CN103837273A - 应力监测装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种应力监测装置，包括光纤光栅、光纤和应变体，在应变体的侧壁上固定安装有覆盖侧壁的保护壳体，保护壳体上开设有出纤孔，环绕出纤孔设置有保护挡板；在保护壳体和应变体侧壁之间的布设空间内，光纤的第一端固定在应变体侧壁上，沿应变体轴向，在应变体侧壁上按一定缠距缠绕光纤并固定，沿光纤的轴向在光纤上设置光纤光栅，光纤的第二端通过出纤孔伸出保护壳体，与宽频入射光源相连接，光纤光栅解调仪通过光耦合器连接光纤的第二端。可以避免易受电磁干扰、温漂大、环境适应性差的缺点。还包括一种制造方法。

Description

应力监测装置及制造方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置及方法，特别是涉及一种用于栓系应力的监测装置及方法。

背景技术

目前的浮空平台多采用系留缆绳连接地面的锚泊车，完成系留锚泊。系留缆绳中包括的电缆和光缆分别负责从地面向浮空平台提供电力保障，提供控制信号的上下行传输。当浮空平台在空中工作时，一旦系留缆绳的栓系力下降，会导致浮空平台挣脱缆绳束缚，造成球体失控损坏、人员伤亡等严重事故。因此必须对其系留应力进行实时在线监测，以保障浮空平台的安全。

现今系留缆绳和浮空平台间采用压电式应力传感器进行浮空平台的拉力监测，采用压电式测量原理，通过对电信号的监测从而确定所受拉力的大小。常规的压电式应力传感器在使用过程中存在零点漂移大、温度漂移大、抗干扰能力差等缺点，其输出参数往往会随时间和外界环境变化而产生波动，严重影响数据的采集精度和分辨率，相对误差较大，严重时甚至会给出错误信号，导致参数检测异常，系统无法正常工作。

目前存在一种光纤光栅测量技术，利用布拉格光栅，通过对光栅反射波长的变化实现对被测量应力应变的测量。如果将光纤光栅固定在应变体上，当外加应力通过结构体转换成应变时，光纤光栅受应变体应力变化影响，反射波长发生漂移，利用宽频带入射光和相应的光纤光栅解调设备就可以采集波长变化数据，就有可能实现应力变化的相应线性测量。

光纤光栅的制造存在内部写入法、相位掩膜法等方法，但受受工艺影响，其结构还不能在恶劣的高空系留环境下长期使用。同时光纤光栅在低温环境下也会出现色散效应，使测量精度下降。

发明内容

本发明的目的是提高一种应力监测装置，解决无法利用光纤光栅进行有效的应力变化实时监测的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种制造方法，解决浮空平台系留缆绳的栓系应力监测装置易受环境因素影响，无法准确测量的技术问题。

本发明的应力监测装置，包括光纤光栅、光纤和应变体，其特征在于：在应变体的侧壁上固定安装有覆盖侧壁的保护壳体，保护壳体上开设有出纤孔，环绕出纤孔设置有保护挡板；在保护壳体和应变体侧壁之间的布设空间内，光纤的第一端固定在应变体侧壁上，沿应变体轴向，在应变体侧壁上按一定缠距缠绕光纤并固定，沿光纤的轴向在光纤上设置光纤光栅，光纤的第二端通过出纤孔伸出保护壳体，与宽频入射光源相连接，光纤光栅解调仪通过光耦合器连接光纤的第二端。

所述光纤光栅包括第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅，分别位于应变体轴线两侧对称的位置。

所述光纤光栅还包括温度补偿光栅，温度补偿光栅，第一测量光纤光栅，第二测量光纤光栅形成串联形式。

所述保护壳体上沿轴向开设有一个矩形通孔，保护挡板采用弹性材料紧密嵌入矩形通孔，在保护挡板上开设出纤孔。

所述应变体采用轴线上开设有通孔的圆柱体，其外形尺寸为（φ60mm±1mm）×（120mm±1mm）、重量不大于2kg，通孔尺寸为φ20mm±1mm。

所述应力监测装置的制造方法，包括以下步骤：

首先，在光纤上制作布拉格光栅；

其次，提高光栅稳定性；

其次，光栅表面金属化；

其次，光栅与应变体焊接。

所述提高光栅稳定性通过高压载氢、高温退火工艺。

所述光栅表面金属化通过化学镀结合电镀的方法在光纤光栅表面镀铜。

所述光栅与应变体焊接中包括将光纤光栅置于应变体侧壁贴覆预拉。

所述与应变体焊接的光栅包括形成串联形式的第一测量光纤光栅、第二测量光纤光栅和温度补偿光栅，在应变体侧壁上敷设好第一测量光纤光栅之后，通过缠绕光纤，将第二测量光纤光栅敷设在应变体中心轴线另一侧的应变体侧壁上。

本发明的应力监测装置，解决常规电传感器易受电磁干扰、温漂大、环境适应性差的缺点。基于光纤传感技术，可以实现大量程应力测量，其最大应力可达200kN，满足大型浮空平台的载荷应力监测要求，同时具有抗电磁干扰、温度和零点漂移小、环境适应性强的特点，通过采用光纤进行应力传感，其抗电磁干扰能力大大增强，可以满足GJB151A-97的要求，不受电磁干扰的影响，同时其环境适应性也大大增强，在平台机载振动、冲击、气压等综合环境下均能准确的进行参数的监测。

创新无源化结构形式，使产品具有抗电干扰性能，能够在强电磁干扰环境下进行数据的获取，完全解决了现有电传感器的易受电磁干扰的难题。

采用无胶化封装，创新的使用光纤光栅金属化工艺结合钎焊嵌入结构体的方式，解决了有胶粘贴工艺带来的易断裂、脱落等问题。

采用特殊封装工艺，创新的使用预拉工艺解决低温环境下光纤光栅传感器易产生啁啾的现象。

采用高精度应力测量技术，创新的使用串联温补光栅和双光栅均值法，解决了传感器的温度对应力测量的影响，减小了偏心载荷对测量精度的影响。

本发明利用光纤光栅对系留缆绳及组件所受的应力进行测量，当平台在高空随气流波动而造成系留缆绳及组件所受应力的变化，通过对其应力的变化可以获得平台工作的安全系数，当应力超出系留缆绳及组件的承受能力会及时报警，从而确保浮空平台的安全可靠。

本发明解决了原有的压电式传感器抗干扰能力差、环境适应性差、温漂大需多次校准等缺点，具有量程大、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、耐候性、传输距离远、温漂小的特点，进一步提高了浮空平台电磁干扰环境下的工作能力，扩展了浮空平台的环境适应条件，延长浮空平台的滞空工作时间，为全天候预警监视提供良好的技术支撑，具有重要的多领域应用意义。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

附图说明

图1为本发明应力监测装置的结构示意图；

图2为本发明应力监测装置中光纤光栅无胶封装工艺的流程示意图；

图3为本发明应力监测装置中光纤光栅的布设方式示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中包括光纤光栅、光纤01和应变体（承压体）04，在应变体04的侧壁上固定安装有覆盖侧壁的保护壳体05，保护壳体05上开设有出纤孔06，环绕出纤孔设置有保护挡板；在保护壳体05和应变体04侧壁之间的布设空间内，光纤01的第一端固定在应变体侧壁上，沿应变体04轴向，在应变体04侧壁上按一定缠距缠绕光纤01并固定，沿光纤01的轴向在光纤上设置光纤光栅，光纤01的第二端通过出纤孔06伸出保护壳体05，与宽频入射光源02相连接，光纤光栅解调仪03通过光耦合器07连接光纤01的第二端。

为了适应现有系留结构空间与系留缆绳配合，应变体04采用轴线上开设有通孔的圆柱体，其外形尺寸为（φ60mm±1mm）×（120mm±1mm）、组件重量不大于2kg，通孔尺寸为φ20mm±1mm。

为了确保振动、冲击等机械性能作用时不会产生开裂等现象，进一步增强产品的可靠性、耐机械性能，可以在保护壳体05上沿轴向开设有一个矩形通孔，保护挡板采用弹性材料紧密嵌入矩形通孔，在保护挡板上开设出纤孔06。

光纤光栅解调仪03（光纤光栅解调器）位于地面锚泊车内，用于实现光纤光栅信号的解调处理，并将测量的应力信号提供上位系统，用于实时显示及预警。与光纤连接的传输光缆采用非金属材料加强保护，选用普通软光缆即可，用于实现作为传感器的光纤光栅与空中平台上的光分支器连接。本实施例解决了传统结构带来的电磁干扰性能差的问题，项利用光纤的绝缘抗干扰特性，实现了应力监测装置无源结构。

使用胶水封装在光纤上的光纤光栅，由于封装形式受高空环境温度变化影响较大，造成较长使用时间后封装胶水稳定性下降，会造成应力监测装置可靠性降低，使用寿命缩短。

如图2所示，本实施例中光纤光栅的封装采用了如下步骤：

首先，利用准分子激光器通过相位掩模板在光纤上刻制短距的光纤布拉格光栅，刻制的光栅波长为1525nm～1565nm，带宽≤0.2nm，光栅栅区长度≤5mm，刻制好的光栅经过高压载氢、高温退火工艺，提高光栅的稳定性；

其次，对光纤光栅进行表面金属化，利用化学镀结合电镀的方法在光纤光栅表面镀铜，步骤包括：去保护层，除油，粗化，活化，化学镀镍，电镀铜；

然后，利用钎焊方式将光纤上金属化的光纤光栅与应变体04焊接成一体。具体步骤包括：

选用Sn-4Ag-3Zn钎料；

加热使钎料均匀涂敷到应变体04侧壁和金属化的光纤光栅上；

钎料熔化凝固即可。

为了进一步消除低温变化时入射光波长的啁啾现象，对光纤光栅施加预拉伸。具体步骤包括：

将光纤光栅置于应变体04侧壁贴覆预拉；

固定后再进行加热，钎料熔化凝固即可。

施加预拉之后的光纤光栅，其收缩会使光纤光栅向短波长方向移动，只要保证预拉的波长范围能够满足光纤光栅受收缩效应影响的范围，则入射光波不会出现啁啾现象。这样就避免了光波色散造成的反射中心波长精度下降。

如图3所示，本实施例中，为了实现高精度应变测量，在缠绕应变体04的光纤01上，设置第一测量光纤光栅08和第二测量光纤光栅09，分别位于应变体04轴线两侧对称的位置，进一步消除偏心受力过程中，应力造成的受力不均匀现象，实现测量的精度要求，形成双光栅均值法减小偏心载荷计算误差。

在制作过程中，将两根光纤光栅串联起来的方法，是在应变体04侧壁上敷设好第一测量光纤光栅08之后，通过缠绕光纤01，将第二测量光纤光栅09敷设在应变体04中心轴线另一侧的应变体04侧壁上，通过对对称侧壁表面所受应力的变化，可以避免测量计算时偏心受力误差的出现，在实际测试过程中也发现偏心现象确实存在，如果不通过双光栅测量的话，将会极大的影响系统的精度。

同时还在缠绕应变体04的光纤01上，设置温度补偿光栅10。

传统的温度减敏方式采用热膨胀系数小且对温度不敏感的材料对光栅进行封装，在很大程度上可以改善温度对应力测量精确性的影响。但这种封装将会对应力的测量选材造成一定的局限性，且并不能从根本上去除温度的影响，只是降低温度的影响因子，势必还会对应力的测量数据造成一定的干扰。基于此，我们拟采用附加温度补偿光栅进行温度测量，作为应力测量过程中温度影响的消除方式。实现应力测量过程中的温度补偿。

温度补偿光栅10，第一测量光纤光栅08，第二测量光纤光栅09形成串联形式。

本实施例本发明通过设计合理的无源化承压体结构，使之满足在电磁干扰情况下的应力测量，实时的感知承压体所承受的应力。通过在承压体内部的对称面上分别封装光纤光栅，能够实现对应力偏心载荷的剔除，确保传感器测量的精度。在工艺上，通过对光纤光栅封装进行预拉，避免光纤光栅在环境波动情况下产生啁啾现象，使产品能够满足指标要求的环境适应性能，达到较高的可靠性要求。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种应力监测装置，包括光纤光栅、光纤（01）和应变体（04），其特征在于：在应变体（04）的侧壁上固定安装有覆盖侧壁的保护壳体（05），保护壳体（05）上开设有出纤孔（06），环绕出纤孔设置有保护挡板；在保护壳体（05）和应变体（04）侧壁之间的布设空间内，光纤（01）的第一端固定在应变体侧壁上，沿应变体（04）轴向，在应变体（04）侧壁上按一定缠距缠绕光纤（01）并固定，沿光纤（01）的轴向在光纤上设置光纤光栅，光纤（01）的第二端通过出纤孔（06）伸出保护壳体（05），与宽频入射光源（02）相连接，光纤光栅解调仪（03）通过光耦合器（07）连接光纤（01）的第二端。

2.根据权利要求1所述的应力监测装置，其特征在于：所述光纤光栅包括第一测量光纤光栅（08）和第二测量光纤光栅（09），分别位于应变体（04）轴线两侧对称的位置。

3.根据权利要求2所述的应力监测装置，其特征在于：所述光纤光栅还包括温度补偿光栅（10），温度补偿光栅（10），第一测量光纤光栅（08），第二测量光纤光栅（09）形成串联形式。

4.根据权利要求3所述的应力监测装置，其特征在于：所述保护壳体（05）上沿轴向开设有一个矩形通孔，保护挡板采用弹性材料紧密嵌入矩形通孔，在保护挡板上开设出纤孔（06）。

5.根据权利要求4所述的应力监测装置，其特征在于：所述应变体（04）采用轴线上开设有通孔的圆柱体，其外形尺寸为（φ60mm±1mm）×（120mm±1mm）、重量不大于2kg，通孔尺寸为φ20mm±1mm。

6.根据权利要求1至5任一所述应力监测装置的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

首先，在光纤上制作布拉格光栅；

其次，提高光栅稳定性；

其次，光栅表面金属化；

其次，光栅与应变体焊接。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：所述提高光栅稳定性通过高压载氢、高温退火工艺。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于：所述光栅表面金属化通过化学镀结合电镀的方法在光纤光栅表面镀铜。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于：所述光栅与应变体焊接中包括将光纤光栅置于应变体（04）侧壁贴覆预拉。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于：所述与应变体焊接的光栅包括形成串联形式的第一测量光纤光栅（08）、第二测量光纤光栅（09）和温度补偿光栅（10），在应变体（04）侧壁上敷设好第一测量光纤光栅（08）之后，通过缠绕光纤（01），将第二测量光纤光栅（09）敷设在应变体（04）中心轴线另一侧的应变体（04）侧壁上。

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