CN106441658A - 一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统，所述测量系统包括光源、信号解调仪、耦合器以及光纤光栅组，所述光纤光栅组包括串联连接的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，所述第一光纤光栅粘贴在杆件的上表面，其中所述第一光纤光栅的栅区轴向与待测应力方向一致；所述第二光纤光栅与所述第一光纤光栅对应的粘贴在所述杆件的下表面，所述第三光纤光栅与所述第一光纤光栅垂直，并且所述第三光纤光栅的两侧边以所述第一光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的上表面。本发明从结构上消除了温度对光纤光栅应变测量的交叉串扰，并且补偿了杆件弯矩载荷的影响。
Description
技术领域
本发明涉及应力测量技术领域，特别涉及一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统。
背景技术
通常，光纤布拉格光栅是一种非常有实用价值的光学传感器，具有体积小、抗电磁干扰等优点。但是光纤布拉格光栅在实际传感测量中，存在应变和温度交叉敏感问题。光纤光栅同时对温度和应变敏感，当温度和应变同时发生变化时，仅依赖单个光纤光栅波长变化量，将无法区分由温度和应变引起的波长变化。对于1550nm波段的光纤光栅，其温度灵敏度系数约为10.8pm/℃，应变灵敏度系数约为1.2pm/με，那么1℃温度变化将会引起10με的测试误差。因此，在温度变化较大时，用光纤光栅做应变传感必须考虑温度的交叉敏感影响。目前，为了减小由温度变化引起的误差，通常使用一根参考光纤光栅对测量结果的误差进行补偿，参考光栅粘贴在测量光栅的附近，其栅区悬空，即不受应力影响，同时与测量光栅感受同样的温度变化，用测量光栅的中心波长变化量减去参考光栅的中心波长变化即可达到温度补偿的目的。在现有技术，申请号为20141001166.3的专利申请中，采用了四根光纤光栅，通过对温度进行补偿对扭矩进行测量的方法，然而，这种补偿方法中，粘贴于结构件上的应力测量光栅与悬空的温补光栅相比，还存在粘贴剂及基体等弹性体材料因温度而产生的变化，参考光栅法无法补偿这部分温度影响，并且当结构件在某些情况下存在弯矩时，也会在测量应力数据中引入误差。
因此，需要一种能有效实消除多种影响的一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统及测量方法。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统，所述测量系统包括光源、信号解调仪、耦合器以及光纤光栅组，所述光纤光栅组包括第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，所述第一光纤光栅粘贴在杆件的上表面，其中所述第一光纤光栅的栅区轴向与待测应力方向一致；
所述第二光纤光栅与所述第一光纤光栅对应的粘贴在所述杆件的下表面，其中所述第二光纤光栅的栅区与待测应力方向一致；
所述第三光纤光栅与所述第一光纤光栅垂直，并且所述第三光纤光栅的两侧边以所述第一光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的上表面；
所述第四光纤光栅与所述第二光纤光栅垂直，并且所述第四光纤光栅的两侧边以所述第二光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的下表面，其中第四光纤光栅与所述第三光纤光栅相对应；
所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅串联连接。
优选地，光纤光栅选用光谱反射率为90％以上的切趾光纤光栅。
优选地，粘贴所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅的粘贴剂采用环氧树脂胶。
优选地，粘贴所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅的粘贴剂可以是502、3M-420、353ND、1C-LV中的一种或多种。
优选地，所述光源为宽带光源。
本发明的另一个方面在于提供一种测量杆件应力的方法，所述方法包括如下步骤：
a、对杆件需要粘贴光纤光栅的表面沿光纤光栅中心线呈±45°角的方向用砂纸进行打磨；
b、利用脱脂棉、酒精或丙酮对表面进行清洗，粘贴所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅；
c、所述宽带光源发射光信号经过所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，采集所述光信号波长漂移信息；
d、利用采集到的经过所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅的光信号获取波长漂移信息，得到杆件应力与波长漂移的关系；
e、利用步骤d中得到的关系对待测杆件进行测量。
本发明从结构上消除了杆件应力测量过程中温度对光纤光栅应变测量的交叉串扰，并且补偿了杆件弯矩载荷的影响。光纤光栅布局结构简单、易于操作，解耦方法具有较强的稳定性和抗干扰能力，同时测得的杆件应力结果具有很高的灵敏度。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出本发明光纤光栅测量系统的连接示意图；
图2示出了本发明光纤光栅组不同光纤光栅布置结构图；
图3示出了本发明光纤光栅粘贴在杆件上表面的结构图；
图4示出了本发明光纤光栅粘贴在杆件下表面的结构图；
图5示出了本发明杆件应力与波长漂移的关系。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
本实施例对本发明提供的一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统及测量方法做详细说明，如图1所示本发明光纤光栅测量系统的连接示意图，本实施例中用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统包括光源101、信号解调仪104、耦合器102以及光纤光栅组103。
其中，光纤光栅组103包括第一光纤光栅103a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d。
上述系统对于测量杆件的应力时，将光纤光栅组103粘贴在杆件对杆件应力测量。本实施例中，选用光源101为宽带光源提供光信号，信号调解仪104对采集的光信号进行调解。在另一些实施例中耦合器105可以选择环形器来代替。
本实施例第一光纤光栅103a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d优选光谱反射率为90％以上的切趾光纤光栅。
如图2所示本发明光纤光栅组不同光纤光栅布置结构图，本发明通过将光纤光栅组103的第一光纤光栅103a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d合理布置粘贴杆件201上，对杆件进行测量，具体为：
第一光纤光栅103a粘贴在杆件的上表面，其中第一光纤光栅103a的栅区轴向应当与杆件201所受到的应力P的方向一致。
第二光纤光栅103b粘贴在杆件201的下表面，其中第二光纤光栅103b的栅区轴向应当与杆件201所受到的应力P的方向一致。
上述第一光纤光栅103a与第二光纤光栅b相互对应，也就是说第一光纤光栅103a与第二光纤光栅b在杆件201的上下表面相互对称的位置。
第三光纤光栅103c粘贴在杆件201的上表面，并且与第一光纤光栅103a垂直。需要说明的是，这里的垂直粘贴使得第三光纤光栅103c的栅区与第一光纤光栅103a的栅区保持垂直。
第四光纤光栅130d战爹在杆件201的下表面，并且与第二光纤光栅103b垂直。需要说明的是，这里的垂直粘贴使得第四光纤光栅103d的栅区与第二光纤光栅103b的栅区保持垂直。
如图3所示本发明光纤光栅粘贴在杆件上表面的结构图；图4所示本发明光纤光栅粘贴在杆件下表面的结构图。
第三光纤光栅103c的两侧边以第一光纤光栅103a的中心线103a，为对称轴粘贴在杆件201的上表面。
第四光纤光栅103d的两侧边以第二光纤光栅103b的中心线103b，为对称轴粘贴在杆件201的下表面。
应当理解的是，根据上述的粘贴方式，第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d在杆件201的上下表面相对应。
本发明中第一光纤光栅103a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d串联连接。
本实施例中，上文中所述第一光纤光栅103a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d优选环氧树脂胶作为粘贴剂。在另一些实施例中粘贴所述第一光纤光栅103a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d的粘贴剂可以是502、3M-420、353ND、1C-LV中的一种或多种。
本实施例下面通过对本发明光纤光栅测量系统所采用的结构对杆件的测量原理和测量过程进行具体的说明。
为了清楚的说明，首选对光纤光栅的反射原理进行说明，光纤光栅的中心波长与有效折射率的数学关系是研究光栅传感的基础。从麦克斯韦方程出发，结合耦合模理论，利用光纤光栅传输模式的正交关系，得到，光栅反射波长的基本表达式为：
λB＝2neffΛ (1)
其中，neff为纤芯的有效折射率，Λ为光纤光栅周期。
对反射波长的基本表达式(1)取微分，可得到光纤光栅中心波长漂移量ΔλB的表达式为：
ΔλB＝2neffΔΛ+2ΔneffΛ (2)
式中，ΔΛ表示光纤光栅的周期性发生了改变，主要受温度与应力应变的影响；Δneff表示纤芯有效折射率发生了改变，主要受热光效应与弹光效应的影响。光纤光栅的波长变化由光纤光栅的有效折射率和光纤周期决定，任何使两个参量发生改变的物理过程都将引起光纤布拉格光栅的波长漂移。在所有引起布拉格光栅波长漂移的外界因素中，最根本最直接的物理量是温度和应变。当布拉格光栅受到外界应变(或应力)，无论是对光栅拉伸还是挤压，都势必导致光栅周期Λ的变化，并且光纤本身所具有的弹光效应使得有效折射率neff也随外界应力状态的变化而改变；当布拉格光栅受到外界温度影响时，热膨胀会使光栅周期发生变化，同时热敏效应会导致光栅的有效折射率变化。
基于上述原理，利用本发明用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统对杆件进行测量的方法具体包括如下步骤：
步骤S1、对杆件201需要粘贴光纤光栅的表面沿光纤光栅中心线呈±45°角的方向用砂纸进行打磨；
步骤S2、利用脱脂棉、酒精或丙酮对表面进行清洗，粘贴所述第一光纤光栅130a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d；
步骤S3、宽带光源101发射光信号经过所述第一光纤光栅103a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d，解调仪104采集所述光信号波长漂移信息；
步骤S4、利用采集到的经过所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅的光信号获取波长漂移信息，得到杆件应力与波长漂移的关系；
步骤S5、利用步骤S4中得到杆件应力与波长漂移的关系对待测杆件进行测量。
本发明中第三光纤光栅103c与第四光纤光栅103d主要功能测量温度变化，当温度发生变化，第一光纤光栅130a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d的中心波长均发生漂移，ΔλT＝ΔλT1＝ΔλT2＝ΔλT3＝ΔλT4。本领域技术人员应当理解，这里所说的中心波长是指反射波长中能量最大的波长。
如果杆件在受到拉伸力P时，第一光纤光栅103a和第二光纤光栅103b感知到拉伸力，从而引起中心波长漂移ΔλP＝ΔλP1＝ΔλP2。
如果杆件存在弯矩M或M‘影响，那么粘贴在杆件201上表面的第一光纤光栅103a和第三光纤光栅103c感知到拉应变，粘贴在杆件201下表面的第二光纤光栅103b和第四光纤光栅103d感应到压应变，引起波长中心漂移分别为ΔλM＝ΔλM1＝-ΔλM2，ΔλM'＝ΔλM3＝-ΔλM4。
本实施例中第一光纤光栅103a和第二光纤光栅103b的中心波长漂移ΔλB1和ΔλB2受到拉伸力、温度和弯矩的影响，具体表述为：
ΔλB1＝ΔλP1+ΔλM1+ΔλT1 (3)
ΔλB2＝ΔλP1+ΔλM1+ΔλT1 (4)
本发明第一光纤光栅103a与第三光纤光栅103c垂直粘贴；第二光纤光栅103b与第四光纤光栅103d垂直粘贴，使得信号解耦更加稳定，抗干扰能力增强。
第三光纤光栅103c和第四光纤光栅的中心波长漂移为表述为：
ΔλB3＝ΔλM'3+ΔλT3 (5)
ΔλB4＝ΔλM'4+ΔλT4 (6)
如图5所示本发明杆件应力与波长漂移的关系，由本发明所提供的光纤光栅测量系统获得得到杆件应力与波长漂移的关系，计算式如下
其中，β为应力灵敏度系数。
本发明上述的补偿方法有效地补偿了粘贴剂及基体等弹性体材料因温度而产生的变化。
本发明从结构上消除了杆件应力测量过程中温度对光纤光栅应变测量的交叉串扰，并且补偿了杆件弯矩载荷的影响。光纤光栅布局结构简单、易于操作，解耦方法具有较强的稳定性和抗干扰能力，同时测得的杆件应力结果具有很高的灵敏度。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
Claims (6)
1.一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统，所述测量系统包括光源、信号解调仪、耦合器以及光纤光栅组，所述光纤光栅组包括第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，其特征在于，所述第一光纤光栅粘贴在杆件的上表面，其中所述第一光纤光栅的栅区轴向与待测应力方向一致；
所述第二光纤光栅与所述第一光纤光栅对应的粘贴在所述杆件的下表面，其中所述第二光纤光栅的栅区与待测应力方向一致；
所述第三光纤光栅与所述第一光纤光栅垂直，并且所述第三光纤光栅的两侧边以所述第一光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的上表面；
所述第四光纤光栅与所述第二光纤光栅垂直，并且所述第四光纤光栅的两侧边以所述第二光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的下表面，其中第四光纤光栅与所述第三光纤光栅相对应；
所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅串联连接。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，光纤光栅选用光谱反射率为90％以上的切趾光纤光栅。
3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，粘贴所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅的粘贴剂采用环氧树脂胶。
4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，粘贴所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅的粘贴剂可以是502、3M-420、353ND、1C-LV中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光源为宽带光源。
6.一种利用权利要求1至5中任一权利要求所述的测量系统测量杆件应力的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
a、对杆件需要粘贴光纤光栅的表面沿光纤光栅中心线呈±45°角的方向用砂纸进行打磨；
b、利用脱脂棉、酒精或丙酮对表面进行清洗，粘贴所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅；
c、所述宽带光源发射光信号经过所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，采集所述光信号波长漂移信息；
d、利用采集到的经过所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅的光信号获取波长漂移信息，得到杆件应力与波长漂移的关系，
e、利用步骤d中得到的关系对待测杆件进行测量。
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