CN111735714A - 一种基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及光纤检测技术领域，具体涉及一种基于光纤的高温全应力‑应变曲线测试方法及装置，方法包括：在不同温度下对光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验；获取各个温度下施加在光纤试件上的拉力载荷和各个温度下光纤试件中光纤传感器的腔长；根据各个温度下拉力载荷以及光纤试件中光纤传感器的腔长，计算每个温度下的应力和应变，并拟合得到应力应变曲线。本公开实施例的技术方案通过对光纤试件进行不同温度下的拉伸实验，并根据获取的腔长和拉力载荷计算出每个温度下光纤传感器的应力应变，能够为光纤传感器在不同温度下的应力应变分析提供准确的数据，能够真实的测量出不同温度环境下光纤传感器实际的应力应变。

Description

一种基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法及装置
技术领域
本公开涉及光纤检测技术领域，具体而言，涉及一种基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法及装置。
背景技术
光纤传感技术发展十分迅猛，已经广泛应用于铁路、船舶、航空航天、煤矿矿井等工程中。在高温材料领域，真实测量出高温环境过程中结构的实际应力应变也是迫切需要解决的问题。
目前对高温应力应变的分析多基于理论推算和计算机模拟，缺乏准确的应力测量数据作为支撑，这将会产生很大的测量误差。
因此，有必要设计一种新的基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法及装置。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法及装置、计算机可读存储介质及电子设备，进而至少在一定程度上克服相关技术中缺乏准确的应力测量数据作为支撑，这将会产生很大的测量误差的问题。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的第一方面，提供了一种基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法，包括：
在不同温度下对光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验；
获取各个温度下施加在光纤试件上的拉力载荷和各个温度下所述光纤试件中光纤传感器的腔长；
根据各个温度下所述拉力载荷以及所述光纤试件中光纤传感器的腔长，计算每个温度下的应力和应变，并拟合得到应力应变曲线。
在本公开的一种示例性实施例中，在不同温度下对所述光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验之前，所述方法还包括：
对光纤传感器做静态应变实验获取所述光纤传感器的第一反射光谱；
根据所述第一反射光谱确定腔长与应变之间的第一映射关系。
在本公开的一种示例性实施例中，在不同温度下对所述光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验之前，所述方法还包括：
对所述光纤传感器进行温度响应试验，获取不同温度下所述光纤传感器的第二反射光谱；
根据所述第二反射光谱确定腔长与温度之间的第二映射关系。
在本公开的一种示例性实施例中，获取各个温度下所述光纤试件中光纤传感器的腔长包括：
获取各个温度下所述光纤试件中光纤传感器的目标反射光谱；
根据所述目标反射光谱、所述第一映射关系和所述第二映射关系得到所述腔长。
在本公开的一种示例性实施例中，对所述光纤传感器做静态应变实验获取所述光纤传感器的第一反射光谱包括：
获取所述光纤传感器的初始腔长；
以预设间隔调整所述初始腔长得到多个参考腔长；
获取每一个所述参考腔长的第一反射光谱。
根据本公开的一个方面，提供一种基于光纤的高温全应力-应变曲线测试装置，包括：
蠕变试验机，用于将光纤试件固定，并对所述光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验；
高温炉，与所述蠕变试验机配合用于在不同温度下进行所述拉伸实验，获取各个温度下所述蠕变试验机施加的拉力载荷；
第一信号解调仪，连接于所述光纤试件中的光纤传感器，用于获取所述光纤试件中光纤传感器的腔长；
第一处理器，用于根据所述拉力载荷以及所述光纤传感器的腔长，计算每个温度下的应力和应变，并拟合得到应力应变曲线。
在本公开的一种示例性实施例中，所述装置还包括静态应变实验装置，用于在采用蠕变试验机将所述光纤传感器固定之前对所述光纤传感器做静态应变实验，所述静态应变实验装置包括：
位移平台，用于固定所述光纤传感器；
第二信号解调仪，连接于所述光纤传感器，用于对所述光纤传感器做静态应变实验获取所述光纤传感器的第一反射光谱；
第二处理器，用于根据所述第一反射光谱确定腔长与应变之间的第一映射关系。
在本公开的一种示例性实施例中，所述静态应变实验装置还包括：
加热炉，用于对所述光纤传感器进行温度响应试验，并通过所述第二信号解调仪获取不同温度下所述光纤传感器的第二反射光谱；
通过所述第二处理器根据所述第二反射光谱确定腔长与温度之间的第二映射关系。
在本公开的一种示例性实施例中，包括：
通过所述第一信号解调仪获取各个温度下所述光纤试件中光纤传感器的目标反射光谱；
根据所述目标反射光谱、所述第一映射关系和所述第二映射关系得到所述腔长。
在本公开的一种示例性实施例中，对所述光纤传感器做静态应变实验获取所述光纤传感器的第一反射光谱，包括：
获取所述光纤传感器的初始腔长；
利用所述位移平台以预设间隔调整所述初始腔长得到多个参考腔长；
获取每一个所述参考腔长的第一反射光谱。
本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本公开的一种实施例所提供的基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法中，通过将光纤试件固定在蠕变试验机上，并对所述光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验；在不同温度下进行所述拉伸实验，获取各个温度下所述蠕变试验机施加的拉力载荷，并通过第一信号解调仪获取所述光纤试件中光纤传感器的腔长变化；根据所述拉力载荷以及所述光纤传感器的腔长，计算每个温度下的应力和应变，并拟合得到应力应变曲线。相较于现有技术，对光纤试件进行不同温度下的拉伸实验，并根据获取的腔长变化和拉力载荷计算出光纤传感器的应力应变，能够为光纤传感器在不同温度下的应力应变分析提供准确的数据，能够真实的测量出不同温度环境下光纤传感器实际的应力应变。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1示意性示出本公开示例性实施例中基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法的流程图；
图2示意性示出本公开示例性实施例中光纤试件的结构图；
图3示意性示出本公开示例性实施例中光纤传感器的结构图；
图4示意性示出本公开示例性实施例中光纤传感器反射光谱图；
图5示意性示出本公开示例性实施例中拉伸实验的结构图；
图6示意性示出本公开示例性实施例中不同温度下的光纤传感器的目标反射光谱图；
图7示意性示出了本公开示例性实施例中光纤传感器、平板试件和理论值伸长量对比图；
图8示意性示出本公开示例性实施例中不同温度下应力-应变曲线图；
图9示意性示出本公开示例性实施例中应变实验系统结构图；
图10示意性示出本公开示例性实施例中温度响应信号曲线。
具体实施方式
现在将参照附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在相关技术中，目前对高温应力应变的分析多基于理论推算和计算机模拟，缺乏准确的应力测量数据作为支撑，尤其在大于900℃以上的温度范围内。当然，也有高温下的应力应变测量实验，主要是对试验机的拉伸轴进行应变测量，或者采用工形连杆将连接段引出至高温炉外，对工形连杆进行应变测量，但这两种应变测量方法均存在缺陷。如果对试验机拉伸轴进行应变测量，测得的结果将包含拉伸轴及整个实验试件的应变，而不是实验试件连接段的应变，这将会产生很大的测量误差。同样，工形连杆稳定性较差，拆装不便，高温应变测量方法在实际应用中并不是很广泛。
基于上述缺点，在本示例性实施例中，首先提供了一种基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法，参照图1中所示，上述的基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法可以包括以下步骤：
S110，在不同温度下对光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验；
S120，获取各个温度下施加在光纤试件上的拉力载荷和各个温度下所述光纤试件中光纤传感器的腔长；
S130，根据各个温度下所述拉力载荷以及所述光纤试件中光纤传感器的腔长，计算每个温度下的应力和应变，并拟合得到应力应变曲线。
根据本示例性实施例中所提供的基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法中，相较于现有技术，对光纤试件进行不同温度下的拉伸实验，并根据获取的腔长变化和拉力载荷计算出光纤传感器的应力应变，能够为光纤传感器在不同温度下的应力应变分析提供准确的数据，能够真实的测量出不同温度环境下光纤传感器实际的应力应变。
下面，将结合附图及实施例对本示例性实施例中的基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法的各个步骤进行更详细的说明。
步骤S110，在不同温度下对光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验。
在本公开的一种示例实施例中，参照图2所示，光纤试件可以包括光纤传感器25、平板试件和支架26；其中平板试件可以包括连接段21与标距段22，连接段21分别连接于标距段22两端，连接段21可以为矩形板状结构，在连接段21上可以使之有连接孔27，连接孔27可以位于连接段21的中心位置，也可以中心位置位于连接段21远离上述标距段22的部位，在本示例实施方式中不做具体限定。
在本示例实施方式中，参照图3所示，光纤传感器可以包括光入射光纤32、光反射光纤34、准直石英毛细管33和保护石英毛细管31。在本示例实施方式中，光入射光纤32和光反射光纤34可以采用单模光纤，单模光纤的外径可以为250μm，剥去涂覆层后的裸光纤直径可以为125μm。石英毛细管加工长度可以为50mm，具体使用长度可以根据光纤传感器的制作要求自定义，在本示例实施方式中不做具体限定。
在本示例实施方式中，为了使多光束干涉效果更好，要求裸光纤的直径和准直石英毛细管33的内径尽可能相接近，故准直石英毛细管33内径定为127μm，外径1000μm；为了使准直石英毛细管33和保护石英毛细管31同轴度更好，且相对之间滑动摩擦阻力较小，保护石英毛细管31内径选择可以略大于石英毛细管内径，例如为1002μm，外径1500μm。毛细管的内、外直径加工误差均为±1μm。在光入、反射光纤的作用下形成了FP腔，随着FP腔的扩大或者缩小，可以定量解析出应变大小。
在本示例实施方式中，在安装光纤传感器时，可以首先准备好单模光纤，并用光纤剥纤钳去除光纤涂覆层，并用酒精擦拭光纤使表面清洁干净，再将去除涂覆层的单模裸光纤插入准直石英毛细管33中，并将裸光纤从另外一端穿出，再用光纤切割刀将穿出后的裸光纤进行切割，然后再将裸光纤在准直石英毛细管33中进行回抽，并使得光纤在准直毛细管中处于一个合适的位置；用光纤剥纤钳去除光入射光纤32的涂覆层，并将去除涂覆层的光入射光纤32插入准直石英毛细管33，适当移动光入射光纤32，并找到一个合适的位置；将准直石英毛细管33插入保护石英毛细管31中，用粘接剂分别将光反射光纤34和准直石英毛细管33、光入射光纤32和保护石英毛细管31粘接在一起；将光入射光纤32和光纤解调仪进行连接，并将准直石英毛细管33和保护石英毛细管31分别固定在位移平台上，调节位移平台旋钮来改变光纤传感器的腔长35，进而来实现调节光纤传感器多光束干涉光谱，直至光纤传感器干涉光谱的条纹对比度达到目标需求；最后，可以采用粘接剂分别将左、右支架和光纤传感器的准直石英毛细管33、保护石英毛细管31粘接在一起。
在本示例实施方式中，可以将制作完成后的光纤传感器进行干燥处理，例如，将光纤传感器放置在干燥通风环境下，直至整个光纤传感器结构稳定。实际的腔长与光纤传感器干涉光谱的条纹对比度要求密切相关，人为控制腔长直接的距离使其保持在合适的范围内，参照图4所示的试验合格时光纤传感器反射光谱图。通过多次实验，可以大致确定其初始腔长为110μm。
在本示例实施方式中，参照图2所示，平板试件用于承载光纤传感器25，光纤传感器25通过卡扣24和支架26固定于平板试件上，通过螺栓23将卡扣24和支架26紧固连接在一起，并使得两个支架26固定在平板试件连接段两端。在支架26上采用螺栓23连接，从而将支架26与平板试件连接起来。但实验中存在光纤传感器25腔长恒定不变的现象，在试件发生拉伸变形时，高温条件下塑性变形会更明显，将会使得平板试件连接段横截面积减小，使得卡扣24尺寸和平板试件不匹配导致卡扣24松动，使得两个本来紧固的卡扣24可以在平板试件上相对移动，无法实现对连接段应变的测量，因此需要在支架26与光纤传感器25之间、支架26与平板试件之间用高温胶进行粘接。这种粘贴方案结合了高温胶支架26粘贴法和卡扣24固定法，先用卡扣24固定法将支架26固定在连接段两端，然后用无机高温胶涂覆卡扣24和平板试件接触表面及缝隙，高温胶-卡扣24粘贴工艺避免了高温胶固定粘贴工艺中直接粘贴高温胶强度偏低、脱落的问题。因为卡扣24具有一定的预紧力；同时，高温胶将支架26与平板试件的粘贴在一起，提高了支架26的稳定性，且高温条件下高温胶会发生体积膨胀，一定程度上填充了拉伸过程中产生的空隙，使得支架26难以在平板试件上发生相对移动。
在本公开的一种示例实施方式中，参照图5所示，将上述那个光纤试件53安装在蠕变试验机51上，并进行预设拉伸速率的拉伸实验，在本示例实施方式中拉伸速率为2mm/min；也可以根据需求进行自定义，在本示例实施方式中不做具体限定。
在本公开的一种示例实施方式中，参照图5所示，在上述蠕变试验机51安装光纤试件53的位置设置一高温炉52，以使得能够对光纤试件进行不同温度下的拉伸实验。
在本示例实施方式中，可以多光纤试件进行在20℃、200℃、400℃、500℃、600℃和800℃等温度下的拉伸实验，通过蠕变试验机51读取各个温度下的拉力载荷。在本示例实施方式中，可以采用高温炉52来实现温度变化，可以首先采集较低温度的拉力载荷和目标反射光谱，然后利用高温炉进行升温，在温度升到目标温度节点时，采集拉力载荷和目标反射光谱，以完成在不同温度下进行拉伸实验。
在步骤S120中，获取各个温度下施加在光纤试件上的拉力载荷和所述光纤试件中光纤传感器的腔长变化。
在本示例实施方式中，参照图5所示，可以通过连接于光纤试件53中光纤传感器的第一信号解调仪54获取光纤传感器的目标反射光谱，并根据目标反射光谱、第一处理器55根据第一映射关系和第二映射关系得到光纤试件53中光纤传感器的腔长。其中光纤试件53与第一信号解调仪之间通过光纤56连接。
在本示例实施方式中，还可以在蠕变试验机51上拉伸轴立柱上分别安装引伸计57测量应变来进行参考，使得测量结果更加准确；在进行测量之前，可以首先对测试装进行校准，具体而言，可以进行如下步骤，可以首先打开蠕变试验机51高温炉，将光纤试样安装在蠕变试验机51上，调节蠕变试验机51，保持拉伸载荷为0.1KN，使得光纤试件53处于拉紧绷直状态，再关闭高温炉。将两个电子引伸计57分别安装在蠕变机的拉伸轴立柱上，调整引伸计57位置，使得其指针分别紧靠在金属挡板，并显示一定的位移示数。待安装调整完成后，将引伸计57示数清零。在高温蠕变试验机51上位机上设置蠕变试验机51参数，包括加热温度、拉伸模式、拉伸速率等。待温度达到设定值后，保持温度5min，使炉内温度场达到平衡状态，然后通过解调仪上位机实现光谱采集和解调。
在本示例实施方式中，参照图6所示，在温度升高的过程中，光纤感器的目标反射光谱变得越来越密集，腔长从50μm增大到356μm。根据温度响应试验得到的第二映射关系可知，传感器的温度敏感度为0.13nm/℃，则温度从室温20℃度升高至800℃，理论上温度升高产生的腔长改变量约为101.4nm，这与传感器实际腔长改变量存在很大差异。
在本示例实施方式中，以平板试件的材料为45#材料为例进行详细说明，根据平板试件材料的热膨胀系数，可以求得不同温度下平板试验件的热膨胀伸长量。
在本示例实施方式中，参照图7所示，光纤传感器腔长伸长量与平板试件伸长量之间存在很好的线性一致性，而与因温度升高而使传感器产生伸长的理论计算值存在很大差异。说明升温过程中传感器腔长增大主要是因为高温导致平板件热膨胀造成的，同时也表明传感器在小应变范围内具有很好的高温应变测量精度。
在本示例实施方式中，有上述说明可确定光纤传感器的腔长变化是由平板试件的热膨胀变化的，因此，可以根据所述平板试件的距离变化确定光纤传感器的腔长变化。
在步骤S130中，根据所述拉力载荷以及所述光纤试件中光纤传感器的腔长变化，计算每个温度下的应力和应变，并拟合得到应力应变曲线。
在本公开的一种示例实施方式中，可以从蠕变试验机上读取各个不同温度下拉伸实验的拉力载荷，并根据拉力载荷确定应力变化，并根据上述得到的腔长变化利用第一映射关系确定应变变化。
在本示例实施方式中，可以根据得到的应力变化和应变变化拟合如图8所示的应力应变曲线，完成测量。
下面对如何获取第一映射关系和第二映射关系进行详细说明。
在本公开的一种示例实施方式中，在步骤S110之前，可以对光纤传感器进行静态应变实验，可以首先将光纤传感器固定在位移平台，上述二维移动平台能够改变光纤传感器的腔长。
在本示例实施方式中，可以首先确定一个初始腔长，初始腔长可以为110μm，也可以根据需求进行自定义，在本示例实施方式中不做具体限定。
在本公开的一种示例实施方式中，参照图9所示，采用第二信号解调仪92连接至光纤传感器，并将第二信号解调仪92连接至第二处理器91，用于形成第一反射光谱，并根据第一反射光谱得到应变与腔长之间的第一映射关系，即光纤传感器腔长的变化量可以对应光纤传感器的应变。
在本示例实施方式中，第一信号处理器、第二信号处理器均可以使计算机、平板电脑等能够接受并存储反射光谱的设备，在本示例实施方式中不对第一处理器和第二处理器做具体限定。
在本公开的一种示例实施方式中，第二信号解调仪内部自带ASE宽带光源，光源带宽可以为1510nm～1590nm，扫描精度可以为1.6pm。解调仪解调频率为5Hz，解调精度小于0.15nm，具有16个解调通道921，且可以同时对其中4个通道进行实时解调。第二处理器91作为是整个系统的控制部分，对第二信号解调仪92传出的第一反射光谱数据进行处理显示并存储。
在本示例实施方式中，第一信号解调仪的具体参数可以和第二信号接一条以的参数相同，也可以根据需求及相关自定义，在本示例实施方式中不做具体限定。
在本示例实施方式中，可以对不同腔长下的光纤传感器25的第一反射光谱图并进行解调。可以将光纤传感器初始腔长确定为100μm，以增加预设间隔为500μm获取多个参考腔长，并得以每一个参考腔长的光纤传感器进行第一反射光谱的获取，直到不再产生稳定信号。在实验过程中，传感器腔长与位移平台位移具有很好的线性关系，线性度很好，并可以根据上述线性关系确定第一映射关系，即光纤传感器腔长的变化量可以对应光纤传感器的应变；当腔长增大、反射光强减弱时，对信号影响将会变得越加明显。初始腔长为100μm的光纤传感器，解调后得到的最大腔长为20000μm，并且此时尚未出现非线性的趋势。
在本示例实施方式中，进一步地，为了验证灵敏度和可重复性，还可以只对光纤传感器整个应变测量范围内一段预设应变区间进行测量。
具体而言，应变测试范围可以为0～10000με。在本示例实施方式中，可以按照1000με为步进递增调节位移平台，直至位移平台93应变量达到10000με，然后再以同样的方法对位移平台进行回调，直到回复到初始状态，并将这种位移递增和递减的过程可以进行多次，以考察传感器的使用重复性，进行次数可以是3次、5次或更多，在本示例实施方式中不做具体限定。
在本公开的一种示例实施方式中，可以对光纤传感器进行温度响应试验，以获取第二映射关系，具体而言，可以采用加热炉对光纤传感器进行温度响应试验，在本示例实施方式中，加热炉可以是可以马弗炉，也可以是其他加热设备，在本示例实施方式中不做具体限定。
在本示例实施方式中，将光纤传感器放置在马弗炉中对其温度特性进行测试。可以从20℃开始进行升温加热，可以按照100℃为步进对光纤传感器进行阶梯加热，当温度达到某一设定值时，可以保持当前温度30分钟，当炉内温度达到稳定平衡状态后，对光纤传感器的第二反射光谱进行采集记录，然后再进行下一阶段的加热，不断重复上述加热升温步骤，直至最后温度达到1200℃。然后再将马弗炉以100℃为间隔对光纤传感器进行阶梯降温处理，期间记录光纤传感器在不同设定温度下的第二反射光谱，直至温度返回初始状态。
在本示例实施方式中，参照图10所示，在温度为100℃和1200℃下的光纤传感器的第二反射光谱对比，在升温过程中，随着温度的逐渐升高，光纤传感器的反射光谱整体轮廓改变较小，但整体光谱逐渐向右产生漂移，且最低温度100℃和最高温度1200℃下对应下的反射光谱漂移量未超过3nm，虽然反射光谱随着温度的升高变得越加密集，但仍能准确进行信号解析。因此，可以得知光纤传感器的温度敏感度较低，经过多次采集和计算可以得到第二映射关系，即计算得到光纤传感器的温度敏感度为0.13nm/℃。
需要说明的是，尽管光纤传感器对温度灵敏度一般，但对温度的交叉敏感还是会影响光纤传感器性能，特别是将传感光纤器应用于微应变的测量中时，其影响将不能进行忽略。为了避免传感器温度交叉的影响，可以采取以下温度补偿措施，例如。在整个测量系统中增加一个光纤布拉格光栅来对温度进行标定。
以下介绍本公开的装置实施例，可以用于执行本公开上述的基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法。
本公开该提供一种基于光纤的高温全应力-应变曲线测试装置，基于光纤的高温全应力-应变曲线测试装置包括蠕变试验机、高温炉、第一信号解调仪和第一处理器，蠕变试验机用于将光纤试件固定，并对光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验；高温炉与蠕变试验机配合用于在不同温度下进行拉伸实验，获取各个温度下蠕变试验机施加的拉力载荷；第一信号解调仪连接于光纤试件中的光纤传感器，用于获取光纤试件中光纤传感器的腔长；第一处理器用于根据拉力载荷以及光纤传感器的腔长，计算每个温度下的应力和应变，并拟合得到应力应变曲线。
基于装置部分的各个部件以及各个功能的实现在上述对基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法进行说明时已经进行了详细说明，因此，此处不再赘述。
此外，上述附图仅是根据本公开示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限。

Claims (10)

1.一种基于光纤的高温全应力-应变曲线测试方法，其特征在于，包括：
在不同温度下对光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验；
获取各个温度下施加在光纤试件上的拉力载荷和各个温度下所述光纤试件中光纤传感器的腔长；
根据各个温度下所述拉力载荷以及所述光纤试件中光纤传感器的腔长，计算每个温度下的应力和应变，并拟合得到应力应变曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在不同温度下对所述光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验之前，所述方法还包括：
对光纤传感器做静态应变实验获取所述光纤传感器的第一反射光谱；
根据所述第一反射光谱确定腔长与应变之间的第一映射关系。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在不同温度下对所述光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验之前，所述方法还包括：
对所述光纤传感器进行温度响应试验，获取不同温度下所述光纤传感器的第二反射光谱；
根据所述第二反射光谱确定腔长与温度之间的第二映射关系。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，获取各个温度下所述光纤试件中光纤传感器的腔长包括：
获取各个温度下所述光纤试件中光纤传感器的目标反射光谱；
根据所述目标反射光谱、所述第一映射关系和所述第二映射关系得到所述腔长。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对所述光纤传感器做静态应变实验获取所述光纤传感器的第一反射光谱包括：
获取所述光纤传感器的初始腔长；
以预设间隔调整所述初始腔长得到多个参考腔长；
获取每一个所述参考腔长的第一反射光谱。
6.一种基于光纤的高温全应力-应变曲线测试装置，其特征在于，包括：
蠕变试验机，用于将光纤试件固定，并对所述光纤试件进行预设拉伸速率的拉伸实验；
高温炉，与所述蠕变试验机配合用于在不同温度下进行所述拉伸实验，获取各个温度下所述蠕变试验机施加的拉力载荷；
第一信号解调仪，连接于所述光纤试件中的光纤传感器，用于获取所述光纤试件中光纤传感器的腔长；
第一处理器，用于根据所述拉力载荷以及所述光纤传感器的腔长，计算每个温度下的应力和应变，并拟合得到应力应变曲线。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括静态应变实验装置，用于在采用蠕变试验机将所述光纤传感器固定之前对所述光纤传感器做静态应变实验，所述静态应变实验装置包括：
位移平台，用于固定所述光纤传感器；
第二信号解调仪，连接于所述光纤传感器，用于对所述光纤传感器做静态应变实验获取所述光纤传感器的第一反射光谱；
第二处理器，用于根据所述第一反射光谱确定腔长与应变之间的第一映射关系。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述静态应变实验装置还包括：
加热炉，用于对所述光纤传感器进行温度响应试验，并通过所述第二信号解调仪获取不同温度下所述光纤传感器的第二反射光谱；
通过所述第二处理器根据所述第二反射光谱确定腔长与温度之间的第二映射关系。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，包括：
通过所述第一信号解调仪获取各个温度下所述光纤试件中光纤传感器的目标反射光谱；
根据所述目标反射光谱、所述第一映射关系和所述第二映射关系得到所述腔长。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，对所述光纤传感器做静态应变实验获取所述光纤传感器的第一反射光谱，包括：
获取所述光纤传感器的初始腔长；
利用所述位移平台以预设间隔调整所述初始腔长得到多个参考腔长；
获取每一个所述参考腔长的第一反射光谱。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112629426A (zh) * 2020-11-20 2021-04-09 西北工业大学 光纤应变传感装置
CN113959838A (zh) * 2021-09-15 2022-01-21 深圳市比洋光通信科技股份有限公司 一种用于光纤毛细管应力监测方法
CN114941996A (zh) * 2022-07-26 2022-08-26 西北工业大学 一种圆棒疲劳试样光纤光栅应变测量系统

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000356568A (ja) * 1999-06-14 2000-12-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光ファイバ引張試験による光ファイバひずみセンサ較正装置
JP2002257520A (ja) * 2001-03-02 2002-09-11 Toyoko Elmes Co Ltd 光ファイバひずみ検出装置
EP1249692A1 (fr) * 2001-04-12 2002-10-16 Fos Sàrl Dispositif à fibre optique pour la mesure de contraintes
CN103575331A (zh) * 2013-10-16 2014-02-12 哈尔滨工业大学 一种高温结构温度和应变的同时测试方法及标定装置
CN106092394A (zh) * 2016-06-23 2016-11-09 重庆大学 基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统及方法
CN106931898A (zh) * 2017-05-18 2017-07-07 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法
CN108180854A (zh) * 2017-12-22 2018-06-19 中国地质大学（武汉） 一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置及方法
CN108895978A (zh) * 2018-07-18 2018-11-27 大连理工大学 一种基于裸光纤的光纤传感器应变灵敏度标定方法
CN108918025A (zh) * 2018-05-09 2018-11-30 中国矿业大学 一种矿用光纤布拉格光栅测力锚杆的静态标定方法
CN109708586A (zh) * 2018-12-29 2019-05-03 北京信息科技大学 一种光纤布拉格光栅应变传感器的封装方法
CN109737999A (zh) * 2018-12-26 2019-05-10 东南大学 在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法
CN110044398A (zh) * 2019-04-03 2019-07-23 西北工业大学 基于f-p光纤传感器的高温应变测试装置及其安装方法
CN110579287A (zh) * 2019-09-16 2019-12-17 西北大学 一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器及测试方法

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000356568A (ja) * 1999-06-14 2000-12-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 光ファイバ引張試験による光ファイバひずみセンサ較正装置
JP2002257520A (ja) * 2001-03-02 2002-09-11 Toyoko Elmes Co Ltd 光ファイバひずみ検出装置
EP1249692A1 (fr) * 2001-04-12 2002-10-16 Fos Sàrl Dispositif à fibre optique pour la mesure de contraintes
CN103575331A (zh) * 2013-10-16 2014-02-12 哈尔滨工业大学 一种高温结构温度和应变的同时测试方法及标定装置
CN106092394A (zh) * 2016-06-23 2016-11-09 重庆大学 基于光纤法珀传感器的高温应变测量系统及方法
CN106931898A (zh) * 2017-05-18 2017-07-07 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种基于光纤传感器高温环境下的应变测量方法
CN108180854A (zh) * 2017-12-22 2018-06-19 中国地质大学（武汉） 一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置及方法
CN108918025A (zh) * 2018-05-09 2018-11-30 中国矿业大学 一种矿用光纤布拉格光栅测力锚杆的静态标定方法
CN108895978A (zh) * 2018-07-18 2018-11-27 大连理工大学 一种基于裸光纤的光纤传感器应变灵敏度标定方法
CN109737999A (zh) * 2018-12-26 2019-05-10 东南大学 在热力耦合环境下获取结构中的复材筋温度和应变的方法
CN109708586A (zh) * 2018-12-29 2019-05-03 北京信息科技大学 一种光纤布拉格光栅应变传感器的封装方法
CN110044398A (zh) * 2019-04-03 2019-07-23 西北工业大学 基于f-p光纤传感器的高温应变测试装置及其安装方法
CN110579287A (zh) * 2019-09-16 2019-12-17 西北大学 一种基于单毛细玻璃管封装光纤传感器及测试方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHUANGUANG LIU 等: "Optical Fiber Extrinsic Fabry-Perot Interfermetric Sensor for Large-Strain Measurement", 《2019 11TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON MEASURING TECHNOLOGY AND MECHATRONICS AUTOMATION》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112629426A (zh) * 2020-11-20 2021-04-09 西北工业大学 光纤应变传感装置
CN113959838A (zh) * 2021-09-15 2022-01-21 深圳市比洋光通信科技股份有限公司 一种用于光纤毛细管应力监测方法
CN113959838B (zh) * 2021-09-15 2024-03-29 深圳市比洋光通信科技股份有限公司 一种用于光纤毛细管应力监测方法
CN114941996A (zh) * 2022-07-26 2022-08-26 西北工业大学 一种圆棒疲劳试样光纤光栅应变测量系统
CN114941996B (zh) * 2022-07-26 2022-11-01 西北工业大学 一种圆棒疲劳试样光纤光栅应变测量系统

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