CN110617777A - 测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统，由光纤光栅应变传感器和传感器校准装置组成，光纤光栅两端分别固定连接在传感器固定端和传感器活动端，传感器固定端通过固定端焊接底座固定连接在定位板上，传感器活动端通过活动端焊接底座与定位板连接，活动端焊接底座可沿定位板前后移动，使光纤光栅两固定点间的距离为有效应变长度L；高精度微分螺杆通过螺杆安装座固定连接在定位板上，螺杆安装座与活动端焊接底座之间通过回位弹簧连接，由高精度微分螺杆配合回位弹簧可以控制传感器活动端前后方向滑动,并可精确控制传感器活动端滑动的位移量ΔL，从而对光纤光栅应变传感器施加标准应变量ε＝ΔL/L，实现光纤光栅应变传感器的安装或校准。

Description

测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅应变传感器系统,主要适用于船体总体变形的测量或长期监测。

背景技术

由于光纤光栅应变传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、体积小等优点，在船舶结构健康监测系统中发挥了巨大的作用。一方面，在船舶航行的过程中可以实时监测船体关键部位的应力情况、疲劳损伤等，遇到危险情况可发出预警，保证船舶安全航行；另一方面，利用采集的监测数据不断优化大型船舶的设计，改善结构，提高造船能力，使船舶更加安全可靠。不难看出，光纤光栅应变传感器测量值的准确性至关重要。

但是，目前该类传感器的溯源体系还不够完善,绝大部分传感器不具备可多次安装和可校准的功能,少数可校准的传感器,其校准装置只能在实验室使用，这对于在船舶上长期服役的应变传感器来说，带来了很大的不便。因此，研制一种可用于现场校准的测校一体的光纤光栅应变传感器系统，对保证船舶结构健康监测系统的量值准确统一，具有非常重要的意义。

发明内容

为了提高船舶结构健康监测系统数据的可靠性与准确性，本发明的目的在于提供一种测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统，由光纤光栅应变传感器和传感器校准装置组成，所述光纤光栅应变传感器具有一光纤光栅，所述光纤光栅两端分别固定连接在传感器固定端和传感器活动端，所述传感器固定端通过固定端焊接底座固定连接在定位板上，所述传感器活动端通过活动端焊接底座与定位板连接，且活动端焊接底座可沿定位板前后调节移动，使光纤光栅两固定点间的距离为有效应变长度L；所述传感器校准装置具有一高精度微分螺杆和回位弹簧，所述高精度微分螺杆通过螺杆安装座固定连接在定位板上，所述螺杆安装座与活动端焊接底座之间通过回位弹簧连接，使高精度微分螺杆的顶头始终与活动端焊接底座接触连接，由高精度微分螺杆配合回位弹簧可以控制传感器活动端前后方向滑动,并可精确控制传感器活动端滑动的位移量ΔL，从而对光纤光栅应变传感器施加标准应变量ε＝ΔL/L，实现光纤光栅应变传感器的安装或校准。

进一步，所述光纤光栅中间用保护钢管进行防护,所述保护钢管与传感器固定端采用螺纹方式固定连接,与传感器活动端采用油封的方式连接,使传感器活动端可以沿保护钢管轴向自由滑动，从而将传感器固定端和传感器活动端之间的变形量传递到光纤光栅。

进一步，所述传感器固定端和传感器活动端分别通过紧固螺钉与固定端焊接底座和活动端焊接底座安装在一起，所述固定端焊接底座和活动端焊接底座通过焊接的方式安装在被测表面。

进一步，所述传感器固定端放置在定位板的固定端槽位内,所述固定端槽位两侧限制传感器固定端左右移动,并使用限位螺钉使传感器固定端无法前后滑动,所述传感器活动端放置在定位板的活动端槽位内,所述活动端槽位两侧限制传感器活动端左右移动。

一种测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统的安装校准方法，包括初始安装校准方法和使用过程中校准、更换光纤光栅应变传感器的方法，

(1)初始安装校准方法

首先，将传感器固定端初步的焊接固定在被测表面，校准光纤光栅应变传感器：用高精度微分螺杆顶住传感器活动端,使光纤光栅处于松弛状态,安装回位弹簧,并松高精度微分螺杆使光纤光栅被拉伸,至中心波长开始增加变化时,记下高精度微分螺杆的初始位置,继续拉伸光纤光栅，对光纤光栅应变传感器施加标准应变量ε，此时光纤光栅中心波长变化量为Δλ，则可以得到光纤光栅应变传感器的灵敏度系数为k_ε＝Δλ/ε，再将传感器活动端初步焊接固定在被测表面，然后，取下传感器校准装置、定位板后，再对传感器固定端和传感器活动端进一步焊接固定。

(2)使用过程中校准、更换光纤光栅应变传感器的方法

首先，安装好传感器校准装置、固定端焊接底座、活动端焊接底座和定位板，卸下传感器活动端和焊接底座之间的紧固螺钉，使传感器活动端即可在活动端槽位内自由滑动，然后，采用初始安装校准方法中的校准光纤光栅应变传感器对光纤光栅应变传感器进行校准；校准后，如光纤光栅应变传感器灵敏度系数变化在额定范围中，则将传感器活动端再次紧固在焊接底座上，恢复原状态，在软件中重新设置灵敏度系数即可，如光纤光栅应变传感器灵敏度系数变化超过额定范围，甚至线性发生变化，则卸下传感器固定端的紧固螺钉，更换另一台经过校准的对光纤光栅应变传感器即可。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明的光纤光栅应变传感器系统量值经过校准，准确可靠；

2、本发明的光纤光栅应变传感器安装工具和校准装置为同一套组件，能够在现场进行校准，使用方便，且能够保证传感器安装时状态一致性。

3、本发明的光纤光栅应变传感器系统在安装前和使用过程中均可进行校准，能够保证传感器长期使用的稳定性。

附图说明

图1为本发明光纤光栅应变传感器及其校准装置的结构示意图。

图2为本发明光纤光栅应变传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，2所示，一种测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统，由光纤光栅应变传感器和传感器安装工具(校准装置)两部分组成，其中光纤光栅应变传感器包括传感器固定端1、传感器活动端2、保护钢管3、光纤光栅4，固定端焊接底座8，活动端焊接底座9，安装工具(校准装置)包括定位板5、高精度微分螺杆6、回位弹簧7。

光纤光栅4的尾纤一端固定在传感器固定端1上,另一端固定在传感器活动端2上，固定光纤光栅4两点间的距离为有效应变长度L,光纤光栅4中间用保护钢管3进行防护,保护钢管3与固定端1采用螺纹方式固定连接,与活动端2采用油封的方式连接,这样活动端2可以沿保护钢管3轴向自由滑动，从而将固定端1和传感器活动端2之间的变形量传递到光纤光栅4，固定端1和活动端2和各自的焊接底座之间通过紧固螺钉安装在一起，两个焊接底座通过焊接的方式安装在被测表面；

传感器固定端1放置在定位板5的固定端槽位内,该固定端槽位两侧限制固定端1左右移动,使用限位螺钉使传感器固定端1无法前后滑动,传感器活动端2放置在定位板5的活动端槽位内,传感器活动端2在该活动端槽位内无法左右移动,采用高精度微分螺杆6配合回位弹簧7可以控制传感器活动端2前后方向滑动,并可精确控制其滑动的位移量ΔL，从而对应变传感器施加标准应变量ε＝ΔL/L，实现光纤光栅应变传感器的安装或校准。

本发明的总的技术构思是：应变传感器敏感单元为光纤光栅，其应变测量直接通过对光纤光栅的拉伸或压缩实现，而传感器的结构部分主要用于传感器的保护、密封、及安装固定。感受船体总体变形的光纤光栅两端分别固定在传感器固定端和传感器活动端，外围用不锈钢管保护,钢管一端与传感器固定端密封固定连接,另一端与传感器活动端密封滑动连接,固定光纤光栅的两点之间距离为确定值,称为有效应变长度。

根据应变物理定义，建立应变量与长度变化量、有效应变长度的对应关系。采用高精度螺旋测微头机构产生标准位移变化量，利用应变与长度之间的对应关系实现应变校准，从而将应变量溯源到长度标准。

本发明的测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统的校准和安装方法如下：

(1)光纤光栅应变传感器校准的方法

传感器固定端1放置在定位板5的固定端槽位内,使用限位螺钉使固定端1无法前后滑动,传感器活动端2放置在定位板5的活动端槽位内,用高精度微分螺杆6顶住传感器活动端2,使光纤光栅4处于松弛状态,安装回位弹簧,松微分螺杆6使光纤光栅4被拉伸,至中心波长开始变化(增加)时,记下微分螺杆的初始位置,继续拉伸光纤光栅，对传感器施加标准应变量ε，此时光纤光栅中心波长变化量为Δλ，则可以得到光纤光栅应变传感器的灵敏度系数为k_ε＝Δλ/ε，如果多测量几个校准点，则可以得到传感器的线性等性能指标。

(2)光纤光栅应变传感器安装的方法

将安装工具放置在传感器安装位置，安装位置表面需经过预处理，传感器固定端1(和焊接底座安装在一起)放置在定位板5的固定端槽位内,使用限位螺钉使固定端1无法前后滑动,活动端2(和焊接底座安装在一起)放置在定位板5的活动端槽位内,将传感器固定端1初步的焊接固定在安装位置表面，用高精度微分螺杆6顶住活动端2,使光纤光栅4处于松弛状态,安装回位弹簧,松微分螺杆6使光纤光栅4被拉伸,至中心波长开始变化(增加)时,记下微分螺杆的初始位置,继续拉伸光纤光栅，对传感器施加标准应变量ε，ε大小由传感器的测量范围确定(例如需测量-2000με～+2000με，则ε＝+2000με)，此时将活动端2初步焊接固定在安装表面，将安装工具取下后，再对固定端1和活动端2进一步焊接固定。

(3)在使用过程中校准、更换光纤光栅应变传感器的方法

按前文描述的方法在传感器上安装好校准装置，卸下传感器活动端2和焊接底座之间的紧固螺钉，传感器活动端2即可在槽位内自由滑动，此时便可用前文所述的方法对传感器进行校准。

校准后，如传感器灵敏度系数变化不大，则将传感器活动端2再次紧固在焊接底座上，恢复原状态，在软件中重新设置灵敏度系数即可，如传感器灵敏度系数变化较大，甚至线性发生变化的，则卸下固定端的紧固螺钉，更换另一台经过校准的应变传感器即可。

本发明利用高精度微分螺杆测量光纤光栅应变传感器的变形量，设计合适的结构对传感器施加标准应变信号，将应变量溯源到长度基准上，实现了光纤光栅应变传感器的校准，且本发明设计的巧妙结构实现了测校一体，使用同一套系统,无论在实验室还是现场、安装前还是使用过程中都能对传感器进行方便的校准。

本发明的技术使船用光纤光栅应变传感器的量值可靠性得到了保证，在一定程度上完善了船舶结构健康监测系统，保证了监测数据的可靠性与准确性。

Claims (5)

1.一种测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统，由光纤光栅应变传感器和传感器校准装置组成，所述光纤光栅应变传感器具有一光纤光栅，所述光纤光栅两端分别固定连接在传感器固定端和传感器活动端，所述传感器固定端通过固定端焊接底座固定连接在定位板上，所述传感器活动端通过活动端焊接底座与定位板连接，且活动端焊接底座可沿定位板前后调节移动，使光纤光栅两固定点间的距离为有效应变长度L；所述传感器校准装置具有一高精度微分螺杆和回位弹簧，所述高精度微分螺杆通过螺杆安装座固定连接在定位板上，所述螺杆安装座与活动端焊接底座之间通过回位弹簧连接，使高精度微分螺杆的顶头始终与活动端焊接底座接触连接，由高精度微分螺杆配合回位弹簧可以控制传感器活动端前后方向滑动,并可精确控制传感器活动端滑动的位移量ΔL，从而对光纤光栅应变传感器施加标准应变量ε＝ΔL/L，实现光纤光栅应变传感器的安装或校准。

2.根据权利要求1所述的测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统，其特征在于：所述光纤光栅中间用保护钢管进行防护,所述保护钢管与传感器固定端采用螺纹方式固定连接,与传感器活动端采用油封的方式连接,使传感器活动端可以沿保护钢管轴向自由滑动，从而将传感器固定端和传感器活动端之间的变形量传递到光纤光栅。

3.根据权利要求1所述的测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统，其特征在于：所述传感器固定端和传感器活动端分别通过紧固螺钉与固定端焊接底座和活动端焊接底座安装在一起，所述固定端焊接底座和活动端焊接底座通过焊接的方式安装在被测表面。

4.根据权利要求1所述的测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统，其特征在于：所述传感器固定端放置在定位板的固定端槽位内,所述固定端槽位两侧限制传感器固定端左右移动,并使用限位螺钉使传感器固定端无法前后滑动,所述传感器活动端放置在定位板的活动端槽位内,所述活动端槽位两侧限制传感器活动端左右移动。

5.一种权利要求1-4任一所述的测校一体的船用光纤光栅应变传感器系统的安装校准方法，其特征在于，包括初始安装校准方法和使用过程中校准、更换光纤光栅应变传感器的方法：

(1)初始安装校准方法

首先，将传感器固定端初步的焊接固定在被测表面，校准光纤光栅应变传感器：用高精度微分螺杆顶住传感器活动端,使光纤光栅处于松弛状态,安装回位弹簧,并松高精度微分螺杆使光纤光栅被拉伸,至中心波长开始增加变化时,记下高精度微分螺杆的初始位置,继续拉伸光纤光栅，对光纤光栅应变传感器施加标准应变量ε，此时光纤光栅中心波长变化量为Δλ，则可以得到光纤光栅应变传感器的灵敏度系数为k_ε＝Δλ/ε，再将传感器活动端初步焊接固定在被测表面，然后，取下传感器校准装置、定位板后，再对传感器固定端和传感器活动端进一步焊接固定。

(2)使用过程中校准、更换光纤光栅应变传感器的方法

首先，安装好传感器校准装置、固定端焊接底座、活动端焊接底座和定位板，卸下传感器活动端和焊接底座之间的紧固螺钉，使传感器活动端即可在活动端槽位内自由滑动，然后，采用初始安装校准方法中的校准光纤光栅应变传感器对光纤光栅应变传感器进行校准；校准后，如光纤光栅应变传感器灵敏度系数变化在额定范围中，则将传感器活动端再次紧固在焊接底座上，恢复原状态，在软件中重新设置灵敏度系数即可，如光纤光栅应变传感器灵敏度系数变化超过额定范围，甚至线性发生变化，则卸下传感器固定端的紧固螺钉，更换另一台经过校准的对光纤光栅应变传感器即可。