CN104390600A - 一种用于大变形柔性结构的应变传感器的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空结构应变测量传感器技术领域，涉及一种用于大变形柔性结构的应变传感器的设计方法。所述设计方法包括以下步骤：步骤一，选用放大装置；步骤二，设计传感器集成方式；步骤三，设计封装方式。本发明提供了新型柔性结构大应变测量方法，可以弥补现有应变测量手段无法测量柔性结构大应变量的缺陷，测量范围可以达到300000μ或以上的应变值，是现有应变传感器量程的10倍以上。

Description

一种用于大变形柔性结构的应变传感器的设计方法

技术领域

本发明属于航空结构应变测量传感器技术领域，涉及一种用于大变形柔性结构的应变传感器的设计方法。

背景技术

常规的应变传感器应变片的测量范围是10000～20000μ，即试验件变形量在1％～2％之间；对于大变形的柔性结构如橡胶制品来说，通常变形量可以达到20％～30％甚至更大，常规的应变测量传感器量程不够，无法测量其应变。

LPFG(Long-Period Fiber Grating)长周期光纤光栅传感器是一种光纤无源带阻滤波器件，其具有无后向反射、全兼容于光纤、体积小和可埋入智能材料等优点。其基本原理是：LPFG的谐振波长随弯曲曲率和扭转角的增加而线性变化，依据该线性关系，通过测量光纤中LPFG的谐振波长就可以实现光纤曲率和扭转角变化量的测量。

利用LPFG光纤能够测量曲率和扭转角的特性通过一定的转换达到测量柔性结构大应变量的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于大变形柔性结构的应变传感器的设计方法，其利用波纹板或弹簧的变形特性，发明两种应变放大装置，将柔性结构的大变形量转换为光纤的小应变量。

本发明的技术方案是：一种用于大变形柔性结构的应变传感器的设计方法，其特征为所述设计方法包括以下步骤：

步骤一，选用放大装置：

由于波纹板的伸长量和波峰处曲率变化成线性对应关系，波峰处曲率变化为小应变，测量波峰处曲率变化即可得到波纹板的伸长量，以此达到大变形量向小应变量的转换目的；同理，弹簧的伸长量和螺旋线圈的扭转量成线性对应关系；因此选用波纹板和弹簧为本发明的放大装置；

步骤二，设计传感器集成方式：

将LPFG长周期光纤植入波纹板的波峰上或圆柱螺旋弹簧的螺旋线位置，通过LPFG长周期光纤测量波纹板的波峰曲率变化和弹簧螺旋线圈的扭转量；

步骤三，设计封装方式：

将植入LPFG长周期光纤的波纹板或圆柱螺旋弹簧封装在保护套内形成整体的应变测量传感器；保护套由两部分可相对移动的盒子组成，波纹板或弹簧的两端分别和一个盒子固定；盒子两端通过硅橡胶粘贴在试验件表面测量试验件应变量。

本发明的有益效果是：本发明用于大变形柔性结构的应变传感器的设计方法，提供了新型柔性结构大应变测量方法，可以弥补现有应变测量手段无法测量柔性结构大应变量的缺陷，测量范围可以达到300000μ或以上的应变值，是现有应变传感器量程的10倍以上；本发明中所用的核心传感元件是长周期光纤光栅传感器，其抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性和长期稳定性好，适合恶劣环境下的变形检测；本发明通过改变弹簧或波纹板的几何尺寸和材料，可以实现不同量程的传感器；本发明中的封装技术成熟，易操作，可靠性高，容易实现机械化批量生产，成本低。

附图说明

图1(a)为波纹板封装示意图；

图1(b)为波纹板封装剖面示意图；

图2为波纹板尺寸示意图；

图3(a)为弹簧封装示意图；

图3(b)为弹簧封装剖面示意图；

图3(c)为弹簧封装局部示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

参见附图，图1(a)、1(b)给出了波纹板封装后的传感器装置示意图；图2给出了波纹板尺寸示意图；图3(a)、3(b)、3(c)给出了弹簧封装后的传感器装置示意图。

(1)波纹板传感器集成方式：选择厚度为0.2mm的波纹板，在波纹板表面波峰位置处对称轴线上粘贴LPFG长周期光纤，用密封胶固定。

弹簧传感器集成方式：选择高分子薄壁管，管直径约0.7mm，将LPFG长周期光纤穿进管内并用密封胶填充管内壁，保证光纤位于薄壁管轴线位置。将植入LPFG光纤的高分子薄壁管制成弹簧。

(2)传感器封装方式：传感器的封装装置主要是护套，护套由两部分可自由相对移动的盒子组成，护套植入光纤的波纹板或弹簧通过密封胶固定在护套上。波纹板或弹簧的两端分别和一个盒子固定。整个传感器通过护套两端的粘贴区用硅橡胶粘贴在试验件表面。

(3)通过波纹板伸长量与波峰位置曲率半径之间的对应关系，或弹簧伸缩量与弹簧螺旋线扭转角之间的对应关系，实现大变形向小变形的转换，具体是在波纹板波峰位置或圆柱螺旋弹簧螺旋线上上粘贴LPFG长周期光纤，利用LPFG的谐振波长随弯曲曲率和扭转角的增加而线性变化，进而得到光纤各点的变形量，利用事先标定的波纹板伸长量与波峰位置曲率半径之间的对应关系，或弹簧伸缩量与弹簧螺旋线扭转角之间的对应关系，实现对大变形试验件应变值的测量。

(4)传感器完成后需要对其标定波纹板伸长量与波峰位置曲率半径之间的对应关系，或弹簧伸缩量与弹簧螺旋线扭转角之间的对应关系。

本发明利用波纹板或弹簧的结构变形特性通过一定的封装实现光纤扭转和弯曲量向柔性结构大变形的应变量之间的转化：1)大变形柔性结构应变测量传感器的量程远大于现有应变传感器，且量程可变；2)传感器核心元件为长周期光纤光栅传感器，其抗干扰能力强；3)应变转换结构为波纹板和圆柱螺旋弹簧；4)通过封装将传感器保护好，能够适应更多环境下的应变测量。

Claims (1)

1.一种用于大变形柔性结构的应变传感器的设计方法，其特征为所述设计方法包括以下步骤：

步骤一，选用放大装置：

由于波纹板的伸长量和波峰处曲率变化成线性对应关系，波峰处曲率变化为小应变，测量波峰处曲率变化即可得到波纹板的伸长量，以此达到大变形量向小应变量的转换目的；同理，弹簧的伸长量和螺旋线圈的扭转量成线性对应关系；因此选用波纹板和弹簧为本发明的放大装置；

步骤二，设计传感器集成方式：

将LPFG长周期光纤植入波纹板的波峰上或圆柱螺旋弹簧的螺旋线位置，通过LPFG长周期光纤测量波纹板的波峰曲率变化和弹簧螺旋线圈的扭转量；

步骤三，设计封装方式：

将植入LPFG长周期光纤的波纹板或圆柱螺旋弹簧封装在保护套内形成整体的应变测量传感器；保护套由两部分可相对移动的盒子组成，波纹板或弹簧的两端分别和一个盒子固定；盒子两端通过硅橡胶粘贴在试验件表面测量试验件应变量。