CN107238350A - 一种利用光纤光栅测量工件表面位移的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，包括有底座、倒L型支撑架、精密位移台、光纤光栅固定架、光纤光栅，底座用于固定本发明装置，底座和倒L型支撑架使用螺栓装配，倒L型支撑架上两个通孔用于调节本发明装置高度；精密位移台用螺栓固定在倒L型支撑架的上表面，用于光纤光栅的预紧；光纤光栅固定架用螺栓固定在精密位移台移动面上，光纤光栅固定架焊有一根圆柱形细杆，光纤光栅的一端尾纤粘贴于圆柱形细杆上，另一端尾纤粘贴于待测点。应用本发明装置，通过测量光纤光栅中心波长的变化量，计算出待测点的位移大小。本发明装置结构新颖，具备结构简单、体积小、测量精度高、易于加工、抗电磁干扰等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种利用光纤光栅测量工件表面位移的装置。
背景技术
随着工业水平的不断发展，我国机械制造业正蓬勃发展。由于许多机械工作环境恶劣，长期受到温度场、应力场的冲击使得部分结构表面产生位移。机械结构表面发生位移不仅影响其正常使用，而且会降低结构强度。如果不能及时发现存在的安全隐患，会对社会资源和人民财产造成巨大损失。通过对机械工件表面受到应力而产生的位移进行实时监测，能够及时发现存在的安全隐患。
光纤光栅作为一种新型光无源器件，已经在光通信、传感测量等方面有广泛应用。由于光纤光栅的信道精度达到了微纳级，由此可利用光纤光栅实现位移的微纳级高精度监测，可有效解决传统应变片测量精度无法满足微纳级精度的问题。
光纤光栅位移传感的原理是利用光纤光栅对应变有线性的波长变化的现象，能够将位移转变为应变，利用波长的变化测量位移。光纤光栅传感器具有体积小，测量精度高，抗电磁干扰等优点。同时，相比于强度调制型的光纤传感器，光纤光栅波长编码的特性使得其不受光源功率变化的影响，具有良好的应用前景。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构简单，体积小，测量精度可靠，且易于加工，抗电磁干扰的一种利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，通过光纤光栅传感器对工件表面的受力变形产生的位移进行监测，实现微纳级精度的位移测量。
本发明采用的技术方案为：
一种利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，包括底座、倒L型支撑架、精密位移台、光纤光栅固定架、光纤光栅，底座上部和倒L型支撑架固定连接，精密位移台固定于倒L型支撑架的上端面，光纤光栅固定架固定于精密位移台上，精密位移台用于光纤光栅的预紧；光纤光栅固定架固定连接有一根细杆，光纤光栅一端尾纤粘贴于细杆上，光纤光栅另一端尾纤粘贴于待测工件的待测点，光纤光栅与待测工件的待测面处在同一水平高度上，光纤光栅的工作段位于待测点与光纤光栅固定架上的细杆之间，光纤光栅靠近待测点的一端与光纤光栅传感主机连接，光纤光栅传感主机与计算机连接。
所述的倒L型支撑架上开有两个通孔，通孔为圆头普通平键形状，底座与倒L型支撑架的两个通孔采用螺栓固定连接，用于调节光纤光栅与待测工件的待测面处在同一水平高度上。
所述精密位移台用于测量前对所述光纤光栅进行预紧，保证光纤光栅在测量过程中具有良好的线性度和测量灵敏度。
所述的光纤光栅一端尾纤采用环氧胶粘贴于细杆上，光纤光栅另一端尾纤采用环氧胶粘贴于待测工件的待测点。
所述的底座、待测工件的底面分别采用螺栓固定于同一水平面上，底座、倒L型支撑架和光纤光栅固定架材质为304不锈钢。
所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。
对所述待测工件表面因受力变形产生的位移进行实时监测，对待测工件的稳定性作出诊断。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的倒L型支撑架设有两个通孔，可以调节测量装置高度，减小工件表面位移方向与光纤光栅的角度偏差，从而减小系统误差；底座和倒L型支撑架、倒L型支撑架和精密位移台、精密位移台和光纤光栅固定架均使用螺栓装配固定，光纤光栅采用环氧胶固定在光纤光栅固定架细杆上，装置拆卸方便，随时能够更换老化、磨损的部件，稳定性得到了很大地提高；精密位移台可以对光纤光栅实现预紧，使光纤光栅在测量过程中具有良好的线性度和测量灵敏度，大大提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图。
图2为倒L型支撑架的结构示意图。
图3为本发明工作状态示意图。
图中标号为：1、底座，2、倒L型支撑架，3、精密位移台，4、光纤光栅固定架，5、光纤光栅，6、待测工件，7、光纤光栅传感主机，8、计算机，9、通孔，10、待测点。
具体实施方式
为了更准确地了解本发明的技术内容，以下将结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明，但以下实施例不是对本发明的限定。
如图1所示，一种利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，包括底座1、倒L型支撑架2、精密位移台3、光纤光栅固定架4、光纤光栅5，对待测工件6表面因受力变形产生的位移进行实时监测，对待测工件6的稳定性作出诊断；底座1上部和倒L型支撑架2固定连接，精密位移台3固定于倒L型支撑架2的上端面，光纤光栅固定架4固定于精密位移台3上，精密位移台3用于光纤光栅5的预紧；光纤光栅固定架4固定连接有一根细杆，光纤光栅5一端尾纤采用环氧胶粘贴于细杆上，光纤光栅5另一端尾纤采用环氧胶粘贴于待测工件6的待测点10，光纤光栅5为光纤布拉格光栅，光纤光栅5与待测工件6的待测面处在同一水平高度上，光纤光栅5的工作段位于待测点与光纤光栅固定架4上的细杆之间，光纤光栅5靠近待测点10的一端与光纤光栅传感主机7连接，光纤光栅传感主机7与计算机8连接。
倒L型支撑架2上开有两个通孔9，通孔9为圆头普通平键形状，底座1与倒L型支撑架2的两个通孔采用螺栓固定连接，用于调节光纤光栅与待测工件的待测面处在同一水平高度上；精密位移台用于测量前对所述光纤光栅进行预紧，保证光纤光栅在测量过程中具有良好的线性度和测量灵敏度；底座、待测工件的底面分别采用螺栓固定于同一水平面上，底座、倒L型支撑架和光纤光栅固定架材质为304不锈钢。
本发明实施例结构的主视示意图如图3所示，待测工件6尺寸为200mm×150mm×150mm，材质为304不锈钢，底部使用螺栓固定，将图1所示的一种利用光纤光栅测量工件表面位移的装置底座使用螺栓固定，倒L型支撑架2上的通孔为圆头普通平键形状如图2所示。利用倒L型支撑架2上的通孔调节本发明装置的高度，使得光纤光栅5与待测工件6表面处在同一水平高度上，使用环氧胶将光纤光栅5固定在待测工件6表面的待测点，使得光纤光栅5的工作段处在待测点与光纤光栅固定架4的圆柱形细杆之间，光纤光栅5待测点一端与光纤光栅传感主机7连接，光纤光栅传感主机7与计算机8连接。
进行测量前调节精密位移台3的读数尺对光纤光栅实现预紧，使光纤光栅在测量过程中具有良好的线性度和测量灵敏度。
如图3所示，当在待测工件6左端施加外力时，待测工件6表面受力变形产生位移，对固定在待测点与光纤光栅固定架4细杆之间的光纤光栅5产生拉伸Δl，从而对光纤光栅5产生拉应变ε，两者满足：Δl＝ε·l0，其中l0为光纤光栅5预紧后固定点之间的长度。同时波长信号受到调制，光纤光栅波长漂移量Δλ与拉应变ε满足如下线性关系：其中λ0为光纤光栅5预紧后的初始中心波长，Pe为光纤材料的有效弹光系数。通过测量光纤光栅的应变ε，联立上述两式便可确定待测点位移Δl。与光纤光栅5连接的光纤光栅传感主机7对波长信号进行解调识别，解调数据传输到计算机8，利用光纤光栅传感软件实时采集、监测待测点的位移数据。
当l0＝20cm时位移测量灵敏度可以达到5.00με/μm。
本发明除了可实现上述实施例中的一维高精度位移测量外，对于工件膨胀变形等其他形式导致的位移均能满足高精度测量，本发明所述实施例为本发明的最佳实施方式。
Claims (7)
1.一种利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，包括底座、倒L型支撑架、精密位移台、光纤光栅固定架、光纤光栅，其特征在于，底座上部和倒L型支撑架固定连接，精密位移台固定于倒L型支撑架的上端面，光纤光栅固定架固定于精密位移台上，精密位移台用于光纤光栅的预紧；光纤光栅固定架固定连接有一根细杆，光纤光栅一端尾纤粘贴于细杆上，光纤光栅另一端尾纤粘贴于待测工件的待测点，光纤光栅与待测工件的待测面处在同一水平高度上，光纤光栅的工作段位于待测点与光纤光栅固定架上的细杆之间，光纤光栅靠近待测点的一端与光纤光栅传感主机连接，光纤光栅传感主机与计算机连接。
2.根据权利要求1所述利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，其特征在于，所述的倒L型支撑架上开有两个通孔，通孔为圆头普通平键形状，底座与倒L型支撑架的两个通孔采用螺栓固定连接，用于调节光纤光栅与待测工件的待测面处在同一水平高度上。
3.根据权利要求1所述利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，其特征在于，所述精密位移台用于测量前对所述光纤光栅进行预紧，保证光纤光栅在测量过程中具有良好的线性度和测量灵敏度。
4.根据权利要求1所述利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，其特征在于，所述的光纤光栅一端尾纤采用环氧胶粘贴于细杆上，光纤光栅另一端尾纤采用环氧胶粘贴于待测工件的待测点。
5.根据权利要求1所述利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，其特征在于，所述的底座、待测工件的底面分别采用螺栓固定于同一水平面上，底座、倒L型支撑架和光纤光栅固定架材质为304不锈钢。
6.根据权利要求1所述利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，其特征在于，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅。
7.根据权利要求1所述利用光纤光栅测量工件表面位移的装置，其特征在于，对所述待测工件表面因受力变形产生的位移进行实时监测，对待测工件的稳定性作出诊断。
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