CN112066903A - 一种光纤传感器的应变标定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤传感器的应变标定装置及方法，该装置包括底座、滑轨、固定块、滑动块、传动座、动力装置、位移传动装置和测量装置；将待测光纤应变传感器夹持在固定块与滑动块之间，利用测量装置测量待测光纤应变传感器的标距；启动动力装置，滑块发生位移，待测光纤应变传感器发生形变时，利用测量装置测量并记录待测光纤应变传感器的形变量；计算得出标定参数，完成标定采用对待测光纤应变传感器进行拉伸或压缩的方法，通过其拉伸或压缩的变化量除以标距，即得到待测光纤应变传感器的应变值，采用该办法更加直观准确的得到应变值。

Description

一种光纤传感器的应变标定装置及方法

技术领域

本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种光纤传感器应变标定装置及方法。

背景技术

光纤传感的机理是将光源入射的光束经由光纤送入传感前端，在传感前端内与外界被测参数发生相互作用，使传感前端中光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调后获得被测参数。

光纤传感具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能；温度、应变、位移、振动、声波、辐射等多种物理量的感知性能；光损小、易集成、长距离的工程适用性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区、危化场所)，起到实时感知监测的作用。

光纤传感技术是近十多年来的热点技术，其在石油石化、土木建筑、航空航天、交通运输、军工、电力、消防、安防、医疗等行业得到快速发展，并取得不少落地技术应用。不同光感原理的光纤传感产品众多，光纤传感仪器设备基本上都已经成熟，但光纤传感器的发展远远不能满足市场需求，主要表现在(1)感知物理量的传感器比较单一，不能满足行业的广泛需求；(2)传感器的行业适用性较差，需要匹配各行业特点定制开发专用传感器；(3)多物理场耦合情况下的传感器单一感知能力差，传感器的物理场解耦技术有待解决；(4)光纤传感器的封装工艺可靠性欠缺，需要新技术、新工艺和新材料来解决；(5)光纤传感器的标定检测设备匮乏且技术不成熟，严重制约传感精度等关键指标。

基于上述问题，本工作开展的是光纤传感器的应变标定装置和方法研究工作，以提高光纤应变传感器出厂及安装施工的应变精度、灵敏度、测量范围等的指标准确性，确保工程应用效果优良。

现有技术中与本发明最接近的技术方案是：“拉压应力应变检测装置，申请号：200920317965.8”，该实用新型专利技术：一种金属应力检测技术领域的拉压应力应变检测装置，包括：机架、力传递螺杆、立柱、第一运动机构、第二运动机构、若干应变片、力传感器、四端法电阻盒和控制器，其中：力传递螺杆和立柱分别固定设置于机架的上平面并与第一运动机构的上平面竖直连接，力传感器位于第二运动机构下方并固定设置于机架中央，第一运动机构与第二运动机构相对设置于待测金属的上下两侧，若干应变片固定设置于待测金属的外表面并与四端法电阻盒相连接，力传感器的输出端和四端法电阻盒的输出端分别连接至控制器。

上述技术只适用于金属材料的拉压应变检测，但是用于应变传感器的标定测试实施起来不能够实现：不利于产业化大批量生产效率的提高、尤其不适合不同规格型号及标距的光纤应变传感器的标定测试。

现有技术中“若干应变片固定设置于待测金属的外表面并与四端法电阻盒相连接，力传感器的输出端和四端法电阻盒的输出端分别连接至控制器”，该设备是通过应变片和四端法电阻盒固定于金属材料上测量出金属材料的应变值，但是对于光纤应变传感器来说：该种测量方法和测量装置不能满足测量要求，主要体现在：1光纤应变传感器(除了光纤应变片)都是有外壳的，无法将电阻应变片或四端法电阻盒固定在光纤应变传感器的敏感部位；2光纤应变传感器的产品规格有很多种，其标距和应变范围很多种，需要可以改变标距的测试设备；3光纤应变传感器敏感件加工工艺误差不能保证一批次的敏感件灵敏度统一，因此出厂前和工程应用前每个光纤应变传感器都需要应变标定，对于标定测试设备需要操作灵活方便。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的一个目的在于提供一种光纤传感器的应变标定装置及方法，光纤应变传感器产品出厂标定和系统检测认证时，测量仪器、测试标准化方便实时操作。

本发明一方面的实施例提供一种光纤传感器的应变标定装置，包括：底座、滑轨、固定块、滑动块、传动座、动力装置、位移传动装置和测量装置；所述滑轨和传动座固定安装在底座上，在所述滑轨的一端设有固定块，所述固定块安装在底座上，所述滑轨的另一端设有可沿滑轨移动的滑动块，所述固定块和滑动块之间夹持待测光纤应变传感器，所述滑动块与位移传动装置相连接，所述动力装置和位移传动装置通过传动座固定连接，所述测量装置安装在底座上用于测量待测光纤应变传感器的参数。

优选的，所述待测光纤应变传感器两端采用卡阻结构分别连接固定块和滑动块。

在上述任意一项实施例中优选的，所述底座上设有多个位置不同的安装孔，通过将固定块可拆卸的安装在安装孔上，调整固定块的位置。

在上述任意一项实施例中优选的，所述动力装置为手轮或步进电机，所述动力装置的动力输出端，通过传动座连接位移传动装置。

在上述任意一项实施例中优选的，所述测量装置平行设置在滑轨一侧，所述测量装置的一端对齐固定块，用于测量初始时固定块到滑动块之间的距离，以及施力后滑动块的位移距离；所述测量装置包括如下工具中的任意一种：千分表、百分表、卡尺和深度尺。

在上述任意一项实施例中优选的，所述测量装置采用位移传感器，所述位移传感器连接微型控制器的输入端，所述微型控制器的输出端连接动力装置。

在上述任意一项实施例中优选的，所述位移传动装置采用能自锁的螺杆旋转机构。

本申请另一方面的实施例还提供一种光纤传感器的应变标定方法，应用于上述标定装置，包括以下步骤：S1、将待测光纤应变传感器夹持在固定块与滑动块之间，利用测量装置测量待测光纤应变传感器的标距；S2、启动动力装置，利用动力装置带动位移传动装置动作，致使滑块发生位移，待测光纤应变传感器发生形变，利用测量装置测量并记录待测光纤应变传感器的形变量；S3、重复上述步骤S2，根据多次测得的形变量和标距，计算得出标定参数，完成标定。

优选的，在S3中，所述标定参数包括以下参数中的一种或几种：应变灵敏度、精度和测量范围。

在上述任意一项实施例中优选的，在计算应变灵敏度时，以多次测量得到的多个应变形变量作为横轴，对应的待测光纤应变传感器光信息作为纵轴，进行线性拟合计算得出斜率值，得到待测光纤应变传感器的应变灵敏度。

本发明提供的一种光纤传感器的应变标定装置及方法，相比于现有技术，至少具有以下优点：

本申请提供的应变标定装置，采用夹持的方式将待检测的光纤应变传感器固定在固定块和滑动块之间，相比于传统器件标定方法中的将应变片固定在被测器件上的方法，更简单，更容易实施，能满足批量生产时，批量标定的需要。

本申请提供的标定方法，采用对待测光纤应变传感器进行拉伸或压缩的方法，通过其拉伸或压缩的变化量除以标距，即得到待测光纤应变传感器的应变值，采用该办法更加直观准确的得到应变值。

本申请提供的应变标定装置，固定块和滑动块采用卡组结构与被测器件连接，避免待测光纤应变传感器在产生应变时，表面不会发生相对位移，测量结果更准确。

本申请提供的可拆卸固定块，由于固定块和滑动块之间的距离确定了光纤应变传感器的标距，将固定块可拆卸的固定在底座上，能有适应工程应用中不同规格传感器的标距，提高该设备对不同标距传感器的通用性。

本申请提供的位移传动装置采用螺杆旋转机构，利用其自锁定功能，确保位移传动装置的稳定性，保证测量被测光纤应变传感器的应变标定精度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为一方面的实施例提供一种光纤传感器的应变标定装置示意图，

图2为一方面的实施例提供一种光纤传感器的应变标定装置的侧视示意图；

图3为一方面的实施例提供一种光纤传感器的应变标定装置的应变标定示意图；

图4为一方面的实施例提供一种光纤传感器的应变标定装置的连接结构框图；

图5为一方面的实施例提供一种光纤传感器的应变标定方法的流程图；

图中：1、底座；2、滑轨；3、固定块；4、滑动块；5、传动座；6、测量装置；7、动力装置；8、位移传动装置；9、显示屏、10、待测光纤应变传感器

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

如图1所示，本发明一方面的实施例提供一种光纤传感器的应变标定装置，包括：底座1、滑轨2、固定块3、滑动块4、传动座5、动力装置7、位移传动装置8和测量装置6；所述滑轨2和传动座5固定安装在底座1上，在所述滑轨2的一端设有固定块3，所述固定块3安装在底座1上，另一端设有可沿滑轨2移动的滑动块4，所述固定块3和滑动块4之间夹持待测光纤应变传感器，所述滑动块4与位移传动装置8相连接，所述动力装置7和位移传动装置8通过传动座5固定连接，所述测量装置6安装在底座1上用于测量待测光纤应变传感器的参数。

上述实施例在实施时，调节滑动块4的位置，将待测光纤应变传感器夹持固定块3与滑动块4之间，此时有测量装置测得标距C，当动力装置7发生动力输出时，位移传动装置8发生动作，会带动滑动块4发生位移，致使夹持在固定块3和滑动块4上的被测光纤应变传感器10被拉伸或压缩，该拉伸或压缩的位移量D(即为测量装置6的尺寸改变量)除以待测光纤应变传感器10的标距C即为该待测光纤应变传感器10应变变化值，由多个应变变化值作为横轴，对应的待测光纤应变传感器10光信息作为纵轴，进行线性拟合计算得出斜率值，即为该待测光纤应变传感器10的应变灵敏度，还可根据传感器标定方法可以得出待测光纤应变传感器10的应变测量范围和精度等指标信息。

需要说明的是，底座1和滑轨2的刚度，固定块3与底座1和传感器的固定力，滑动块4与传感器的固定力，位移传动装置8、动力装置7和传动座5的刚度等都要求足够大于所标定光纤应变传感器的最大应变值对应的力，原则上是10倍及以上的关系。

为了避免固定块和滑动块在固定待测光纤应变传感器时，发生相对滑动，在本发明另一个实施例中，所述待测光纤应变传感器两端采用卡阻结构分别连接固定块3和滑动块4。尽量不要采用摩擦阻力或压阻方式固定。

如图2所示，所述测量装置6采用如下工具中的任意一种：千分表、百分表、卡尺、深度尺。在安装时，测量装置6平行设置在滑轨2一侧，所述测量装置的一端对齐固定块3，测量初始时固定块到滑动块之间的距离，随着施力时滑动块位置的变化，记录滑动块的位移距离，即为待测光纤应变传感器的形变量，如选择卡尺、深度尺作为测量工具，可将卡尺或深度尺的滑动端，与滑动块固定安装，施力时，滑动块滑动，带动滑动端在卡尺或深度尺上的其刻度发生变化，变化值即为待测光纤应变传感器的形变量。具体需要根据测试标定传感器的精度和范围选择所需测量精度的工具。

固定块3是直接固定在底座上，固定块3和滑动块4之间的距离确定了光纤应变传感器的标距，工程应用中不同规格传感器的标距是不同的，因此固定块3可通过拆卸紧固方式改变其在底座上的位置，提高该设备对不同标距传感器的通用性；作为优选的，可以在所述底座1上设有多个位置不同的安装孔，通过将固定块3可拆卸的安装在安装孔上，调整固定块3的位置。为了保证施力均衡，所述动力装置7为旋转施力结构，所述旋转施力结构为手轮或步进电机。

作为优选的实施例，位移传动装置8、动力装置7和传动座5，在传动过程中要有自锁定功能，传感器应变发生后，位移传动装置8应该保持静止稳定，不会卸力；因此，所述位移传动装置8采用能自锁的螺杆旋转机构。在结构上完全满足光纤传感器的应变标定检测需求。

需要说明的是，实施过程中，要确保固定块3和滑动块4的传感器固定方向与应变标定装置施力方向呈同一轴线架构，防止传感器标定过程中发生剪切力，只允许发生拉伸和压缩力；滑轨2，可以采用导轨式滑杆、滑动导轨等机械结构，确保该结构的轴线运动优良，轴向运动偏差小。

如图3-4所示，在本申请的另一个实施例中，测量装置6采用位移传感器，位移传感器设置为两个，一个用于检测动力装置施力前，固定块和滑动块之间的距离，另一个位移传感器用于检测，施力开始后，滑动块移动的距离，两个位移传感器分别连接微型控制器的输入端，所述微型控制器的输出端连接动力装置7和显示屏9。需要说明的是，微控制器为小型单片机，输入端设有AD采集电路用于将位移传感器采集的模拟数据进行数字转换，并将转换后的数字数据发送至显示屏显示，通过显示屏即可看到测试的数值，该单片机获取传感器数据后触发生成控制命令，控制动力装置7。下命令给动力装置7(采用步进电机)进行下一步动作，计算每次动作后的数据得出应变值，可以提高光纤传感器的应变标定测试效率，实现测试标定的智能化。

需要说明的是，所述待测光纤应变传感器为片式结构时，所述固定块3和滑动块4采用等强度悬臂梁。用等强度悬臂梁对应变片式的传感器进行应变测试标定，通过计算悬臂梁的弯曲挠度或者在悬臂梁上安装一标准电子应变传感器，来实现对等强度悬臂梁应变变化的捕捉，被测试标定的应变片需要胶粘等方式固定在等强度悬臂梁上，其应变值与标准电子应变传感器应变相同，由此对应变片进行应变标定。但是该技术只能对应变片或片式应变敏感件进行测试标定，对于柱式或大量程的应变传感器无法固定安装和满足其应变测量范围。

如图5所示，本申请另一方面的实施例还提供一种光纤传感器的应变标定方法，应用于上述标定装置，包括以下步骤：S1、将待测光纤应变传感器夹持在固定块与滑动块之间，利用测量装置测量待测光纤应变传感器的标距；S2、启动动力装置，利用动力装置带动位移传动装置动作，致使滑块发生位移，待测光纤应变传感器发生形变，利用测量装置测量并记录待测光纤应变传感器的形变量；S3、重复上述步骤S2，根据多次测得的形变量和标距，计算得出标定参数，完成标定。

在S3中，所述标定参数包括以下参数中的一种或几种：应变灵敏度、精度、测量范围。

在计算应变灵敏度时，以多次测量得到的多个应变形变量作为横轴，对应的待测光纤应变传感器光信息作为纵轴，进行线性拟合计算得出斜率值，得到待测光纤应变传感器的应变灵敏度。

需要说明的是，由于本申请提供的方法目的在于测试光纤应变传感器，测试时该光纤应变传感器受到拉伸变化时，光线感应单元长度发生变化，因此，光信息包括光的相位或强度或波长等发生改变，将其作为纵轴，即可实现线性拟合，计算得出线性灵敏度。

本发明提供的一种光纤传感器的应变标定装置及方法，具有以下优点：

首先，采用夹持的方式将待检测的光纤应变传感器固定在固定块和滑动块之间，相比于传统器件标定方法中的将应变片固定在被测器件上的方法，更简单，更容易实施，能满足批量生产时，批量标定的需要。

由于本申请中被测器件是光纤应变传感器，采用固定块与滑动块夹持的方式，被测器件更容易被固定，在此基础上固定块和滑动块采用卡组结构与被测器件连接，避免待测光纤应变传感器在产生应变时，表面不会发生相对位移，测量结果更准确。

由于固定块和滑动块之间的距离确定了光纤应变传感器的标距，将固定块可拆卸的固定在底座上，能有适应工程应用中不同规格传感器的标距，提高该设备对不同标距传感器的通用性。

位移传动装置采用螺杆旋转机构，利用其自锁定功能，确保位移传动装置的稳定性，保证测量被测光纤应变传感器的应变标定精度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种光纤传感器的应变标定装置，其特征在于，包括：底座(1)、滑轨(2)、固定块(3)、滑动块(4)、传动座(5)、动力装置(7)、位移传动装置(8)和测量装置(6)；

所述滑轨(2)和传动座(5)固定安装在底座(1)上，在所述滑轨(2)的一端设有固定块(3)，所述固定块(3)安装在底座(1)上，所述滑轨(2)的另一端设有可沿滑轨(2)移动的滑动块(4)，所述固定块(3)和滑动块(4)之间夹持待测光纤应变传感器(10)，所述滑动块(4)与位移传动装置(8)相连接，所述动力装置(7)和位移传动装置(8)通过传动座(5)固定连接，所述测量装置(6)安装在底座(1)上用于测量待测光纤应变传感器(10)的参数。

2.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述待测光纤应变传感器(10)两端采用卡阻结构分别连接固定块(3)和滑动块(4)。

3.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述底座(1)上设有多个位置不同的安装孔，通过将固定块(3)可拆卸的安装在安装孔上，调整固定块(3)的位置。

4.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述动力装置(7)为手轮或步进电机；所述动力装置(7)的动力输出端，通过传动座(5)连接位移传动装置(8)。

5.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述测量装置(6)平行设置在滑轨(2)一侧，所述测量装置(6)的一端对齐固定块(3)，用于测量初始时固定块(3)到滑动块(4)之间的距离，以及施力后滑动块(4)的位移距离；所述测量装置(6)包括如下工具中的任意一种：千分表、百分表、卡尺和深度尺。

6.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述测量装置(6)采用位移传感器，所述位移传感器连接微型控制器的输入端，所述微型控制器的输出端连接动力装置(7)和显示屏(9)。

7.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述位移传动装置(8)采用能自锁的螺杆旋转机构。

8.一种光纤传感器的应变标定方法，其特征在于，应用于上述权利要求1-7中任意一项所述的标定装置，包括以下步骤：

S1、将待测光纤应变传感器夹持在固定块与滑动块之间，利用测量装置测量待测光纤应变传感器的标距；

S2、启动动力装置，利用动力装置带动位移传动装置动作，使滑块发生位移，待测光纤应变传感器发生形变时，利用测量装置测量并记录待测光纤应变传感器的形变量；

S3、重复上述步骤S2，根据多次测得的形变量和标距，计算得出标定参数，完成标定。

9.根据权利要求8所述的标定方法，其特征在于，在S3中，所述标定参数包括以下参数中的一种或几种：应变灵敏度、精度和测量范围。

10.根据权利要求9所述的标定方法，其特征在于，在计算应变灵敏度时，以多次测量得到的多个应变形变量作为横轴，对应的待测光纤应变传感器的光信息作为纵轴，进行线性拟合计算得出斜率值，得到待测光纤应变传感器的应变灵敏度。

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