进行控制，可满足不同类型长标距传感器的标定需求。其优点是：给待标定传感器施加应变直接；不会出现间接法（载体法）标定所经常出现的应变传递损失。因而，标定的精度高。

装夹及测量装置是该标定架的核心部分之一，也是本发明专利区别于现有技术方法的优点之一。装夹装置既要能有效保护细弱的长标距传感器（如裸光纤传感器等），又要能牢固的对传感器进行装夹以避免传感器与锚具之间出现任何的相对滑移。装夹及测量装置由两个夹具6、螺栓13、传感器装夹上垫块11、传感器装夹下垫块12、传感器固定用螺钉10、千分表7及千分表支架组成。其中，两个夹具6通过螺栓9分别固定于后端板1和拖动板4的顶部，装夹上垫块11和下垫块12位于夹具6、前端板1和第一拖动板3之间，夹具6具有多个垫块槽，上垫块11和下垫块12位于垫块槽内，同时在垫块槽内加工有防滑的条状刻痕；传感器装夹于上、下垫块之间，并通过位于夹具6中的螺钉10进行夹紧固定；千分表7通过千分表支架固定于固定框架，千分表7测量轴和第一拖动板3紧密接触。

夹具的宽度主要由所要标定传感器的数量和传感器的材质决定，通常的装夹块宽度为1.0cm左右，可以同时对20个以上的长标距传感器进行精确标定，因而标定的效率高、可比性强。上垫块11、下垫块12与夹具6、前端板1和第一拖动板3的垫块槽内具有条状刻痕，确保装夹垫块和夹具之间不出现滑移。装夹上垫块11和下垫块12是由黄铜、紫铜或铝等软金属制成，黄铜、紫铜及铝相比于传统标定架用的钢材要软，同时根据标定需要可在垫块的夹持面覆盖一薄层橡胶薄膜，这样对长标距传感器的夹持既不会夹坏传感器也不会出现相对滑移。

测量为具有高测量精度的直接测量技术，本发明专利采用的是千分表，也可以采用具有更高精度的万分表或精度较低的百分表，为提高装置的自动程度，千分表或万分表或百分表可以采用数显表。

具体标定方法如下：

标定工作需要在恒温下进行，通常的标定温度为室温20℃。标定时，首先根据传感器的情况选取垫块（如紫铜用于裸光纤传感器，黄铜用于进行了表面封装的光纤传感器等），将一个或多个长标距应变传感器装夹在上垫块11和下垫块17之间，并通过传感器夹紧用螺钉10将传感器固定于夹具，最好能使传感器有50～100微应变预张拉；对于单个长标距传感器，则传感器固定于标定架的中间，对于多个传感器，则传感器在标定架的宽度方向呈对称布置，这样标定架的左右两边受力均衡，标定的精度和一致性更高。当标定传感器的长度大于1.0m时，在长标距传感器的下面设置若干光滑的支撑点，使每相邻两点之间的距离小于1.0m，这样可降低长标距传感器因重力下垂引起产生的标定误差。然后，根据传感器的标距长度和精度要求，调节圆形手柄每圈的进给量，并通过转动圆形手柄7进行加载，在标定的过程中保持温度恒定，通常加载、卸载5次以上并取其平均值。

在标定长标距应变传感器时，首先需要确定传感器标距长度L，然后根据传感器标距长度L调整定前端板1和第一拖动板3之间的距离，使之稍大于L，调整后端板2和拖动板4之间的距离使通过换第一拖动板3和第二拖动板4之间的两根连接杆（连接杆有多种，根据不同长度确定选用哪种连接杆，还有一种连接是丝杆，或将固定杆9做成丝杆，可以使前端板1和第一拖动板3之间的距离任意调整）。调整后，将长标距传感器装夹在上垫块11和下垫块12之间，然后将夹具6通过螺栓13固定在前端板1和第一拖动板3上，并用螺丝刀旋动传感器固定螺栓10使之向上垫块11施加力，使上垫块11和下垫块12紧密接触、不出现滑动。最后，调整千分表固定架，使千分表测量轴和第一拖动板3接触，将千分表指针置零，再将传感器接在FBG解调仪上，读取初始波长。

标定时，旋转圆形手柄5，通过差动丝杆带动移动框架推进，直接给传感器施加应变。这时，千分表7读数和FBG解调仪波长读数都有所变化，记录此时千分表7读数和FBG解调仪波长读数。

试验时，在换完连接杆后调整前端板1和第一拖动板3之间的距离可以通过差动丝杆8来调整，实现快速地移动。

下面是我们用这个标定架来标定一个标距长度为1.0m的长标距光纤光栅传感器的应变敏感度系数，来看看试验效果。传感器用的是初始波长为1566.95nm的裸光纤光栅封装而成，试验方法采用两次反复加、卸载，标定结果如图4所示。

    由图4可见，每次加、卸载的线性度都很好，分别达到了0.9999、0.9999、0.9999和0.9998，和裸光纤光栅的1.0000相比，完全符合试验精度。通过拟合得出每次加、卸载的斜率为：1.20、1.21、1.20和1.20，在此图中，斜率即为应变敏感度系数，那么，每次加、卸载的标定系数都在1.20左右，和裸光纤光栅的应变敏感度系数1.20相差无几，说明，此标定架完全是有效的。

Claims (7)

1.一种长标距应变传感器高精度标定架，其特征在于：由前端板、后端板以及连接前端板和后端板的中间固定架组成，在前端板和后端板之间滑动的设置有固定框架，该固定框架包括第一拖动板和第二拖动板，第一拖动板和第二拖动板套在固定杆上，且第一拖动板和第二拖动板之间固定连接，在第二拖动板上连接一差动丝杆，该差动丝杆的另一端与一连接在后端板上的圆形手柄连接，在前端板和第一拖动板上均设置有千分表和两个夹具，在两个夹具的相对表面上均设置有3～20个垫块槽，在每个垫块槽内设置有传感器装夹垫块，所述的垫块为软金属块。

2.根据权利要求1所述的长标距应变传感器高精度标定架，其特征在于：所述的金属块为黄铜块、紫铜块或铝块。

3.根据权利要求1所述的长标距应变传感器高精度标定架，其特征在于：所述的固定架由三根固定杆组成，三根固定杆成等腰三角形布置。

4.根据权利要求1所述的长标距应变传感器高精度标定架，其特征在于：所述的圆形手柄通过手柄固定杆与差动丝杆刚性连接。

5.根据权利要求1所述的长标距应变传感器高精度标定架，其特征在于：所述的千分表通过千分表支架固定于固定框架上，千分表测量轴和第二拖动板紧密接触。

6.根据权利要求1－5之一所述的长标距应变传感器高精度标定架，其特征在于：垫块槽内具有条状刻痕。

7.根据权利要求6所述的长标距应变传感器高精度标定架，其特征在于：标定时传感器沿夹具对称装夹，当标定传感器的长度大于1.0m时在长标距传感器的下面设置若干光滑的支撑点，使每相邻两点之间的距离小于1.0m。

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