CN105910547A - 高温环境下承受大变形的应变传感器 - Google Patents

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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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Abstract

本发明实施例公开了高温环境下承受大变形的应变传感器，涉及力学传感器技术领域，能够以较低的成本在高温环境下大变形结构的应变测量。该应变传感器由保护盒、弹簧和蓝宝石光纤组成；弹簧为圆柱螺旋弹簧，两根蓝宝石光纤分别集成在不同的弹簧中；保护盒由两个可相对移动的盒子组成，两根蓝宝石光纤封装在保护盒内，两根蓝宝石光纤各自的一端分别与组成保护盒不同的盒子连接，在保护盒的两侧用耐高温粘结剂与结构表面贴合；一根蓝宝石光纤所集成在的弹簧与保护盒进行位置固定，并用于应变测量；另一根蓝宝石光纤集成在的弹簧与保护盒之间不进行位置固定，并用于测量环境导致光纤的变形量。本发明适用于高温环境下的大变形测量。

Description

高温环境下承受大变形的应变传感器
技术领域
本发明涉及力学传感器技术领域，尤其涉及高温环境下承受大变形的应变传感器。
背景技术
随着飞行器设计技术的不断发展，飞行器的运行环境也变得越来越复杂，高温、高压、腐蚀等恶劣环境会对飞机结构造成一定的影响。为了在试飞和日常维护中能够准确掌握飞机结构的情况，尤其是在高温环境下通过应变传感器探测飞机结构的应力变化。并且，在目前的设计中也提出了柔性结构的概念，柔性结构的变形相比于常规结构而言变形量会比较大。
针对高温环境测量，当前应用较为成熟的是光纤传感器，但是光纤传感器只能测量常规应变，由于光纤本身的特性，如瑞利散射、固有吸收、弯曲挤压等造成的光纤衰减，会减少光纤的使用寿命，使得光纤传感器难以够承受大变形。
因此，目前缺乏成本较低且能够有效应用在高温环境下承受大变形的测量的应变传感器。
发明内容
本发明的实施例提供高温环境下承受大变形的应变传感器，能够以较低的成本在高温环境下大变形结构的应变测量。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
所述应变传感器由保护盒、弹簧和蓝宝石光纤组成；
所述弹簧为圆柱螺旋弹簧，两根蓝宝石光纤分别集成在不同的弹簧中，其中，一根蓝宝石光纤集成在一个弹簧的螺旋线位置，且与弹簧的金属管壁之间的空闲区域通过密封胶进行位置固定；
所述保护盒由两个可相对移动的盒子组成，两根蓝宝石光纤封装在所述保护盒内，两根蓝宝石光纤各自的一端分别与组成所述保护盒不同的盒子连接，所述在保护盒的两侧用耐高温粘结剂与结构表面贴合；
一根蓝宝石光纤所集成在的弹簧与所述保护盒进行位置固定，并用于应变测量；另一根蓝宝石光纤集成在的弹簧与所述保护盒之间不进行位置固定，并用于测量环境导致光纤的变形量。
本发明实施例提供的用于高温环境下承受大变形的应变传感器，利用弹簧结构的变形特点，将蓝宝石光纤集成在弹簧的螺旋线位置，从而将结构的大变形转化为纤维的小变形，实现大变形结构的应变测量。所使用的蓝宝石单晶由于具有极好的高温物理化学性能，熔点最高可达2045℃，是一种优良的红外耐高温光学材料，非常适用于高温下应变测量使用，利用蓝宝石光纤的高温特性，使得本实施例中的蓝宝石光纤应变传感器可以在1000℃以下的温度工作，适合目前绝大多数高温恶劣使用环境，且应变测量范围至少是目前常用应变片测量范围的10倍以上，适合目前绝大多数大变形结构的应变测量。应变传感器的量程可以通过改变弹簧尺寸实现改变成本低廉且易操作，可靠性高。从而实现了以较低的成本在高温环境下大变形结构的应变测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的应变传感器的左视图；
图2为本发明实施例提供的应变传感器的剖视图；
图3为本发明实施例提供的应变传感器中的蓝宝石光纤的集成方式示意图；
图4为本发明实施例提供的应变传感器中的黏贴区域的示意图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明实施例提供高温环境下承受大变形的应变传感器，如图1、2和4所示的，所述应变传感器由保护盒、弹簧和蓝宝石光纤组成。
所述弹簧为圆柱螺旋弹簧，两根蓝宝石光纤分别集成在不同的弹簧中，其中，一根蓝宝石光纤集成在一个弹簧的螺旋线位置，且与弹簧的金属管壁之间的空闲区域通过密封胶进行位置固定。
在本实施例中，如图1、2和4所示的，由于蓝宝石光纤的尺寸比较小，由其构成的弹簧结构稳定性较差，因此将其集成在圆柱螺旋弹簧的螺旋线位置，通过蓝宝石光纤测量出线圈的扭转量，光纤与弹簧管壁之间用密封胶进行位置固定。
其中，所述弹簧的管壁的直径为0.5mm，所述弹簧的管壁的材料采用GH99高温合金。例如：如图1和3所示的，采用直径为0.5mm的耐高温的金属管作为弹簧的外壳，
具体的，所述保护盒采用工业304不锈钢，所述密封胶采用1280℃耐高温密封胶。在实际应用中，可以通过标定弹簧伸长量与弹簧螺旋扭转角之间的关系，作为放大倍数。
所述保护盒由两个可相对移动的盒子组成，两根蓝宝石光纤封装在所述保护盒内，两根蓝宝石光纤各自的一端分别与组成所述保护盒不同的盒子连接，所述在保护盒的两侧用耐高温粘结剂与结构表面贴合。例如：如图4所示的，在保护盒的两端是粘结区域，通过耐高温粘结剂与结构表面连接在一起。
一根蓝宝石光纤所集成在的弹簧与所述保护盒进行位置固定，并用于应变测量。另一根蓝宝石光纤集成在的弹簧与所述保护盒之间不进行位置固定，并用于测量环境导致光纤的变形量。
在本实施例中，采用弹簧形式作为应变传感器对的放大形式，由于弹簧的伸长量与线圈扭转量之间是存在线性关系，因此只需通过蓝宝石光纤测出线圈的扭转量，结合对应的放大关系就可以得出光纤的伸长量。本实施例中具体采用圆柱形螺旋弹簧，弹簧的刚度与圆柱直径的四次方成正比，螺旋节径的三次方成反比。为了减小弹簧本身对测量的影响，应适当降低弹簧的刚度，因此采用较小的圆柱直径与相对较大的螺旋节径。例如：所述弹簧的圆柱直径小于第一阈值，所述弹簧的螺旋节径大于第二阈值，所述第二阈值大于所述第一阈值。对于圆柱形螺旋弹簧而言，弹簧的刚度与圆柱直径的四次方成正比，螺旋节径的三次方成反比。为了减小弹簧本身对测量的影响，应适当降低弹簧的刚度，因此采用较小的圆柱直径与相对较大的螺旋节径。为了实现高温测量的目的，弹簧薄壁材料采用GH99高温合金。其中，弹簧的放大倍数可以通过事先通过弹簧伸长量与线圈扭转量之间的关系进行标定。
在本实施例的优选方案中，如图1、2、3和4所示的，具体采用圆柱螺旋弹簧的放大形式，所述弹簧的中间主螺旋长为20mm，螺距为3mm，螺旋节径为10mm。所述弹簧的两侧过渡螺旋长为0.5mm，螺距为1mm，螺旋节径为5mm。通过蓝宝石光纤测出螺旋扭转量，再结合一定的放大形式，得出蓝宝石光纤的变形量。
在本实施例的优选方案中，同时为了消除环境温度对传感器测量的影响，采用差值补偿的方法，即在保护盒内部布置两根纤维，一根作为应变测量使用，与保护盒固定在一起，与之一起变形。另一根作为环境补偿使用，与保护盒之间没有固定连接，测量出环境导致光纤的变形量。例如：如图1所示，①号弹簧管用来消除温度对测量的影响，它只测量温度导致弹簧管的变形，与保护盒之间没有任何固定连接，所测结构的变形不会导致它的变形。②号弹簧管与保护盒之间采用密封胶进行固定连接，用于测量出温度和结构变形导致的弹簧管的变形量。因此两根弹簧管测出的应变值通过差值补偿的方法就可以消除环境温度对测量的影响。
本发明实施例提供的用于高温环境下承受大变形的应变传感器，利用弹簧结构的变形特点，将蓝宝石光纤集成在弹簧的螺旋线位置，从而将结构的大变形转化为纤维的小变形，实现大变形结构的应变测量。所使用的蓝宝石单晶由于具有极好的高温物理化学性能，熔点最高可达2045℃，是一种优良的红外耐高温光学材料，非常适用于高温下应变测量使用，利用蓝宝石光纤的高温特性，使得本实施例中的蓝宝石光纤应变传感器可以在1000℃以下的温度工作，适合目前绝大多数高温恶劣使用环境，且应变测量范围至少是目前常用应变片测量范围的10倍以上，适合目前绝大多数大变形结构的应变测量。应变传感器的量程可以通过改变弹簧尺寸实现改变成本低廉且易操作，可靠性高。从而实现了以较低的成本在高温环境下大变形结构的应变测量。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.高温环境下承受大变形的应变传感器，其特征在于，所述应变传感器由保护盒、弹簧和蓝宝石光纤组成；
所述弹簧为圆柱螺旋弹簧，两根蓝宝石光纤分别集成在不同的弹簧中，其中，一根蓝宝石光纤集成在一个弹簧的螺旋线位置，且与弹簧的金属管壁之间的空闲区域通过密封胶进行位置固定；
所述保护盒由两个可相对移动的盒子组成，两根蓝宝石光纤封装在所述保护盒内，两根蓝宝石光纤各自的一端分别与组成所述保护盒不同的盒子连接，所述在保护盒的两侧用耐高温粘结剂与结构表面贴合；
一根蓝宝石光纤所集成在的弹簧与所述保护盒进行位置固定，并用于应变测量；另一根蓝宝石光纤集成在的弹簧与所述保护盒之间不进行位置固定，并用于测量环境导致光纤的变形量。
2.根据权利要求1所述的用于高温环境下承受大变形的应变传感器，其特征在于，所述弹簧的圆柱直径小于第一阈值，所述弹簧的螺旋节径大于第二阈值，所述第二阈值大于所述第一阈值。
3.根据权利要求2所述的用于高温环境下承受大变形的应变传感器，其特征在于，所述弹簧的中间主螺旋长为20mm，螺距为3mm，螺旋节径为10mm；所述弹簧的两侧过渡螺旋长为0.5mm，螺距为1mm，螺旋节径为5mm 。
4.根据权利要求2所述的用于高温环境下承受大变形的应变传感器，其特征在于，所述弹簧的管壁的直径为0.5mm，所述弹簧的管壁的材料采用GH99高温合金。
5.根据权利要求1-5中任意一项所述的用于高温环境下承受大变形的应变传感器，其特征在于，所述保护盒采用工业304不锈钢，所述密封胶采用1280℃耐高温密封胶。
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