CN110823122A - 一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置及方法，该发明装置主要由光纤光栅、粘贴胶、固定螺栓、金属弹性体组成。对光纤光栅施加一定大小预紧力后，再通过粘贴胶将其两端固定在弹性体的应变感应部分；弹性体由螺栓四角固定在曲率待测结构件侧面上。当待测结构件受到外界载荷产生弯曲变形时，弹性体感受应变并通过自身增敏结构将应变放大传递至光纤光栅，两根光纤光栅分别测量所处位置的应变，同时可以通过差分补偿消除外界环境因素对应变测量的影响，提高测量准确度，最后通过解调光纤光栅反射波长变化得到应变，从而根据此装置测量理论得到结构件曲率。

Description

一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置及方法

技术领域

本发明属于结构件表面曲率测量技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置及方法。

背景技术

在现代工业制造领域，例如重型数控机床这样的大型设备在机械加工方面有着至关重要的作用，各类大型零件等高端装备的加工是决定国家航空航天、能源石化及其他高端制造业的关键核心装备，其技术水平是衡量一个国家工业现代化发展水平和综合经济实力的重要标志。因此各种设备上的结构件因变形所造成的直接和间接经济损失及其对整个社会的影响是巨大的，也是难以精确估算的。大型结构件的变形往往伴都会随着表面曲率的变化，曲率是一个容易被忽略而且难以直接测量的物理量。因此，曲率的实时监测在现代机械精密加工领域具有重要意义。

机械设备在加工过程中，由于运行环境复杂，制造工序繁多等原因，立柱、滑枕、龙门等结构很容易在运行过程中产生变形导致表面线性度降低。这些都是经常出现的问题，难以被察觉，却不容忽视的现象。由上面的原因可知一种直观实时地检测结构件表面曲率的工具是必须的。

现今结构件变形曲率检测需广泛用于汽轮机、大型核电泵、船用螺旋桨、大飞机机翼等零件加工设备变形监测领域，对关键结构件损伤修复和再利用起着关键作用，确保加工系统稳定的同时保证加工精确度。虽然以往的结构件曲率测量方式例如应变片电测法、立体视觉测量、光弹性法虽然都可以通过测量应变或建立坐标系间接得到曲率，但是它们使用方法繁琐且难以在车间等复杂环境条件下开展测量。能用于复杂环境测量曲率的方式也会影响重型机床等设备的正常运行，其采集的数据具有不确定性引起误差，而精度高的例如三坐标测量法、图像处理技术也会大大降低加工效率。因此开发一种能够实时监测结构件变形曲率、适应复杂加工环境、不影响整个设备运行进度的曲率测量装置十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置及方法，，可以利用自身弹性体的特定结构与光纤光栅结合测得结构件表面曲率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置，包括光纤光栅、金属弹性体，2个光纤光栅通过粘贴胶固定在金属弹性体上，金属弹性体采用上、下对称的V形结构，不仅符合待测结构件的弯曲变形规律，并且可以根据结构件变形产生合理的应变场。每根光纤光栅的两个固定端采用悬臂梁式的结构，可以根据结构件的变形程度改变悬臂梁长度尺寸，在放大了待测应变的同时，保证了测量的准确性。金属弹性体中间刚度低于两侧的固定部分，使得变形应变更高效地传递到光纤光栅上面。金属弹性体的四角采用螺栓固定在待测结构件上，光纤光栅的输出端接入解调仪，解调仪的工作范围在光纤光栅波长变化范围内，实现曲率测量。

相比于其他构造结构件表面曲线、数学取极限、图像处理等测量方法，此金属弹性体设计为上、下两根光栅分布式测量不同位置的应变，在其测量原理中不仅避免了寻找结构件中性层这一困难步骤，同时通过差分补偿的方式抵消了环境因素的影响，大大简化了曲率的测量方式，减小了曲率测量对位置要求的局限性，提高了测量精确度。光纤光栅在弹性体上的固定位置相对于弹性体在待测结构件上的固定位置。可以实现应变增敏放大功能。弹性体中间的连接结构符合结构件弯曲变形规律。光纤光栅可根据其性能适时更换。弹性体感受应变并通过自身增敏结构将应变放大传递至光纤光栅，两根光纤光栅分别测量所处位置的应变。弹性体上用于固定光纤光栅的凸出端可以根据实际应变放大要求改变其长度尺寸。

按上述技术方案，金属弹性体材质选择为不锈钢。相比于黄铜等其他材料，其弹性模量大，线性度好，光纤光栅粘贴和更换更加方便。

本发明还提供一种光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量方法，该方法包括以下步骤，步骤一，将两根光纤光栅施加预紧力，使其波长始终在拉伸范围变化，待测结构件变形程度越大，预紧力也应相应增大。通过粘贴胶将其两端固定在金属弹性体的应变感应部分，金属弹性体采用上、下对称的V形结构，不仅符合待测结构件的弯曲变形规律，并且可以根据结构件变形产生合理的应变场。每根光纤光栅的两个固定端采用悬臂梁式的结构，可以根据结构件的变形程度改变悬臂梁长度尺寸，在放大了待测应变的同时，保证了测量的准确性。金属弹性体中间刚度低于两侧的固定部分，用于测量弹性体所传递的应变；步骤二，将金属弹性体的四角用螺栓固定于待测结构件侧面；步骤三，将光纤光栅的输出端接入解调设备；步骤四，当待测结构件发生弯曲变形时，通过解调设备得出的光纤光栅反射波长变化测得曲率。

按上述技术方案，所述步骤一中，通过两根光纤光栅组合而成的光栅串可以分布式测量应变，同时通过差分消除在计算过程中自动补偿掉环境温度的影响。从而提高测量准确度。

按上述技术方案，金属弹性体材质选择为不锈钢。

本发明产生的有益效果是：本发明中当待测结构件受到外界载荷产生弯曲变形时，弹性体感受应变并通过自身增敏结构将应变放大传递至光纤光栅，两根光纤光栅分别测量所处位置的应变，同时可以通过差分补偿消除外界环境因素对应变测量的影响，提高测量准确度，最后通过解调光纤光栅反射波长变化得到应变，从而根据此装置测量理论得到结构件曲率。本发明可以用在加工环境相对复杂的机械设备上进行结构件曲率检测。特定结构弹性体可以很好地复合弯曲变形规律，光纤光栅适用于复杂的加工环境。此装置在保证测量准确性的同时也不会影响加工进度，具有适应性强、应用方便、实时性高等特点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置的总体结构示意图；

图2是本发明实施例基于光纤光栅与特定结构弹性体的弯曲曲率测量装置的安装方式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，首先提供一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置，如图1、图2所示，包括光纤光栅、金属弹性体4，2个光纤光栅1通过粘贴胶2固定在金属弹性体上，金属弹性体采用上、下对称的V形结构5，不仅符合待测结构件的弯曲变形规律，并且可以根据结构件变形产生合理的应变场。每根光纤光栅的两个固定端采用悬臂梁6式的结构，可以根据结构件的变形程度改变悬臂梁长度尺寸，在放大了待测应变的同时，保证了测量的准确性。金属弹性体中间刚度低于两侧的固定部分，使得变形应变更高效地传递到光纤光栅上面。金属弹性体的四角采用螺栓3固定在待测结构件上，光纤光栅的输出端接入解调仪，解调仪的工作范围在光纤光栅波长变化范围内，实现曲率测量。

相比于其他构造结构件表面曲线、数学取极限、图像处理等测量方法，此金属弹性体设计为上、下两根光栅分布式测量不同位置的应变，在其测量原理中不仅避免了寻找结构件中性层这一困难步骤，同时通过差分补偿的方式抵消了环境因素的影响，大大简化了曲率的测量方式，减小了曲率测量对位置要求的局限性，提高了测量精确度。光纤光栅在弹性体上的固定位置相对于弹性体在待测结构件上的固定位置。可以实现应变增敏放大功能。弹性体中间的连接结构符合结构件弯曲变形规律。光纤光栅可根据其性能适时更换。弹性体感受应变并通过自身增敏结构将应变放大传递至光纤光栅，两根光纤光栅分别测量所处位置的应变。弹性体上用于固定光纤光栅的凸出端可以根据实际应变放大要求改变其长度尺寸。金属弹性体材质选择为不锈钢。相比于黄铜等其他材料，其弹性模量大，线性度好，光纤光栅粘贴和更换更加方便。

本发明还提供一种光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量方法，该方法包括以下步骤，步骤一，将两根光纤光栅施加预紧力后，通过粘贴胶将其两端固定在金属弹性体的应变感应部分，金属弹性体采用上、下对称的V形结构，不仅符合待测结构件的弯曲变形规律，并且可以根据结构件变形产生合理的应变场。每根光纤光栅的两个固定端采用悬臂梁式的结构，可以根据结构件的变形程度改变悬臂梁长度尺寸，在放大了待测应变的同时，保证了测量的准确性。金属弹性体中间刚度低于两侧的固定部分，用于测量弹性体所传递的应变；步骤二，将金属弹性体的四角用螺栓固定于待测结构件侧面；步骤三，将光纤光栅的输出端接入解调设备；步骤四，当待测结构件发生弯曲变形时，通过解调设备得出的光纤光栅反射波长变化测得曲率。所述步骤一中，通过两根光纤光栅组合而成的光栅串可以分布式测量应变，同时通过差分消除在计算过程中自动补偿掉环境温度的影响。从而提高测量准确度。金属弹性体材质选择为不锈钢。

本发明方法实施例中具体过程如下：

(1)将光纤光栅施加预紧力后用粘贴胶固定在特定位置。

(2)用螺栓将弹性体四角固定在待测结构件侧面。

(3)将光纤光栅的输出端接入波长解调设备，当结构件因弯曲产生曲率变化时即可根据反射波长改变量测得曲率。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置，其特征在于，包括光纤光栅、金属弹性体，2个光纤光栅通过粘贴胶固定在金属弹性体上，金属弹性体采用上、下对称的V形结构，每根光纤光栅的两个固定端采用悬臂梁式的结构，金属弹性体中间刚度低于两侧的固定部分，金属弹性体的四角固定在待测结构件上，光纤光栅的输出端接入解调仪，解调仪的工作范围在光纤光栅波长变化范围内，实现曲率测量。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置，其特征在于，金属弹性体材质选择为不锈钢。

3.一种基于权利要求1所述装置的光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，步骤一，将两根光纤光栅施加预紧力后，通过粘贴胶将其两端固定在金属弹性体的应变感应部分，金属弹性体采用上、下对称的V形结构，每根光纤光栅的两个固定端采用悬臂梁式的结构，金属弹性体中间刚度低于两侧的固定部分，用于测量弹性体所传递的应变；步骤二，将金属弹性体的四角固定于待测结构件侧面；步骤三，将光纤光栅的输出端接入解调设备；步骤四，当待测结构件发生弯曲变形时，通过解调设备得出的光纤光栅反射波长变化测得曲率。

4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量方法，其特征在于，所述步骤一中，通过两根光纤光栅组合而成的光栅串可以分布式测量应变，同时通过差分消除在计算过程中自动补偿掉环境温度的影响。

5.根据权利要求3或4所述的基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量方法，其特征在于，金属弹性体材质选择为不锈钢。

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