CN106153227A - 基于光照强度测量的应力与应变检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其属于应力与应变检测领域，其包括第一对应面、第二对应面、设置在第一对应面和/或第二对应面上的若干光敏传感器和光源；所述第一对应面和第二对应面之间留有光路间隙；所述第一对应面和所述第二对应面呈相对放置关系；所述光敏传感器用于感应来自光源的光线经不同方向传播后到达光敏传感器的光照强度。本发明的有益效果是成本低、重量轻、加工工艺简单、可靠性高且适用范围广，可以高效覆盖大面积应力和应变测量需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其属于应力与应变检测领域。
背景技术
目前，传统的应力检测多采用压阻式应变传感器或机械式压力传感器。
一种是压阻式应变传感器。电阻应变片是一种将被测物体上的受力应变变化转换成电信号的敏感器件，它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种，通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密的粘合在产生受力应变的基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成比例的变化，并由桥式电路获得相应的电压输出信号。由于电阻应变片由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片以及引出线等部分组成，这种结构决定了在应变片使用过程中需使基体产生保护组件不被受力破坏的作用，通常采用组件嵌入基体材料的安装方式，并在基体上根据需要安置额外的受力保护层。此种压力检测装置原理导致加工工艺复杂、布线设计复杂且成本较高。此外，压电传感器基于的是压电效应，因此不能用于静态测量，只能够测量动态的应力，原因是经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才能得到保存，且温度和湿度对压电材料的灵敏度影响较大，综上这些因素极大地限制了压电传感器的适用范围。
另一种是机械式压力传感器。机械式压力传感器的工作原理是使活塞、电阻片与传感器基座上的导电基点之间形成回路，当连接在弹簧一端的活塞受压，从而挤压弹簧，使设置在活塞上的导电接触点与设置在传感器基座上的导电基点之间经过的电阻片路程变短，从而使电阻与受压压力之间成比例的变化，并由传感器外围电路获得相应的电压输出信号。在清除施加于活塞上的压力后，弹簧驱动活塞移动至受压前的初始位置。这种传感器装置的受力检测是单方向的，对于弹簧的参数调节也很复杂，重量大，且难以覆盖大范围应力测量的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供了一种成本低、重量轻、加工工艺简单、可靠性高且适用范围广，可以高效覆盖大面积应力和应变测量需求的基于光照强度测量的应力和应变检测装置。
本发明采用如下技术方案：
一种基于光照强度测量的应力和应变检测装置，其包括第一对应面、第二对应面、设置在第一对应面和/或第二对应面上的若干光敏传感器和光源；所述第一对应面和第二对应面之间留有光路间隙；所述第一对应面和所述第二对应面呈相对放置关系；所述光敏传感器用于感应来自光源的光线经不同方向传播后到达光敏传感器的光照强度。
进一步的，所述光路间隙中填充有透光的气体、液体、弹性固体或真空。
进一步的，所述光源为散射光源或聚光光源。
进一步的，所述第一对应面和第二对应面所依存的基体为弹性或硬质的材料制成，可根据应力与应变检测需要，按照所述材料的模量，即材料在受力状态下应力与应变之比，对所述材料进行选型。
进一步的，所述第一对应面和第二对应面所采用的基材具备一定程度的反光性能，或在所述第一对应面和第二对应面上设置有反光膜。
进一步的，所述第一对应面和第二对应面所采用的基材具备一定程度的反光性能且在所述第一对应面和第二对应面上设置有反光膜。
进一步的，所述光敏传感器和光源均设置在第一对应面上或第二对应面上。当光敏传感器和光源均设置在第一对应面上时，则第二对应面所采用的基材必须具备一定程度的反光性能，或在第二对应面上必须设置有反光膜。当光敏传感器和光源均设置在第二对应面上时，则第一对应面所采用的基材必须具备一定程度的反光性能，或在第一对应面上必须设置有反光膜。
进一步的，所述光敏传感器和光源既设置在第一对应面上，也设置在第二对应面上。
进一步的，所述光敏传感器均设置在第一对应面上，所述光源均设置在第二对应面上，或者所述光敏传感器均设置在第二对应面上，所述光源均设置在第一对应面上。
进一步的，所述第一对应面和第二对应面既可以为平面也可以为任意曲面或折面。
本发明的原理及有益效果如下：
本发明采用光照强度检测作为感应受力面应变程度，当第一对应面或第二对应面受力应变，导致如下两种情况的发生，即：
1.在第一对应面或第二对应面之间的光路间隙形状产生局部或整体改变，从而改变自光源发出的光线被第一对应面或第二对应面反射、漫反射或折射后的传播方向；
2.带动设置在第一对应面或第二对应面上的光敏传感器与光源产生相对位移和相对旋转，从而改变自光源发出的光线直射方向，或改变光敏传感器接收所述光线的位置与角度。
以上两种情况都可引起从光源至光敏传感器的光照强度的变化，从而根据第一对应面或第二对应面材料的模量，识别第一对应面或第二对应面上的应力与应变。本装置成本低且加工工艺简单，光敏传感器和光源在第一对应面和第二对应面上的设置方式灵活多样，适用范围广，配件少，易生产，易维护，光线传输不受温度和湿度影响，可靠性高，重量轻。
附图说明
图1为本发明的实施例1未有应力和应变时的结构示意图。
图2为本发明的实施例2未有应力和应变时的结构示意图。
图3为本发明的实施例3未有应力和应变时的结构示意图。
图4为本发明的实施例1在有应力和应变时的结构示意图。
图5为本发明的实施例2在有应力和应变时的结构示意图。
图6为本发明的实施例3在有应力和应变时的结构示意图。
图7为本发明的实施例3中第一对应面和第二对应面为曲面且有应力和应变时的结构示意图。
图8为本发明的实施例2中第一对应面和第二对应面为曲面且有应力和应变时的结构示意图。
图9为本发明的实施例1中第一对应面和第二对应面为曲面且有应力和应变时的结构示意图。
其中，1第一对应面、2第二对应面、3光敏传感器、4光源、5光路间隙，其中虚线表示光线传播的路径与光照范围，箭头表示光线的传播方向。
具体实施方式
下面根据图1~图9和实施例，对本发明的技术方案和有益效果做进一步说明。
如图1所示是实施例1在未发生应力和应变时的结构；
如图4和图9所示是实施例1在和发生应力和应变时的结构。
如图1、图4和图9所示，实施例1包括第一对应面1、第二对应面2、若干光敏传感器3和光源4；所述第一对应面1和第二对应面2之间留有光路间隙5；
所述光敏传感器3和光源4既设置在第一对应面1上，也设置在第二对应面2上，所述光源4与光敏传感器3呈均匀交叉排列；所述光敏传感器3用于感应来自光源4的光线经不同方向传播后到达光敏传感器3的光照强度。
进一步的，所述光路间隙5中填充有透光的气体、液体、弹性固体或真空。
进一步的，所述光源4为散射光源或聚光光源。
进一步的，所述第一对应面1和第二对应面2所依存的基体为弹性或硬质的材料制成，可根据应力与应变检测需要，按照所述材料的模量，即材料在受力状态下应力与应变之比，对所述材料进行选型。
进一步的，所述第一对应面1和第二对应面2呈相对放置关系；所述第一对应面1和第二对应面2既可以为平面也可以为任意曲面或折面。
所述第一对应面1和第二对应面2的形状可以为如图1和如图4所示的平面形状，也可为如图9所示的圆桶状等形状。
进一步的，在所述第一对应面1或第二对应面2上的应变发生时，带动设置在第一对应面1或第二对应面2上的光敏传感器3与光源4产生相对位移和相对旋转，从而改变自光源4发出的光线直射方向，或改变光敏传感器3接收所述光线的位置与角度，使不同位置处光敏传感器3对光照强度的感应产生变化，形成数字信号并传输至运算器，结合受力面的模量，利用算法得出第一对应面1或第二对应面2上应力和应变的程度和位置。
如图2所示是实施例2在未发生应力和应变时的结构；
如图5和图8所示是实施例2在和发生应力和应变时的结构。
如图2、图5和图8所示，实施例2包括第一对应面1、第二对应面2、若干光敏传感器3和光源4；所述第一对应面1和第二对应面2之间留有光路间隙5；所述光敏传感器3均设置在第一对应面1上，所述光源4均设置在第二对应面2上，或者所述光敏传感器3均设置在第二对应面2上，所述光源4均设置在第一对应面1上，所述光敏传感器3用于感应来自光源(4)的光线经不同方向传播后到达光敏传感器的光照强度。
进一步的，第一对应面1和第二对应面2呈相对放置关系；所述第一对应面1和第二对应面2既可以为平面也可以为任意曲面或折面。
所述第一对应面1和第二对应面2的形状可以为如图2和如图5所示的平面形状，也可为如图8所示的圆桶状等形状。
其他技术特征与实施例1相同。
如图3所示是实施例3在未发生应力和应变时的结构；
如图6和图7所示是实施例3在和发生应力和应变时的结构。
如图3、图6和图7所示，实施例3包括第一对应面1、第二对应面2、若干光敏传感器3和光源4；所述光敏传感器3和光源4均设置在第一对应面1上或所述光敏传感器3和光源4均设置在第二对应面2上。当所述光敏传感器3和光源4均设置在第一对应面1上时，与第一对应面1对应的所述第二对应面2为相对面，并在其上设有反光膜或使其基材采用反光材料；当所述光敏传感器3和光源4均设置在第二对应面2上时，与第二对应面2对应的所述第一对应面1为相对面，并在其上设有反光膜或使其基材采用反光材料；所述光敏传感器3用于感应来自光源4的光线经不同方向传播后到达光敏传感器的光照强度；所述光源4所发出的光线被所述相对面反射、漫反射或折射后再被光敏传感器3所接收。当所述相对面受力产生应变时，在所述第一对应面1或第二对应面2之间的光路间隙5形状产生局部或整体改变，从而改变自光源发出的光线被所述相对面反射、漫反射或折射后的传播方向，使不同位置处光敏传感器3对光照强度的感应产生变化，形成数字信号并传输至运算器，结合受力面的模量，利用算法得出第一对应面1或第二对应面2上应力和应变的程度和位置。
进一步的，第一对应面1和第二对应面2呈相对放置关系；所述第一对应面1和第二对应面2既可以为平面也可以为任意曲面或折面。
所述第一对应面1和第二对应面2的形状可以为如图3和如图6所示的平面形状，也可为如图7所示的圆桶状等形状。
其他技术特征与实施例1相同。
上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明的等效实施或变更，均应包含于本案的专利保护范围中。
Claims (10)
1.一种基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其特征在于：其包括第一对应面（1）、第二对应面（2）、设置在第一对应面（1）和/或第二对应面（2）上的若干光敏传感器（3）和光源（4）；所述第一对应面（1）和第二对应面（2）之间留有光路间隙（5）；所述第一对应面（1）和第二对应面（2）呈相对放置关系；所述光敏传感器（3）用于感应来自光源(4)的光线经不同方向传播后到达光敏传感器（3）的光照强度。
2.根据权利要求1所述的基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其特征在于：所述光路间隙（5）中填充有透光的气体、液体、弹性固体或真空。
3.根据权利要求1所述的基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其特征在于：所述光源（4）为散射光源或聚光光源。
4.根据权利要求1所述的基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其特征在于：所述第一对应面（1）和第二对应面（2）所依存的基体为弹性或硬质的材料制成，根据应力与应变检测需要，按照所述材料的模量，即材料在受力状态下应力与应变之比，对所述材料进行选型。
5.根据权利要求1所述的基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其特征在于：所述第一对应面（1）和第二对应面（2）所采用的基材具备反光性能和/或在所述第一对应面（1）和第二对应面（2）上可设置有反光膜。
6.根据权利要求1所述的基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其特征在于：所述光敏传感器（3）和光源（4）均设置在第一对应面（1）上或均设置在第二对应面（2）上。
7.根据权利要求6所述的基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其特征在于：当所述光敏传感器（3）和光源（4）均设置在第一对应面（1）上时，则第二对应面（2）所采用的基材须具备反光性能，或在第二对应面（2）上须设置有反光膜；当所述光敏传感器（3）和光源（4）均设置在第二对应面（2）上时，则第一对应面（1）所采用的基材须具备反光性能，或在第一对应面（1）上须设置有反光膜。
8.根据权利要求1所述的基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其特征在于：所述光敏传感器（3）和光源（4）既设置在所述第一对应面（1）上，也设置在所述第二对应面（2）上。
9.根据权利要求1所述的基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其特征在于：所述光敏传感器（3）均设置在第一对应面（1）上，所述光源（4）均设置在第二对应面（2）上，或者所述光敏传感器（3）均设置在第二对应面（2）上，所述光源（4）均设置在第一对应面（1）上。
10.根据权利要求1所述的基于光照强度测量的应力与应变检测装置，其特征在于：所述第一对应面（1）和第二对应面（2）既可以为平面也可以为任意曲面或折面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |