CN110031035B - 光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试装置及其测试方法，该测试装置包括光纤传感器、拉伸压缩应力产生装置、振动产生装置、环境试验箱、光纤传感分析仪、数据采集系统和计算机；拉伸压缩应力产生装置被配置为向光纤传感器提供拉伸、压缩应力；振动产生装置被配置为提供振动应力；环境试验箱提供交变湿热环境；光纤传感分析仪获取并测量光纤传感器的中心波长；数据采集系统用于获取疲劳测试期间温湿度和应力传感数据；测试装置可同时或分别向光纤传感器提供拉伸、压缩应力、振动应力、温度应力和湿度应力。该装置在保障测试准确性的同时，降低测试设备搭建成本，并集成光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试于一体。

Description

光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试装置及其测 试方法

技术领域

本发明涉及测试装置技术领域，具体涉及一种光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试装置及其测试方法。

背景技术

随着科技的快速发展，光纤传感器的研究和应用已从实验室拓展至实际的工程领域，目前已应用于桥梁、大坝、海上工程、飞机、船舶等大型工程设施的结构健康监测中，通过监测内部的应变、应力、温度、振动等参数评估设施的损伤程度和服役状态。

与传统传感器相比，光纤传感器具有抗干扰能力强、信号传输和传感器一体、易于实现分布式传感的特点。但在桥梁、海上工程等工程应用环境中，需承受交变的负荷，故对这些结构进行应变、应力检测的光纤传感器自身的疲劳测试具有重要意义。

现有的疲劳测试方法有基于光谱特性改变为评价指标应力疲劳测试方法，但不便于应用在实际应变监测中，且要用到昂贵的光谱仪作为测试设备，测试设备搭建成本较高。也有基于断裂强度作为评价指标的疲劳测试方法，但光纤传感器在疲劳测试过程中，光谱特性等即会发生畸变，在疲劳断裂之前就已经丧失传感能力。因此，有必要提出一种光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试装置，来解决现有技术中所存在的问题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试装置，相对于传统的基于光谱特性改变为评价指标的应力疲劳测试装置所产生的测试设备搭建成本高、测试数据不准确的问题，本发明提出基于光纤传感器输出数据的一致性和重复性(相同条件下输出数据的标准差)为评价指标和基于光纤传感分析仪作为波长分析设备的测试装置，该装置能够在保障测试准确性的同时，降低测试设备搭建成本，并集成光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试于一体。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试装置，包括光纤传感器、拉伸压缩应力产生装置、振动产生装置、环境试验箱、光纤传感分析仪、数据采集系统和计算机；

所述拉伸压缩应力产生装置配置为向光纤传感器提供拉伸应力、压缩应力，其包括伺服电机、伺服电机驱动器、PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)、滑动导轨、滑动夹具、丝杆、固定夹具和应力传感器。

所述振动产生装置配置为向所述光纤传感器提供振动应力，其包括振动电机与伺服电机驱动器；所述振动电机通过线缆与伺服电机驱动器连接。

所述环境试验箱为所述光纤传感器提供交变湿热环境，即提供温度应力和湿度应力。

所述光纤传感分析仪获取并测量光纤传感器的中心波长，同时将测量数据发送至计算机存储。

所述数据采集系统用于获取疲劳测试期间温湿度数据和应力传感数据，并将其发送至计算机处理。

具体的，所述疲劳测试是可靠性测试的一种，用于测试橡胶、塑料试样或模拟机件在各种环境下，经受交变载荷而测定其疲劳性能判据，并研究其断裂过程的试验。

所述测试装置可提供一个或多个应力。

具体的，所述测试装置可提供一个或多个应力，即所述测试装置可同时或分别向光纤传感器提供拉伸应力、压缩应力、振动应力、温度应力和湿度应力。

优选的，所述伺服电机的转动轴通过螺丝与丝杆连接，丝杆与滑动夹具连接；所述伺服电机驱动器通过线缆与伺服电机、PLC连接。

优选的，所述光纤传感器的两端分别用滑动夹具和固定夹具进行固定；滑动夹具和固定夹具设有凹槽，所述凹槽用于将光纤传感器的尾纤引出。

更进一步地，所述固定夹具通过螺丝固定在导轨的一侧。

优选的，所述应力传感器的一端固定于固定夹具的底座上，另一端与光纤传感器夹具连接。

具体的，所述光纤传感器夹具是指用于固定光纤光栅的机械部件，不同型号的光纤光栅采用不同的定制夹具。

优选的，所述数据采集系统包括数据采集卡和电子温湿度计，数据采集卡通过数据线与应力传感器、计算机连接。

具体的，所述数据采集系统用于记录疲劳测试期间温湿度数据和应力传感器数据，基于光纤传感器输出数据的一致性和重复性(相同条件下输出数据的标准差)为测试评价指标。

优选的，所述振动电机设于光纤传感器下方，与光纤传感器紧贴设置。

优选的，所述PLC、环境试验箱、电子湿温度计通过数据线与计算机连接。

优选的，所述计算机内存储有伺服电机控制程序、振动电机控制程序、环境试验箱控制程序、数据采集控制程序；

所述伺服电机控制程序、振动电机控制程序用于发送调控指令至相应的电机，所述调控指令对光纤传感器施加的拉伸应力、压缩应力、振动应力进行控制与调节，同时将拉伸应力、压缩应力、振动应力施加次数、周期和强度存储至计算机；

所述环境试验箱控制程序用于调控环境试验箱对光纤传感器温度应力和湿度应力；

所述数据采集程序用于驱动数据采集卡采集并存储光纤传感器的温湿度数据、应力传感器数据。

优选的，所述光纤传感分析仪可为光功率计、光谱仪。

具体的，所述光纤传感分析仪、光功率计、光谱仪均为用于光纤特性分析的仪器。

本发明还提供了一种用于前述测试装置的光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试方法，所述方法包括以下步骤：

S1：所述光纤传感器接收由伺服电机驱动滑动夹具在滑动导轨上循环往复运动产生拉伸应力、压缩应力；

S2：光纤传感器接收来自振动电机的振动应力；

S3：所述光纤传感器置于环境试验箱提供交变湿热环境中；

S4：光纤传感器接收来自光纤传感分析仪的光波，并反射光信号，所述光纤传感分析仪测量反射光的中心波长；

S5：将中心波长数据传送至计算机存储；

S6：应力传感器采集应力数据，并将数据传送至计算机，所述计算机驱动伺服电机控制施加在光纤传感器上的应力；

S7：电子温湿度计记录环境试验箱中的温湿度变化，并将其发送至计算机；

S8：计算机读取存储的数据，驱动相应的控制程序，调节应力大小。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的测试装置，在保障测试准确性的同时，降低测试设备的搭建成本，具有成本低、易操作的优点；

(2)本发明提供的测试装置集成光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试于一体，可选择性地选择一种或多种测试，具有便捷、灵活性强、可操作性强的优点。

附图说明

附图标记说明

1光纤传感器，2振动电机，3丝杆，4环境试验箱。

图1为本发明的测试装置的结构示意图；

图2为本发明的测试装置的具体结构示意图；

图3为本发明的测试方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1～2所示，一种光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试装置，包括光纤传感器1、拉伸压缩应力产生装置、振动产生装置、环境试验箱4、光纤传感分析仪、数据采集系统和计算机；

所述拉伸压缩应力产生装置配置为向光纤传感器提供拉伸应力、压缩应力，其包括伺服电机、伺服电机驱动器、PLC、滑动导轨、滑动夹具、丝杆3、固定夹具和应力传感器。所述伺服电机的转动轴通过螺丝与丝杆4连接，丝杆4与滑动夹具连接；所述伺服电机驱动器通过线缆与伺服电机、PLC连接；所述光纤传感器的两端分别用滑动夹具和固定夹具进行固定；滑动夹具和固定夹具设有凹槽，所述凹槽用于将光纤传感器的尾纤引出。

所述固定夹具通过螺丝固定在导轨的一侧；所述应力传感器的一端固定于固定夹具的底座上，另一端与光纤传感器夹具连接。

所述振动产生装置配置为向所述光纤传感器提供振动应力，其包括振动电机与伺服电机驱动器；所述振动电机通过线缆与伺服电机驱动器连接，振动电机设于光纤传感器下方，与光纤传感器紧贴设置。

所述环境试验箱为所述光纤传感器提供交变湿热环境，即提供温度应力和湿度应力。

所述光纤传感分析仪获取并测量光纤传感器的中心波长，同时将测量数据发送至计算机存储。

所述数据采集系统用于获取疲劳测试期间温湿度数据和应力传感数据，并将其发送至计算机处理。

所述测试装置可提供一个或多个应力，即所述测试装置可同时或分别向光纤传感器提供拉伸应力、压缩应力、振动应力、温度应力和湿度应力。

所述数据采集系统包括数据采集卡和电子温湿度计，数据采集卡通过数据线与应力传感器、计算机连接；所述数据采集系统用于记录疲劳测试期间温湿度数据和应力传感器数据，基于光纤传感器输出数据的一致性和重复性(相同条件下输出数据的标准差)为测试评价指标。

所述PLC、环境试验箱、电子湿温度计通过数据线与计算机连接。计算机内存储有伺服电机控制程序、振动电机控制程序、环境试验箱控制程序、数据采集控制程序；

所述伺服电机控制程序、振动电机控制程序用于发送调控指令至相应的电机，所述调控指令对光纤传感器施加的拉伸应力、压缩应力、振动应力进行控制与调节，同时将拉伸应力、压缩应力、振动应力施加次数、周期和强度存储至计算机；

所述环境试验箱控制程序用于调控环境试验箱对光纤传感器温度应力和湿度应力；

所述数据采集程序用于驱动数据采集卡采集并存储光纤传感器的温湿度数据、应力传感器数据。

如图3所示，本发明还提供了一种用于前述测试装置的光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试方法，所述方法包括以下步骤：

S1：所述光纤传感器接收由伺服电机驱动滑动夹具在滑动导轨上循环往复运动产生拉伸应力、压缩应力；

S2：光纤传感器接收来自振动电机的振动应力；

S3：所述光纤传感器置于环境试验箱提供交变湿热环境中；

S4：光纤传感器接收来自光纤传感分析仪的光波，并反射光信号，所述光纤传感分析仪测量反射光的中心波长；

S5：将中心波长数据传送至计算机存储；

S6：应力传感器采集应力数据，并将数据传送至计算机，所述计算机驱动伺服电机控制施加在光纤传感器上的应力；

S7：电子温湿度计记录环境试验箱中的温湿度变化，并将其发送至计算机；

S8：计算机读取存储的数据，驱动相应的控制程序，调节应力大小。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (8)

1.一种光纤传感器拉伸、压缩、振动及交变湿热疲劳测试装置，其特征在于，所述测试装置包括光纤传感器、拉伸压缩应力产生装置、振动产生装置、环境试验箱、光纤传感分析仪、数据采集系统和计算机；

所述拉伸压缩应力产生装置被配置为向光纤传感器提供拉伸应力、压缩应力；所述拉伸压缩应力产生装置包括伺服电机、伺服电机驱动器、PLC、滑动导轨、滑动夹具、丝杆、固定夹具和应力传感器，所述伺服电机的转动轴通过螺丝与丝杆连接，丝杆与滑动夹具连接；所述伺服电机驱动器通过线缆与伺服电机、PLC连接；

所述振动产生装置包括振动电机与伺服电机驱动器；所述振动电机通过线缆与伺服电机驱动器连接，被配置为向所述光纤传感器提供振动应力；

所述环境试验箱为所述光纤传感器提供交变湿热环境；

所述光纤传感分析仪获取并测量光纤传感器的中心波长，同时将测量数据发送至计算机存储；

所述数据采集系统用于获取疲劳测试期间温湿度数据和应力传感数据，并将其发送至计算机处理；

所述测试装置可同时或分别向光纤传感器提供拉伸应力、压缩应力、振动应力、温度应力和湿度应力；

所述应力传感器的一端固定于固定夹具的底座上，另一端与光纤传感器夹具连接；

所述振动电机设于光纤传感器下方，与光纤传感器紧贴设置。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述光纤传感器的两端分别用滑动夹具和固定夹具进行固定；滑动夹具和固定夹具设有凹槽，所述凹槽用于将光纤传感器的尾纤引出。

3.根据权利要求2所述的测试装置，其特征在于，所述固定夹具通过螺丝固定在导轨的一侧。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述数据采集系统包括数据采集卡和电子温湿度计，数据采集卡通过数据线与应力传感器、计算机连接。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述PLC、环境试验箱、电子湿温度计通过数据线与计算机连接；

所述计算机内存储有伺服电机控制程序、振动电机控制程序、环境试验箱控制程序、数据采集控制程序。

6.根据权利要求5所述的测试装置，其特征在于，所述伺服电机控制程序、振动电机控制程序用于发送调控指令至相应的电机，所述调控指令对光纤传感器施加的拉伸应力、压缩应力、振动应力进行控制与调节，并将拉伸应力、压缩应力、振动应力施加次数、周期和强度存储至计算机；

所述环境试验箱控制程序用于调控环境试验箱对光纤传感器温度应力和湿度应力；

所述数据采集程序用于驱动数据采集卡采集并存储光纤传感器的温湿度数据、应力传感器数据。

7.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述光纤传感分析仪可为光功率计、光谱仪。

8.一种应用于如权利要求1～7任一项所述测试装置的测试方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：所述光纤传感器接收由伺服电机驱动滑动夹具在滑动导轨上循环往复运动产生拉伸应力、压缩应力；

S2：光纤传感器接收来自振动电机的振动应力；

S3：所述光纤传感器置于环境试验箱提供交变湿热环境中；

S4：光纤传感器接收来自光纤传感分析仪的光波，并反射光信号，所述光纤传感分析仪测量反射光的中心波长；

S5：将中心波长数据传送至计算机存储；

S6：应力传感器采集应力数据，并将数据传送至计算机，所述计算机驱动伺服电机控制施加在光纤传感器上的应力；

S7：电子温湿度计记录环境试验箱中的温湿度变化，并将其发送至计算机；

S8：计算机读取存储的数据，驱动相应的控制程序，调节应力大小。