CN107830811A - 一种新型光纤光栅金属应变片结构及测量应变的方法 - Google Patents

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罗广南
王兴立
王万景
李强
谢春意
王纪超
魏然
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Abstract

本发明公开了一种新型光纤光栅金属应变片结构及测量应变的方法，包括有至少一对互相垂直对称轴的结构，其中一条对称轴与应变片相交的两点上固定光栅，另一条对称轴和应变片相交的两点用于与被测基底表面进行固定，通过上述应变片的结构，将测量的应变转化到垂直方向上，通过光栅传感器测量与光栅轴线垂直方向上的应变。本发明通过应变片的结构，将测量的应变转化到垂直方向上，同时在尽量少得改变传统应变片的大小、安装方法的前提下，使光栅可以测量垂直于其轴线方向的应变，同时根据该应变片具体形状、尺寸的不同，其应变感应的灵敏度、应变测量的量程也可灵活调整。

Description

一种新型光纤光栅金属应变片结构及测量应变的方法
技术领域：
本发明涉及材料力学、电气传感领域，主要涉及一种新型光纤光栅金属应变片结构及测量应变的方法。
背景技术：
1978年，加拿大通信研究中心的K. O. Hill与其合作者首次在掺锗二氧化硅光纤中成功地写入光纤布拉格光栅（FBG），从此该技术引起了光纤光学领域的一场革命，并在光纤传感领域另辟出了新的重要分支——光纤光栅传感。光纤光栅传感器的研究工作已经有三十多年的历史了，因其一些出众的特点而受到了广泛的关注。
首先，该类传感器与电磁场没有任何作用，使其在电力工业中具有不可替代的作用；其次，光波导介质的连续性决定了该类传感器可进行分布式传感且可对弱信号进行长距离传输与处理；另外，该类传感器的信息载体为光，无论以波长还是位相为监测对象都具有几乎是极限的光感精度，使得这类传感器对被测物理量的监测具有非常高的精度；最后，它可以在一些特殊、危险场合应用，比较柔软的特性也使其易于植入或附着在结构表面。但是光纤光栅传感器发展到如今，也暴露出了一些不容忽视的缺点：如光纤太细太脆且不能弯折，给其在一些复杂的几何工况下的安装带来了很大的不便；另外其在高温下的稳定性与封装也是难题。这些都极大地阻碍了其在各种工业环境中的应用。
发明内容：
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种新型光纤光栅金属应变片结构及测量应变的方法，通过应变片的结构，将测量的应变转化到垂直方向上，从而使光纤光栅传感器在表面应变测量上能适用于这种类似的工程环境，是非常有意义的一项工作。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种新型光纤光栅金属应变片结构，其特征在于：包括有至少一对互相垂直对称轴的结构，其中一条对称轴与应变片相交的两点上固定光栅，另一条对称轴和应变片相交的两点用于与被测基底表面进行固定。
所述的应变片所用的材料要求力学性能优良，如P91钢或者304不锈钢，其与被测基底焊接性好。
所述的应变片为环形、椭圆形或正多边形。
所述的应变片相垂直对称轴的端部分别开设小槽或进行标记，其中一条对称轴方向上的两点用于固定光栅，另一垂直方向的对称轴上的两点用于与被测基体固定。
通过上述应变片的结构，将测量的应变转化到垂直方向上，通过光栅传感器测量与光栅轴线垂直方向上的应变，具体测量方法如下：若应变片结构为环形，其内径为d，外径为D，厚度为n，在环身上与两条互相垂直的直径的四个交点处，均开出一个宽0.2mm-1.0mm的小槽，槽深0.2mm-0.5mm，其中一条直径与环身相交的两个小槽用于安装固定光栅的两端，而垂直方向的两个小槽，则用来定位应变片与被测基底的焊接点；这样安装的应变片，当两焊接点之间产生的是拉应变时，垂直方向两小槽之间则产生收缩应变；反之两焊接点之间产生的是收缩应变时，垂直方向则产生的是拉应变；经过ansys软件分析，发现当10≤d/(D-d)≤20时，应变转换效果较好，具体的比例值与实际所用材料的力学性能有一定关系；安装光栅时，需要施加一定的预拉力，使光栅的中心波长红移一定的波长值Δλ，通用的Type-Ⅰ型光栅，其在能承受的最大拉力下中心波长的红移范围一般为4000pm-5000pm，如果要测量的是拉应变，则经转化到垂直方向后作用在光栅上的为收缩应变，这种情况下光栅预拉力使中心波长产生的红移应尽可能大；反之如果要测量的是压缩应变，则只需要施加少许预拉力，以保证测量结果的准确性以及感应的灵敏度即可。
若应变片结构为菱形，其内边长为l，外边长为L，厚度为n，在四个顶点处沿中心对称轴方向均开出同上环形情况一样的小槽，同样分别用来固定光栅两端以及定位应变片与基底的焊接点，此结构的比例值l/（L-l）仍需要在一定的范围内。
所述的应变片制作出来并将光栅安装其上后，应进行标定工作。
本发明的优点是：
本发明通过应变片的结构，将测量的应变转化到垂直方向上，同时在尽量少得改变传统应变片的大小、安装方法的前提下，使光栅可以测量垂直于其轴线方向的应变，同时根据该应变片具体形状、尺寸的不同，其应变感应的灵敏度、应变测量的量程也可灵活调整。
附图说明：
图1是本发明实施例1的主视图。
图2为本发明实施例1的侧视图。
图3为本发明实施例1的俯视图。
图4 为本发明实施例2的主视图。
图5为本发明实施例2的侧视图。
图6为本发明实施例2的俯视图。
图7是本发明实施实例1中的解释示意图。
图8是本发明实施实例2中的解释示意图。
具体实施方式：
参见附图。
一种新型光纤光栅金属应变片结构，其特征在于：包括有至少一对互相垂直对称轴的结构，其中一条对称轴与应变片相交的两点上固定光栅，另一条对称轴和应变片相交的两点用于与被测基底表面进行固定。
所述的应变片所用的材料要求力学性能优良，如P91钢或者304不锈钢，其与被测基底焊接性好。
所述的应变片为环形、椭圆形或正多边形（如菱形）。
所述的应变片相垂直对称轴的端部分别开设小槽或进行标记，其中一条对称轴方向上的两点用于固定光栅，另一垂直方向的对称轴上的两点用于与被测基体固定。
利通过上述应变片的结构，将测量的应变转化到垂直方向上，通过光栅传感器测量与光栅轴线垂直方向上的应变，具体测量方法如下：若应变片结构为环形，其内径为d，外径为D，厚度为n，在环身上与两条互相垂直的直径的四个交点处，均开出一个宽0.2mm-1.0mm的小槽，槽深0.2mm-0.5mm，其中一条直径与环身相交的两个小槽用于安装固定光栅的两端，而垂直方向的两个小槽，则用来定位应变片与被测基底的焊接点；这样安装的应变片，当两焊接点之间产生的是拉应变时，垂直方向两小槽之间则产生收缩应变；反之两焊接点之间产生的是收缩应变时，垂直方向则产生的是拉应变；经过ansys软件分析，发现当10≤d/(D-d)≤20时，应变转换效果较好，具体的比例值与实际所用材料的力学性能有一定关系；安装光栅时，需要施加一定的预拉力，使光栅的中心波长红移一定的波长值Δλ，通用的Type-Ⅰ型光栅，其在能承受的最大拉力下中心波长的红移范围一般为4000pm-5000pm，如果要测量的是拉应变，则经转化到垂直方向后作用在光栅上的为收缩应变，这种情况下光栅预拉力使中心波长产生的红移应尽可能大；反之如果要测量的是压缩应变，则只需要施加少许预拉力，以保证测量结果的准确性以及感应的灵敏度即可。
若应变片结构为菱形，其内边长为l，外边长为L，厚度为n，在四个顶点处沿中心对称轴方向均开出同上环形情况一样的小槽，同样分别用来固定光栅两端以及定位应变片与基底的焊接点，此结构的比例值l/（L-l）仍需要在一定的范围内。
所述的应变片制作出来并将光栅安装其上后，应进行标定工作。
下面结合具体实例对本发明做进一步的详细说明。本发明的应变片具体形状不定，尺寸不限于特定的数值，以下所述两例仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施实例1：
环形应变片1，材料为P91钢，其具体尺寸为d=30mm，D=33mm，n=1.5mm，小槽2宽1mm，深0.5mm。应变片通过机加工成型后，再进行打磨抛光处理。如附图7所示。C、D两点用于固定光栅两端，施加预拉力使中心波长红移Δλ≈4000pm，A、B两点则与被测基底表面进行固定。当基底表面A、B两点之间产生拉应变ε0时，环形应变片上C、D两点之间则产生一定的收缩变形ε1，从而作用在光栅上，使其中心波长减小。此例中，由于比值d/(D-d)=10较小，应变片应变转换率较低，即比值ε0/ε1的绝对值较大，虽然应变灵敏度稍低，但与之相反的是，该应变片的拉应变测量量程则较大。
实施实例2：
菱形应变片2，材料仍为P91钢，其具体尺寸为l=20mm，L=21mm，n=0.5mm，小槽宽0.5mm，深0.2mm。应变片通过机加工成型后，再进行打磨抛光处理。如附图8所示。A、B点用于固定光栅两端，施加预拉力使中心波长红移Δλ≈500pm。C、D两点则与被测基底表面进行固定，当基底表面C、D两点之间产生收缩应变ε0时，环形应变片上A、B两点之间则产生一定的拉伸变形ε1，从而作用在光栅上，使其中心波长增大。此例中，由于比值l/(L-l)=20较大，应变片应变转换率较高，即比值ε0/ε1的绝对值较小，虽然应变灵敏度高，但同样与之相反的是，该应变片的收缩应变测量量程则相对稍小。

Claims (7)

1.一种新型光纤光栅金属应变片结构，其特征在于：包括有至少一对互相垂直对称轴的结构，其中一条对称轴与应变片相交的两点上固定光栅，另一条对称轴和应变片相交的两点用于与被测基底表面进行固定。
2.根据权利要求1所述的新型光纤光栅金属应变片结构，其特征在于：所述的应变片所用的材料要求力学性能优良，如P91钢或者304不锈钢，其与被测基底焊接性好。
3.根据权利要求1所述的新型光纤光栅金属应变片结构，其特征在于：所述的应变片为环形、椭圆形或正多边形。
4.根据权利要求1所述的新型光纤光栅金属应变片结构，其特征在于：所述的应变片相垂直对称轴的端部分别开设小槽或进行标记，其中一条对称轴方向上的两点用于固定光栅，另一垂直方向的对称轴上的两点用于与被测基体固定。
5.利用权利要求3所述的新型光纤光栅金属应变片结构测量应变的方法，其特征在于：通过上述应变片的结构，将测量的应变转化到垂直方向上，通过光栅传感器测量与光栅轴线垂直方向上的应变，具体测量方法如下：若应变片结构为环形，其内径为d，外径为D，厚度为n，在环身上与两条互相垂直的直径的四个交点处，均开出一个宽0.2mm-1.0mm的小槽，槽深0.2mm-0.5mm，其中一条直径与环身相交的两个小槽用于安装固定光栅的两端，而垂直方向的两个小槽，则用来定位应变片与被测基底的焊接点；这样安装的应变片，当两焊接点之间产生的是拉应变时，垂直方向两小槽之间则产生收缩应变；反之两焊接点之间产生的是收缩应变时，垂直方向则产生的是拉应变；经过ansys软件分析，发现当10≤d/(D-d)≤20时，应变转换效果较好，具体的比例值与实际所用材料的力学性能有一定关系；安装光栅时，需要施加一定的预拉力，使光栅的中心波长红移一定的波长值Δλ，通用的Type-Ⅰ型光栅，其在能承受的最大拉力下中心波长的红移范围一般为4000pm-5000pm，如果要测量的是拉应变，则经转化到垂直方向后作用在光栅上的为收缩应变，这种情况下光栅预拉力使中心波长产生的红移应尽可能大；反之如果要测量的是压缩应变，则只需要施加少许预拉力，以保证测量结果的准确性以及感应的灵敏度即可。
6.根据权利要求5所述的新型光纤光栅金属应变片结构测量应变的方法，其特征在于：若应变片结构为菱形，其内边长为l，外边长为L，厚度为n，在四个顶点处沿中心对称轴方向均开出同上环形情况一样的小槽，同样分别用来固定光栅两端以及定位应变片与基底的焊接点，此结构的比例值l/（L-l）仍需要在一定的范围内。
7.根据权利要求5所述的新型光纤光栅金属应变片设计方法，其特征在于：所述的应变片制作出来并将光栅安装其上后，应进行标定工作。
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