CN103831576A - 应变测量装置以及将该应变测量装置安装在构件中的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应变测量装置，其包括至少一个丝状应变传感器（4）、长线性结构的支撑件（1）、以及加强元件（3），丝状应变传感器（4）位于支撑件（1）上。本申请还涉及包括有孔（53）的一种结构构件（5），所述孔（53）容纳所述应变测量装置的丝状应变传感器的至少一个测量区域（43）以及粘结剂。此外，本申请还涉及用于测量结构构件（5）内的指定方向上的应变的方法。

Description

应变测量装置以及将该应变测量装置安装在构件中的方法

技术领域

本发明涉及一种变形测量装置，该装置例如使用布拉格（Bragg）光纤光栅来提高结构构件中心位置处的应变测量准确性，从而，尤其可更好地控制利用这种构件生产的组件的质量。

背景技术

这种装置应用于民用航空领域的一个主要目的是提高飞机的使用寿命。

由含有复合材料的两个构件构成的组件的生产阶段总是时间长、过程复杂，当两个构件不能焊接在一起时通常需要使用紧固件，这与采用金属构件时的惯常方式相反。

已进行了大量的研究，旨在在保证高质量的同时优化组装和生产步骤。

在设计新飞机期间，降低油耗也是需要考虑的一个关键因素，甚至对于金属结构而言，在设计初期阶段考虑组装应力（如果随后能对组件进行测试）则会减轻重量。

为此，人们越来越多地优选采用非破坏性测试方法，这样甚至能实现例如在组装阶段的更多具体目的。

发明内容

因此，本发明涉及一种非破坏性测试方法，通过估测结构构件（尤其是紧固件，不管是何种紧固件）内的应变来测试组件的质量。

组件的质量通常与紧固件内达到的应力值相关联。

包括有构件（尤其包括金属构件）的组件中的疲劳应力（通常称之为随后的使用寿命的预应力或预负载，是在组装步骤中产生的）对组件的使用寿命有直接影响。因此，构件尺寸会影响结构的使用寿命。

在尺寸设计阶段考虑这些应力也可减轻构件重量。

使用选定紧固件时，在组装阶段的最后步骤中会产生预应力。使用暂时紧固件时，在用于准备组装的前面步骤中也会产生预应力。

在实验室通过使用转矩-张力测试台或通过将压电晶片组合到组件中，可相当容易地进行应力测试；也可通过紧固件的应变测值来执行应力测试，根据应力-应变特性规律，紧固件的应变与构件中的应力值有关。如果结构允许使用例如应变片或伸缩仪，可直接测量应变（尤其是选定方向上的伸长率）；或者例如可通过超声方法测量应变。

但是，通过转矩-张力测试方法或压电晶片测试应力需要使用组件内的其他构件。因此，需要使用尺寸更大的连接构件来进行测试，这样会影响、改变组件的刚性，甚至会影响结构性能，最终的测试结果不能反映真实的性能。插入这类传感器需要另外进行组装，一旦已经完成测量之后还需要拆卸这种结构，因此，仅限于使用在实验室中，即，不能应用于成品中使用的选定结构。

另外，超声测量方法仅适用于某些结构。例如，当紧固件通过过盈配合方式安装时，这些方法不起作用，因为，过盈配合会引起构件中的应力不均匀，从而在超声波的传播时间（通常称之为“超声波飞越时间”）期间或连接构件弯曲时，测量会中断；或者，如果结构构件在安装期间断裂，不再能参照构件在使用前的初始飞越时间。

因此，这些技术不适用于有准确性要求的场合。

因此，有益地，使用布拉格光纤光栅（FBG）传感器的方法可用来估测构件内的应变值。

使用在紧固件的中心布置的布拉格光纤光栅是一种有用方法，因为这种方法不会干扰组件的功能表面的测量值。这种测量是局部的，因此可在应变梯度小的区域进行测量，因此该测量值与预应力没有直接关系。

例如，美国专利文献US5,945,665号中公开了一种布拉格光纤光栅的使用方法。该文献描述了一种方法，包括以下步骤：在紧固件的中心位置钻孔；用粘胶（或者诸如树脂等任何其他类似材料）填充孔；以及，在粘胶聚合之前将光纤安装在粘胶内。

从生产角度来看，安装光纤是复杂的操作过程。必须根据构成构件的材料来选择粘胶，光纤在安装期间会被损坏（尤其相对于其尺寸而言，光纤直径平均为几十微米量级），因此难以相对于构件准确定位布拉格光栅。

另外，通过过盈配合方式使用紧固件时，不再考虑使用这种技术，因为夹紧操作会在光纤周围产生压缩，这会影响光响应，导致不再能对测量值进行可靠分析，从而就不能测定应变、然后估测紧固件中的应力。

本发明的一个目的是至少解决上述部分缺点，因此，提供了一种应变测量装置和方法，因为这种装置和方法对任何构件中的结构影响小，因此是非破坏性和非侵入性的。这种应变测量装置和方法可应用于紧固件，而不会影响组件的刚性，尤其与航空领域中通常采用的大部分应用场合相适配，例如，适用于过盈配合组件、模锻或锁定紧固件（例如，锁定螺栓），或适用于暂时紧固件或适用于进行销连接。本发明的另一个目的是提供一种装置，这种装置不仅助于引入光纤，而且还可用于引入其他类型的传感器。

为此，根据本发明的第一方面，提供了一种应变测量装置，该应变测量装置包括至少一个丝状应变传感器、以及支撑件，该支撑件为长线性形状，丝状应变传感器定位在该支撑件上。

该应变测量装置包括至少一个丝状应变传感器，应该理解为，该应变测量装置可以仅包括一个丝状应变传感器或包括几个应变传感器。该应变测量装置优选具有薄的细长形状，这样就能将该应变测量装置引入尽可能窄的孔中。为此，支撑件有益地为长线性形状。

根据选定的应用场合，丝状应变传感器是绞合式的。

在通常情况下，支撑件可以是被截短的结构或分层结构。可根据其应用场合调整该支撑件的结构形状。

例如，有益地，支撑件例如在纵向方向D上具有对称轴线。支撑件例如具有六边形或圆环形截面。

另外，有利地，根据应用场合要求，支撑件具有圆柱形结构。

在文中，“圆柱形”意为，支撑件沿纵向方向D上的轴线的截面是不变的，优选为直线型。截面可以是任何形状，只要支撑件可使光纤固定在合适位置即可。支撑件的截面例如为圆环形，以使支撑件为管状结构，而便于生产。

为了方便操作和安装支撑件，该应变测量装置例如包括加强元件以提高应变测量装置的刚性。

加强元件优选不受支撑件约束，或最多在一个位置处被固定，这样就不会影响测量。换句话说，加强元件最多在一个位置处固定到支撑件上。

如果支撑件是中空结构，加强元件例如可被引入支撑件的壁界定的内空间中。例如，一盖封闭中空支撑件的一端，加强元件支撑在盖上、或连接到盖上或被设置到盖中。

加强元件例如是其长度至少等于支撑件长度的杆，这样可让加强元件伸展至超出支撑件。然后，在将支撑件插入孔中以进行测量之后可选择抽出加强元件，或选择将其留在该应变测量装置中。

根据有用的实施例，在加强元件和支撑件的壁之间具有空间（即，间隙），从而支撑件能自由弯曲运动。如果支撑件为中空结构，那么所述空间例如布置在整个加强元件周围，从而将加强元件引入支撑件的内空间中。

根据特别实用的实施例，丝状应变传感器是具有一个或更多个光栅的布拉格光纤光栅。

布拉格光纤光栅的几何尺寸可让其容易地引入结构构件的孔中，同时能最合适地使所述孔的尺寸最小化，因此布拉格光纤光栅是特别合适的。

另外，通过使用该应变测量装置，能更容易地将光纤插入孔中并能保持光纤刚性。

根据某实施例，支撑件具有纵向方向D和宽度，丝状应变传感器的主应变方向d被设置成平行于支撑件的纵向方向D。丝状应变传感器借助于一个或更多个连接点而设置在支撑件外表面上。

根据有益的实施例，支撑件是中空结构，其具有纵向方向D和宽度，其还包括具有一定厚度的壁，该壁具有外表面，丝状应变传感器通过一个或更多个连接点定位在该外表面上，丝状应变传感器的主应变方向d被设置成平行于支撑件的纵向方向D。

根据某实施例，丝状应变传感器的测量区域不受支撑件外表面约束，紧固位置（也称之为连接点）优选位于离丝状应变传感器的测量区域一定距离处，这样就不会影响测量。

在文中，“测量区域”意为丝状应变传感器内的敏感位置，用于进行测量。例如，在布拉格光纤光栅的情况下，测量区域是布拉格光栅区域。

例如，如果需测定其应力状态的构件承受相当大的径向压力（例如，过盈配合），那么优选采用支撑件。采用圆柱体支撑件是有益的。另外，如果支撑件是圆柱体，那么选择中空结构，这样就会形成具有弹性、相对柔性的薄外壳，从而能发生一定的径向变形，这样就不会干扰丝状应变传感器的测量。

这样，当丝状应变传感器被压缩的程度相当小时，丝状传感器的应变保持稳定可靠。

因此，这种装置不仅能让丝状应变传感器准确定位在支撑件上，还能固定在其上，从而随后能进行预定测量。

另外，将丝状应变传感器预先定位在支撑件上、随后将它们插入到需测量其预应力状态的构件中，这一测量原理与任何类型的丝状应变传感器（尤其是布拉格光纤光栅）兼容。

由于该应变测量装置具有一个或更多个指示器，因此这种应变测量装置还能控制丝状应变传感器在支撑件上的定位，尤其是传感器测量区域在支撑件上的定位。

丝状应变传感器优选放置在支撑件上，要注意相对于支撑件上的参考位置准确标识测量区域的位置。用于将丝状应变传感器保持在支撑件的合适位置上的方法例如包括，利用几处位置上的粘结剂（优选是测量区域外侧的粘结剂）。

该方法可有效控制丝状应变传感器在支撑件上的定位，在将它们插入到接收构件中期间以及操作期间，这种定位保持固定。

事实上，为了执行测量，该应变测量装置优选被插入到先前形成在结构构件上的孔中，该孔中预先填充有液状或膏状粘结剂。

该应变测量装置一旦被引入，就优选采用指示系统（例如机械止动件或孔底部上的接触件）将该应变测量装置轴向定位在孔中。相对于支撑件标识丝状应变传感器、相对于接收构件标识支撑件，这种双重标识可准确控制测量区域相对于接收构件（将测定该接收构件的应变）的定位。

为了在将中空支撑件引入接收构件（将测定该接收构件的应变）期间避免支撑件中填充粘结剂，支撑件的一端优选被封闭。即，如果支撑件截面为环形，即截面为“O”形而不是开口的“C”形，那么优选封闭支撑件的壁。

例如，支撑件被盖封闭，盖的一端超过支撑件的端部。盖的该端形成保护性止动件以保护支撑件端部；或者，在将应变测量装置引入封闭孔的底部期间，盖的该端防止应变测量装置和孔底部接触；或者，盖的该端有助于、便于插入操作。

有益地，该应变测量装置包括薄管，薄管通过粘结剂封装至少一个丝状应变传感器。即，根据应用要求，薄管可单独封装丝状应变传感器以尤其在将应变测量装置插入孔期间保护该丝状应变传感器，或从整体上对该应变测量装置；从而能保证丝状应变传感器定位或固定在支撑件上。

文中使用的术语“薄”表示管壁厚度优选不会干扰测量。

用于封装的粘结剂例如为树脂。但是，该粘结剂优选与孔内填充的粘结剂相同，这样就能将粘结剂对测量的影响减小到最小。也能使用任何一种粘结剂，只要其主要能实现在被粘结部件之间进行粘结的作用、但在变形测量期间不会产生蠕变即可。

另外，丝状应变传感器通常对温度敏感。考虑到测量期间温度会发生变化，因此，有利地，这种装置包括其他变形传感器，其相对于支撑件不能变形。

如果支撑件是中空的，那么其他变形传感器例如位于支撑件的壁界定的内空间中，从而，测量区域相对于结构构件（应变测量装置将插入其中）而言不会发生变形（即，零应力）。

可供选择地，其他变形传感器也可以是丝状的，如果需要甚至可以是绞合式的。

如果需要，传感器也可如前述那样被封装。

其他变形传感器优选为布拉格光纤光栅。通常，如果应变测量装置包括几个变形传感器，那么所有变形传感器相同将是有益的，这样能更好地保证测量质量，例如它们全部可以是布拉格光纤光栅。

本发明还涉及一种需要测定其残余应力的结构构件，该结构构件包括孔，孔的第一端在该结构构件的第一表面上敞开，该孔容纳前述变形测量装置的丝状应变传感器的至少一个测量区域、以及粘结剂，粘结剂在变形测量装置周围形成膜。

有益地，该应变测量装置的支撑件还起到在结构构件的孔外侧进行连接的支撑作用，即，将至少一个丝状应变传感器连接到一测量装置上。适宜的是，支撑件的长度大于孔深度。

对于通过光纤进行测量而言，光纤的光连接例如可让通过固定到结构构件上的接头来实现，或通过光纤端部处的用于远程连接的连接件来实现。

例如，应变测量装置（尤其支撑件）上和结构构件的第一表面上均具有其他指示器，这样可准确控制丝状应变传感器的测量区域相对于接收构件定位，从而可准确控制该应变测量装置在构件中的方位和定位。

有益地，孔的尺寸被设定成使其宽度稍大于支撑件的宽度。即，孔的尺寸被设定成仅在其和应变测量装置之间产生最优间隙。如果间隙太小，粘结剂由于其粘性而不能容易地在应变测量装置和孔壁之间流动，因此难以将应变测量装置插入孔中。相反地，如果间隙太大，定位在应变测量装置的支撑件上的丝状应变传感器不再能足够靠近孔壁，这样就不能进行有代表性的测量，因此这种情况下测量结果是不真实的。

另外，孔尺寸越小，应变测量装置对构件性能的影响以及对受影响结构的刚性的影响就越小。

孔截面优选为圆形，其宽度等于孔直径。这种情况下，孔为钻孔。但是，孔截面可以为任何形状，例如为八边形，或其形状与所述应变测量装置形状互补，这样就能起到定位器作用，从而能保证将该应变测量装置准确定位在接收构件中。这种孔例如可通过电火花腐蚀方式形成，或在生产所述构件期间直接形成。

所述孔和应变测量装置之间的相对尺寸可让插入在支撑件和孔的侧壁之间的粘结剂膜的厚度相对小。因此，丝状应变传感器就能尽可能地靠近孔表面（将在该表面上进行测量）。另外，粘结剂膜的机械性能对测量的干扰十分小。

有益地，孔具有封闭的第二端。即，孔已经被阻塞、堵塞、或孔的第二端未打开，因此该孔是盲孔而不是通孔，不能被穿透。

封闭孔可控制该应变测量装置的轴向定位，使支撑件紧靠孔底部，因此可便于将应变测量装置插入所述孔中。

优选地，所述孔形成在构件的中心位置处，即，优选形成在中心处或靠近中性光纤，从而可测量与构件的张力或压缩力相关的应力，而不会由于弯曲不稳定性而受干扰。有益地，该孔至少大致与构件的对称轴线同轴。

所述孔还可形成在紧固件的外围上，可以形成几个孔。考虑到构件不稳定、会产生变形或弯曲，因此每个孔包括避免上述情况发生的装置。

最后，本发明还涉及一种方法，用于测量结构构件内的指定方向上的应变，该方法至少包括以下步骤：

-将粘结剂引入形成在结构构件中的孔中；

-将根据前述内容所限定的应变测量装置插入填充有粘结剂的所述孔中；以及

-将该应变测量装置的丝状应变传感器连接到一测量装置上。

因此，该方法适用于很多种构件，尤其适用于航空领域通常使用的紧固件（例如，包括用于卷边的模锻紧固件）。

有益地，加强元件和所述应变测量装置被同时引入所述孔中，一旦所述应变测量装置被插入孔中就将加强元件抽出，从而，例如可将在引入应变测量装置期间支撑件产生弯曲的危险减小到最小。例如，如果所述应变测量装置包括中空支撑件，当加强元件设置在所述应变测量装置的中空支撑件内侧时将该应变测量装置引入，一旦该应变测量装置插入孔中就将加强元件抽出。

这种情况下抽出加强元件，会留下更大空间让支撑件径向变形，这在过盈配合方式下是特别有益的。

优选地，通过使用加强元件将装置引入构件中，可保证具有握持区域，但不会发生损坏支撑件或丝状应变传感器的危险。

附图说明

下面将参照附图以阐释而非限制方式详细描述本发明的优选实施例，通过阅读下面的详细描述内容，可充分理解本发明，并明显看出本发明的优点；附图如下：

图1表示根据本发明的装置；

图2详细地示出了装置的一端，该端将被插入到孔底部；

图3表示装置位于紧固件中的状态；以及

图4详细示出了装置位于孔底部的状态。

具体实施方式

根据本发明的装置包括支撑件1、加强元件3和丝状应变传感器4（其为布拉格光纤光栅），支撑件1的一端11由盖2封闭。下面的描述内容对于前述任何类型的绞合式或非绞合式丝状应变传感器都是有效的，它们都可取代布拉格光纤光栅。

在图1至4所示的实施例中，支撑件1具有截面为圆环形的中空圆柱形结构，即管状结构。支撑件包括壁12，壁12具有外表面13和内表面14，所述内表面14界定内空间15。支撑件还包括两个端部，一个端部11被盖2封闭，盖2至少局部插入内空间15中。一方面，盖2起到的作用是，当该装置被插入孔53中时，可阻止一些粘结剂进入支撑件中；另一方面，盖2的作用是固定加强元件3。

支撑件1具有宽度16和长度17。宽度16等于支撑件1的外径（垂直于纵轴线D所测）。

在外表面13和内表面14之间界定壁12的厚度18，该厚度至少比宽度16小10倍。

盖2具有由外表面21界定的第一端和由内表面22界定的第二端，内表面22朝向支撑件1的内空间15。盖2为与支撑件1的内表面14互补的圆柱形结构，以在支撑件1的端部11处提供密封。

盖2的外表面21和支撑件1的端部11在这种情况下是共面的。另外，图中示出支撑件1的端部11和盖2的表面21的截面均是竖直的，即，垂直于支撑件1的纵轴线D。根据未示出的另一实施例，可斜切端部11以便于将该装置插入孔中；或者，盖2的表面21可超过端部11以在该装置邻接孔底部时形成阻尼器。

盖的第二端由表面22界定，该第二端与表面21平行。该第二端接收加强元件3的一端31，加强元件3例如被表面22的中间部分支撑，但优选被粘结到表面22的中间部分上。

加强元件3也具有截面为圆环形的圆柱形结构，以形成杆。

这样，支撑件1、盖2和加强元件3相对于轴线D对齐，因此，轴线D为该装置的对称轴线。

在加强元件3和支撑件1的内表面14之间界定所述内空间15中的空间19，以在存在加强元件3的情况下使支撑件1保持柔性。例如，可以如前所述那样将其他变形传感器（未示出）定位在该空间中，以补偿热变化。

另外，加强元件3的另一端部32超过支撑件1，从而构成操作该装置的握持区域。

丝状应变传感器4在这种情况下是位于支撑件1的外表面13上的布拉格光纤光栅。

丝状应变传感器4的轴线d平行于支撑件1的轴线D，支撑件可沿轴线D发生变形。因此，轴线d构成丝状应变传感器4（这种情况下至少有一个布拉格光纤光栅）的测量区域43的主应变方向。丝状应变传感器4通过其端部处的两处粘结剂连接到支撑件1上。在该实施例中，在加强元件3超过支撑件1端部的一侧，丝状应变传感器4也超过支撑件1的该端部。因而，连接点优选位于丝状应变传感器4的端部41处和离测量区域43一定距离的位置42处。测量区域例如位于两位置41、42之间的中间位置上。

前述装置将被插入构件5的孔3中。

根据该实施例，构件5具有头部51和主体52，构件5的轴线57构成对称轴线。

孔53具有表面55、第一端54和第二端56，第一端54在头部51的表面58上是敞开的，第二端56形成底部。在这种情况下，例如以钻孔方式形成孔53，孔53是封闭的，不是通孔。当将所述装置插入孔53中时，盖2的端部21然后靠紧孔53的底部56，从而可保证丝状应变传感器4沿轴线57进行定位，尤其保证测量区域43沿轴线57进行定位。所述表面58还具有至少一个指示器（图中未示出该指示器），以便于将所述装置定位在孔中。

支撑件1或加强元件3均可具有位于构件5外部的至少一个指示器，便于控制装置的定位。

孔53沿轴线57具有一定深度，从而，当装置插入孔53中时，孔53至少包括丝状应变传感器4（这种情况下，为布拉格光纤光栅）的测量区域43。有益地，该装置延伸超过53的端部54以便于操作所述装置。

在插入该装置之前，孔53局部或完全填充有粘结剂（未示出）。在孔的表面55和所述装置之间界定间隙59（即，小空间），从而粘结剂然后在已被插入孔53中的装置周围形成膜。另外，粘结剂至少覆盖所述测量区域43。

另外，孔53被定位成使构件5的轴线57至少大致与所述装置的支撑件1的轴线D重合，即，优选从表面58的中心开始形成孔53，这样所述装置就尽量靠近构件5的中心而测量应变。

为了进行测量，丝状应变传感器4然后连接到测量装置（图中未示出）上。

Claims (15)

1.应变测量装置，其包括至少一个丝状应变传感器（4），其特征在于：该应变测量装置包括长线性结构的支撑件（1）且包括加强元件（3），丝状应变传感器（4）位于该支撑件（1）上。

2.根据权利要求1的应变测量装置，其特征在于：加强元件（3）最多在一个位置处固定到支撑件（1）上。

3.根据权利要求1或2的应变测量装置，其特征在于：在加强元件（3）和支撑件（1）的壁（12）之间形成空间（19），以使支撑件（1）能自由弯曲运动。

4.根据权利要求1至3中的任一权利要求的应变测量装置，其特征在于：丝状应变传感器（4）是布拉格光纤光栅。

5.根据权利要求1至4中的任一权利要求的应变测量装置，其特征在于：支撑件（1）是中空的，具有纵向方向（D）和宽度（16），支撑件（1）还包括壁（12），壁（12）具有厚度（18）和外表面（13），丝状应变传感器（4）通过一个或更多个连接点（41,42）定位在所述外表面（13）上，丝状应变传感器（4）的主应变方向（d）被设置成平行于支撑件（1）的纵向方向（D）。

6.根据权利要求5的应变测量装置，其特征在于：支撑件（1）的一端（11）是封闭的。

7.根据权利要求6的应变测量装置，其特征在于：支撑件（1）由盖（2）封闭，盖（2）的一端部（21）超过支撑件（1）的所述一端（11）。

8.根据权利要求1至7中的任一权利要求的应变测量装置，其特征在于：该装置包括薄管，该薄管通过粘结剂至少封装所述丝状应变传感器（4）。

9.根据权利要求5至8中的任一权利要求的应变测量装置，其特征在于：该装置包括相对于支撑件（1）不进行变形的其他应变传感器，所述不进行变形的其他应变传感器位于由中空支撑件（1）的壁（12）界定的内空间（15）中。

10.包括有孔（53）的一种结构构件（5），所述孔（53）的第一端（54）在该结构构件（5）的第一表面（58）上敞开，其特征在于：所述孔（53）容纳根据权利要求1至9中的任一权利要求的应变测量装置的丝状应变传感器（4）的至少一个测量区域（43）、以及粘结剂，该粘结剂在应变测量装置周围形成膜。

11.根据权利要求10的结构构件（5），其特征在于：所述孔（53）具有封闭的第二端（56）。

12.根据权利要求10或11的结构构件（5），其特征在于：所述孔（53）至少大致与所述结构构件（5）的对称轴线（57）同轴。

13.用于测量结构构件（5）内的指定方向上的应变的方法，其特征在于：该方法至少包括以下步骤：

将粘结剂引入形成在所述结构构件（5）上的孔中；

将根据权利要求1至9中的任一权利要求的应变测量装置插入填充有粘结剂的所述孔（53）中；以及

将所述应变测量装置的丝状应变传感器（4）连接到一测量装置上。

14.根据权利要求13的方法，其特征在于：在加强元件（3）设置在所述应变测量装置的中空支撑件（1）内侧的同时，将该应变测量装置引入所述孔（53）中；一旦该应变测量装置被插入所述孔（53）中，就将加强元件（3）抽出。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于：利用加强元件（3）来将所述应变测量装置引入所述孔中。

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