CN110208096A - 一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置，涉及一种杨氏模量测量技术，为了解决现有的杨氏模量测量方法稳定性较差、测量精度低的问题。本发明的底板设置在水平面上；支柱固定在底板上；支柱穿过隔板后固定在顶板上，使顶板、底板以及隔板相互平行以及隔板在顶板和底板之间移动；弹簧设置在隔板与顶板之间的支柱上；加压装置安放在底板上；压力传感器固定在隔板上，待测刚性材料放置于压力传感器上；光纤光栅固化在待测刚性材料的侧表面，光纤光栅与光纤光栅波长解调仪相连，光纤光栅波长解调仪与计算机相连；压力传感器与万用表相连。有益效果为稳定性好、测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种杨氏模量测量技术。
背景技术
杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的重要物理量；杨氏模量越大的材料，形变越不容易产生；杨氏模量常被当做挑选设计机械构件的材料的标准之一，是在工程设计领域常用的参考参数；杨氏模量的测量对于材料力学有着很重大研究意义。
测量杨氏模量原理基于胡克定律，即应力与应变之比。现有的测量方法有：拉伸法和梁微弯法等，而后人们又提出了霍尔位置传感器测量法、CCD成像系统测量法、电感式位移测量法和光纤位移传感器测量法等，上述方法大致可被归纳为两大类：静态法和动态法；静态法就是在材料上施加不同大小的恒定力，使材料发生形变，对产生的应力大小进行测算，通过应力和应变的关系得出材料杨氏模量的大小；动态法是基于材料固有参数与杨氏模量的关系。通过测量固有参数进而求出杨氏模量；但在实际应用中，这些方法存在着稳定性较差、精度低、应用范围狭小、或者实验条件难以满足理论原理的需求等缺陷；因此，需要研究具有简单性、高精度、稳定性良好且普适性强的杨氏模量测量装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的杨氏模量测量方法稳定性较差、测量精度低的问题，提出了一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置。
本发明所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置包括光纤光栅应变传感器、压力传感器、光纤光栅、加压装置、光纤光栅波长解调仪、万用表、金属框架、隔板和弹簧；
所述金属框架包括顶板、支柱和底板；
底板设置在水平面上；支柱竖直设置，并且支柱底端固定在底板上；支柱的顶端穿过隔板后固定在顶板的下表面，使顶板、底板以及隔板相互平行，隔板在顶板和底板之间可沿支柱上下移动；
弹簧竖直设置在隔板与顶板之间的支柱上；
加压装置的底座竖直安放在底板上，其加压施力端支撑在隔板的下表面；
压力传感器固定在隔板的上表面，待测刚性材料放置于压力传感器的上表面；
光纤光栅设置在待测刚性材料的侧表面；
光纤光栅应变传感器固化在光纤光栅处的待测刚性材料上，并且光纤光栅应变传感器的传感信号输出端与光纤光栅波长解调仪的传感信号输入端相连；
光纤光栅波长解调仪的解调信号输出端与计算机的解调信号输入端相连；
压力传感器的压力信号输出端与万用表的压力信号输入端相连。
本发明所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置的测量方法为：首先，将光纤光栅应变传感器树脂固定化在待测刚性材料表面；再次，将光纤光栅应变传感器的传感信号输出端与光纤光栅波长解调仪的传感信号输入端相连，将光纤光栅波长解调仪的解调信号输出端与计算机的解调信号输入端相连，将压力传感器的压力信号输出端与万用表的压力信号输入端相连；最后，通过加压装置的加压施力端向隔板施压，保证顶板与隔板挤压待测刚性材料，并利用万用表获取压力值，利用光纤光栅波长解调仪以及计算机获取光纤光栅中心波长漂移量。
具体的工作原理为：通过加压装置给压力传感器和待测刚性材料施加竖直向上的力，在待测刚性材料的顶端接触到顶板后，加压装置继续通过其加压施力端向隔板施压，使得固化的光纤光栅和待测刚性材料在竖直方向上协同形变，压力传感器把加载到待测刚性材料上的力转换为电信号，再通过万用表测量出压力传感器的数值；待测刚性材料与光纤光栅在竖直方向产生的协同变形，通过光纤光栅波长解调仪读取光纤光栅中心波长漂移量，即可测量待测刚性材料的微小形变量；结合光纤光栅的中心波长漂移量和压力值计算出待测刚性材料的杨氏模量。
本发明在测量杨氏模量这一实验中，待测刚性材料一般产生的都是微小形变量，光纤光栅传感器灵敏度高、抗干扰能力强，本发明将光纤光栅固化在待测刚性材料上，光纤光栅随着待测刚性材料在竖直方向上协同变形，可以获得更加精准的测量结果；有益效果为稳定性好、测量精度高。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置的结构示意图；
图2为待测刚性材料与光纤光栅的位置结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置包括光纤光栅应变传感器5-1、压力传感器4、光纤光栅5、加压装置6、光纤光栅波长解调仪8、万用表9、金属框架10、隔板2和弹簧3；
所述金属框架10包括顶板10-1、支柱10-2和底板10-3；
底板10-3设置在水平面上；支柱10-2竖直设置，并且支柱10-2底端固定在底板10-3上；支柱10-2的顶端穿过隔板2后固定在顶板10-1的下表面，使顶板10-1、底板10-3以及隔板2相互平行，隔板2在顶板10-1和底板10-3之间可沿支柱10-2上下移动；同时在支柱10-2上设有限位机构，防止隔板2与底板10-3接触；
弹簧3竖直设置在隔板2与顶板10-1之间的支柱10-2上；弹簧3用于保证在加压装置6的施力端向隔板2施力后，隔板2能够竖直向上平稳移动；
加压装置6的底座竖直安放在底板10-3上，其加压施力端支撑在隔板2的下表面；
压力传感器4固定在隔板2的上表面，待测刚性材料1放置于压力传感器4的上表面；
光纤光栅5设置在待测刚性材料1的侧表面，两者在竖直方向上协同形变；
光纤光栅应变传感器5-1固化在光纤光栅5处的待测刚性材料1上，并且光纤光栅应变传感器5-1的传感信号输出端与光纤光栅波长解调仪8的传感信号输入端相连；具体的光纤光栅应变传感器设置在光纤光栅5的一个栅区处的待测刚性材料1上；
光纤光栅波长解调仪8的解调信号输出端与计算机7的解调信号输入端相连；
压力传感器4的压力信号输出端与万用表9的压力信号输入端相连。
在本实施方式中，待测刚性材料1的杨氏模量测量装置计算公式为：光纤光栅应变传感器5-1由于待测刚性材料1的形变发生了中心波长漂移，公式为
ΔλB＝λB(1-Pe)ε＝kλBε (1)
其中，k为光纤光栅应变传感器应力灵敏度系数，为待测刚性材料1的应变值，L为待测刚性材料1的初始高度值，ΔL为待测刚性材料1受力后减少的高度值，λB为光纤光栅应变传感器5-1的中心波长；pe为光纤光栅应变传感器5-1的弹光系数；
待测刚性材料1截面所受压强P、应变值ε和弹性模量E之间存在关系为
而截面所受压强的大小P、自身截面积S和压力传感器4测得的力F有关系
将(2)和(3)联立可以得到力F、杨氏模量E和应变ε的关系
F＝E·S·ε (4)
将式(1)带入上式中得到
上式经拟合后得到：所施加压力F和光纤光栅应变传感器5-1中心波长的漂移量ΔλB呈线性关系，由其斜率K，可求出待测刚性材料1杨氏模量测量公式为
在本实施方式中，加压装置6为液压类，并且加压装置6上配有液压指示表，以便确保加压装置6的使用安全。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置进一步限定，在本实施方式中，该测量装置还包括光纤光栅温度传感器5-2；
光纤光栅温度传感器无应力金属封装粘贴在光纤光栅5处的待测刚性材料1上，并且光纤光栅温度传感器5-2用于对光纤光栅应变传感器5-1进行温度补偿。
在本实施方式中，光纤光栅温度传感器5-2通过金属无应力封装粘贴在光纤光栅5的另一个栅区处的待测刚性材料1上。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置进一步限定，在本实施方式中，所述待测刚性材料1的中心轴线、压力传感器4的中心轴线以及加压装置6加压施力端的中心轴线重合。
在本实施方式中，通过上述设置保证整体的受力平衡。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置进一步限定，在本实施方式中，所述支柱10-2的数量为三个或三个以上。
在本实施方式中，支柱10-2的数量为三个或三个以上以保证金属框架10的稳定性，如图1所示，支柱10-2的数量为4个，并且4个支柱10-2成矩形排列的方式排布。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置进一步限定，在本实施方式中，光纤光栅应变传感器5-1通过树脂胶固化在待测刚性材料1的侧表面。
在本实施方式中，光纤光栅应变传感器5-1不仅局限于通过树脂胶进行固化，例如，把光纤光栅应变传感器5-1金属化后通过激光焊接进行固化，但此固化方法仅适合与镍焊接的待测刚性材料1。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (5)
1.一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置，其特征在于，该测量装置包括光纤光栅应变传感器(5-1)、压力传感器(4)、光纤光栅(5)、加压装置(6)、光纤光栅波长解调仪(8)、万用表(9)、金属框架(10)、隔板(2)和弹簧(3)；
所述金属框架(10)包括顶板(10-1)、支柱(10-2)和底板(10-3)；
底板(10-3)设置在水平面上；支柱(10-2)竖直设置，并且支柱(10-2)底端固定在底板(10-3)上；支柱(10-2)的顶端穿过隔板(2)后固定在顶板(10-1)的下表面，使顶板(10-1)、底板(10-3)以及隔板(2)相互平行，隔板(2)在顶板(10-1)和底板(10-3)之间可沿支柱(10-2)上下移动；
弹簧(3)竖直设置在隔板(2)与顶板(10-1)之间的支柱(10-2)上；
加压装置(6)的底座竖直安放在底板(10-3)上，其加压施力端支撑在隔板(2)的下表面；
压力传感器(4)固定在隔板(2)的上表面，待测刚性材料(1)放置于压力传感器(4)的上表面；
光纤光栅(5)设置在待测刚性材料(1)的侧表面；
光纤光栅应变传感器(5-1)固化在光纤光栅(5)处的待测刚性材料(1)上，并且光纤光栅应变传感器(5-1)的传感信号输出端与光纤光栅波长解调仪(8)的传感信号输入端相连；
光纤光栅波长解调仪(8)的解调信号输出端与计算机(7)的解调信号输入端相连；
压力传感器(4)的压力信号输出端与万用表(9)的压力信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置，其特征在于，该测量装置还包括光纤光栅温度传感器(5-2)；
光纤光栅温度传感器(5-2)无应力金属封装粘贴在光纤光栅(5)处的待测刚性材料(1)上，并且光纤光栅温度传感器用于对光纤光栅应变传感器(5-1)进行温度补偿。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置，其特征在于，所述待测刚性材料(1)的中心轴线、压力传感器(4)的中心轴线以及加压装置(6)加压施力端的中心轴线重合。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置，其特征在于，所述支柱(10-2)的数量为三个或三个以上。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的刚性材料杨氏模量测量装置，其特征在于，光纤光栅应变传感器(5-1)通过树脂胶固化在待测刚性材料(1)的侧表面。
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| 陈少华 等: ""布拉格光纤光栅用于标准钢筋试件应变传感和弹性模量测量的实验研究"", 《应用激光》, vol. 24, no. 02, 25 April 2004 (2004-04-25), pages 66 - 68 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111157380A (zh) * | 2020-02-25 | 2020-05-15 | 五邑大学 | 一种软硬度测量装置及方法 |
| CN112683187A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-04-20 | 中国兵器工业第五九研究所 | 一种光纤光栅应变检测装置 |
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