CN112067194A - 一种基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置及方法，属于传感器领域，本发明为解决传统比对式压力标定装置不能满足光纤压力传感器动态标定需求的问题。本发明包括应变落锤、液压活塞、液压油缸和信号采集及处理单元；液压油缸内腔灌注传压介质，液压油缸内腔上部安装液压活塞，待校准光纤压力传感器安装在液压油缸侧壁，且待校准光纤压力传感器的探头伸入传压介质中；应变落锤自由下落与液压活塞相撞击，液压活塞受到撞击与液压活塞共同向下运动至向下的速度减为零，再在传压介质弹性恢复作用力下，应变落锤与液压活塞同时向上运动，直至应变落锤与液压活塞脱离开，由信号采集及处理单元获取待校准光纤压力传感器的动态压力值以完成动态校准。
Description
技术领域
本发明是光纤压力传感器动态校准装置，具体的来说是一种利用集成有光纤光栅应变传感器的落锤对安装在液压油缸上的待校准光纤压力传感器进行动态校准的新型动态压力校准装置，属于传感器领域。
背景技术
近年来先进武器系统、冲击波、爆炸测量、火箭发射系统和弹道试验等测试应用领域的需求日益增加，建立工程化动态压力传感器校准系统具有重要意义。在这些高压测试试验中监测压力动态变化时，核心技术问题是压力传感器在工作压力下的动态特性和性能必须达到一定的精度才能对变化的压力信号进行真实复现，因此获得压力传感器的动态性能参数，得到传感器精度是动态压力测量技术的关键，是保证测试数据准确可靠的前提。对于压力传感器在进行动态压力测试前以及在使用一段时间后，为了能够精确测量瞬态变化的压力值，必须对压力传感器进行动态校准，从而得到压力传感器的动态性能指标实现高精度的动态压力测量，所以对压力传感器的动态校准是至关重要的。
传统动态压力测量领域，应用最广泛的是压电式压力传感器，随着工程技术的飞速发展，人们日益需要在恶劣环境中进行精确的测量压力，传统的压力传感器不能很好地应用于特殊环境的压力测量领域，在这种情况下，光纤压力传感器以其优越的性能，得到了广泛的研究，光纤压力传感器是属于无源器件，其抗电磁干扰、耐高电压、耐腐蚀，且具有快速的动态响应，不会产生火花、高温、漏电等不安全因素，特别适用于极端环境下压力的测量。由于光纤压力传感器结构和传感机理与传统的压电式压力传感器存在较大的差异，原有适用于压电式压力传感器的比对式压力标定装置难以满足光纤压力传感器的动态标定需求，且目前校准装置均需采用价格昂贵的基准传感器，因此迫切需要一种满足光纤压力传感器测试需求，价格低廉方便于推广应用的动态标定装置。
发明内容
本发明目的是为了解决传统比对式压力标定装置不能满足光纤压力传感器动态标定需求的问题，提供了一种基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置及方法。
本发明所述一种基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置包括应变落锤、液压活塞4、液压油缸5和信号采集及处理单元；
液压油缸5内腔灌注有传压介质6，液压油缸5内腔上部安装有液压活塞4，待校准光纤压力传感器7安装在液压油缸5侧壁，且待校准光纤压力传感器7的探头伸入传压介质6中；
应变落锤自由下落与液压活塞4相撞击，液压活塞4受到撞击与液压活塞4共同向下运动至向下的速度减为零，再在传压介质6弹性恢复作用力下，应变落锤与液压活塞4同时向上运动，直至应变落锤与液压活塞4脱离开，由信号采集及处理单元获取待校准光纤压力传感器7的动态压力值以完成动态校准。
优选地，应变落锤包括锤体1、光纤光栅应变传感器2和锤头3，所述光纤光栅应变传感器2包括光纤光栅和弹性元件2-1，光纤光栅固化在弹性元件2-1上，锤体1、弹性元件2-1和锤头3通过螺栓依次连接。
优选地，信号采集及处理单元包括光纤光栅波长解调仪9和计算机10，光纤光栅波长解调仪9用于测量光纤光栅应变传感器2的光纤光栅的波长漂移变化量
计算机10根据弹性元件2-1的形变量ε和光纤光栅的波长漂移变化量
获取待校准光纤压力传感器7的动态压力值。
优选地，还包括水平底座8，液压油缸5固定在水平底座8上。
本发明还提供另一个技术方案：基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、应变落锤从一定高度自由下落与液压油缸5上部的液压活塞4相撞击；
步骤二、液压活塞4受到撞击与液压活塞4共同向下运动，应变落锤自身的动能转化成传压介质6的弹性势能，直至速度减为零；
步骤三、在传压介质6弹性恢复作用力下，应变落锤与液压活塞4同时向上运动，传压介质6的弹性势能转化为应变落锤的动能，直至应变落锤与液压活塞4脱离开；
步骤四、传压介质6将动态压力P传递给待校准光纤压力传感器7，
光纤光栅波长解调仪9测量光纤光栅应变传感器2的光纤光栅的波长漂移变化量
计算机10根据光纤光栅的波长漂移变化量
与动态压力P的关系式获取待校准光纤压力传感器7，从而实现光纤光栅应变传感器2对校准光纤压力传感器7的动态校准；
光纤光栅的波长漂移变化量
与动态压力P的存在如下关系式：
其中：
液压活塞4、锤头3、锤体1的等效质量分别为m、M1、M2；
锤头3与液压活塞4接触时的弹性系数和阻尼系数分别为k1和c1；
锤头3与锤体1之间弹性元件2-1的等效刚度和阻尼系数分别为k2和c2；
液压活塞4、锤头3和锤体1的相对位移分别为x0、x1和x2；
D为位移的微分算子；
S为液压活塞4的横截面积；
f为液压活塞4与液压油缸5之间的摩擦力；
Pe为有效弹光系数；
H为弹性元件2-1的高度。
本发明的有益效果：本校准装置采用集成有精度高、价格低廉、动态特性好的光纤光栅应变传感器的应变落锤对安装在油缸上待校准的光纤压力传感器进行动态校准。液压油缸上安装有待校准的光纤压力传感器，当应变落锤下落冲击液压油缸时，在应变落锤中弹性元件上固化的光纤光栅可以对弹性元件受力挤压产生的应变进行测量，同时液压活塞压缩传压介质，油缸内产生动态压力，对待校准的光纤压力传感器进行校准。
本发明动态校准装置通过集成有光纤光栅应变传感器的应变落锤对安装在液压油缸上的光纤压力传感器进行动态校准，此种校准方法可避免使用价格昂贵的标准压力传感器，降低了成本，利于校准装置的应用和推广。
本发明动态校准装置的应变落锤的锤体、锤头、光纤光栅应变传感器三部分通过螺栓相连接，可方便更换光纤光栅应变传感器，应变落锤的锤体和锤头复用性更高。
附图说明
图1是本发明所述基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置的结构示意图；
图2是本发明所述基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置的等效力学图；
图3是动态校准过程中动势能转化过程示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置，包括应变落锤、液压活塞4、液压油缸5和信号采集及处理单元；
液压油缸5内腔灌注有传压介质6，液压油缸5内腔上部安装有液压活塞4，待校准光纤压力传感器7安装在液压油缸5侧壁，且待校准光纤压力传感器7的探头伸入传压介质6中；
应变落锤自由下落与液压活塞4相撞击，液压活塞4受到撞击与液压活塞4共同向下运动至向下的速度减为零，再在传压介质6弹性恢复作用力下，应变落锤与液压活塞4同时向上运动，直至应变落锤与液压活塞4脱离开，由信号采集及处理单元获取待校准光纤压力传感器7的动态压力值以完成动态校准。
应变落锤包括锤体1、光纤光栅应变传感器2和锤头3，所述光纤光栅应变传感器2包括光纤光栅和弹性元件2-1，光纤光栅固化在弹性元件2-1上，锤体1、弹性元件2-1和锤头3通过螺栓依次连接。
信号采集及处理单元包括光纤光栅波长解调仪9和计算机10，光纤光栅波长解调仪9用于测量光纤光栅应变传感器2的光纤光栅的波长漂移变化量
计算机10根据弹性元件2-1的形变量ε和光纤光栅的波长漂移变化量
获取待校准光纤压力传感器7的动态压力值。
应变落锤对安装在液压油缸5上待校准光纤压力传感器7进行动态校准。液压油缸5上安装有待校准光纤压力传感器7，当应变落锤下落冲击液压活塞4时，在应变落锤中弹性元件2-1上固化的光纤光栅可以对弹性元件2-1受力挤压产生的应变进行测量，同时液压活塞4压缩传压介质6，液压油缸5内产生动态压力，对待校准光纤压力传感器7进行动态校准。
应变落锤从一定高度自由下落与液压油缸5上部的液压活塞4相撞击，液压活塞4受到撞击后，压缩液压油缸5内的传压介质6，在液压油缸5内部产生一定的压力。当应变落锤与液压活塞4共同向下运动至向下的速度减为零，这时应变落锤自身的动能全部转化成传压介质6的弹性势能，参见图3中A点至B点的曲线过程，在B点液压油缸5内的动态压力值同时也达到了最大，传压介质6为液压油，由于传压介质6具有弹性恢复作用，传压介质6对应变落锤产生向上的作用力，应变落锤与液压活塞4同时向上运动，当应变落锤与液压活塞4脱离开，传压介质6的弹性势能又转化为应变落锤的动能，参见图3中B点至C点的曲线过程，经过这样一个过程，应变落锤上集成的光纤光栅应变传感器2测得类似于半正弦的应变曲线，在液压油缸5内部形成一个类似于半正弦的动态压力，该动态压力传递给待校准光纤压力传感器7，从而实现光纤光栅应变传感器2对校准光纤压力传感器7的动态校准。
动态校准装置原理如下，如图2中，设装置中液压活塞4、锤头3、锤体1的等效质量分别为m、M1、M2，锤头3与液压活塞4接触时的弹性系数和阻尼系数分别为k1和c1。锤头3与锤体1之间弹性元件12的等效刚度和阻尼系数分别为k2和c2。液压活塞4、锤头3和锤体1的相对位移分别为x0、x1和x2。
以液压活塞14为隔离体有：
k1(x1-x0)+c1(x1'-x0')+mg-(P0+P)S-f＝mx0" (1)
P为液压油缸5内的压力，P0为液压油缸5内初始压力，液压活塞4与液压油缸5之间的摩擦力为f，S为液压活塞的横截面积，P为液压油缸内压力，x1'为x1的一阶导数，x0'为x0的一阶导数，x0"为x0的二阶导数。
在落锤下落冲击液压活塞14前有：
P0·S＝mg (2)
将式(2)带入式(1)，可以得到：
k1(x1-x0)+c1(x1'-x0')-PS-f＝mx0" (3)
以锤头3为隔离体有：
k2(x2-x1)-k1(x1-x0)+c2(x2'-x1')-c1(x1'-x0')+M1g＝M1x1" (4)
x1"为x1的二阶导数。
以锤体1为隔离体有：
k2(x2-x1)-c2(x2'-x1')+M2g＝M2x2" (5)
x2"为x2的二阶导数。
对模型中各个部分进行力学分析后，令锤头与弹性元件相对位移y1＝x1-x0 (6)
锤体与弹性元件相对位移y2＝x2-x1 (7)
联立式(3)、(4)、(5)、(6)、(7)化简可得：
y1'为y1的一阶导数，、y2'为y2的一阶导数。
式(8)经过整理可得：
引入位移的微分算子D，式(9)可转换为：
式(10)与式(12)联立可得：
式(10)与式(11)联立可得：
将式(14)带入到式(13)可得：
通过式(15)可以看出，y2即弹性元件2-1的形变量与液压油缸5内的压力P存在一定的力学关系，设弹性元件2-1高度为H，则弹性元件2-1受力产生应变为：
布拉格光纤光栅中心波长漂移与轴向应变成线性关系
λB为布拉格反射，ΔλB波长漂移量，Pe为有效弹光系数。
联立式(15)、(16)、(17)可得出光纤光栅中心波长漂移变化量
与液压油缸5内压力P的关系：
利用图1装置，将应变落锤从一定的高度自由下落，与液压活塞4撞击至弹开的过程是动势能转化的过程，且将压力传递至待校准光纤压力传感器7，光纤光栅波长解调仪9测量光纤光栅应变传感器2的光纤光栅的波长漂移变化量
计算机10根据式(18)可获取待校准光纤压力传感器7的一组动态压力值P，其大致曲线为图3所示的半正弦曲线，这种测试进行若干组，获取待校准光纤压力传感器7的多组动态压力值曲线，得到其极限特性，并以校准结果方式给其动态变化极限特性重新赋值，即完成了动态特性校准。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括水平底座8，液压油缸5固定在水平底座8上。
本实施方式设置水平底座8的目的是加强装置稳定性。
具体实施方式三：下面结合图1和2说明本实施方式，本实施方式所述基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、应变落锤从一定高度自由下落与液压油缸5上部的液压活塞4相撞击；
步骤二、液压活塞4受到撞击与液压活塞4共同向下运动，应变落锤自身的动能转化成传压介质6的弹性势能，直至速度减为零；
步骤三、在传压介质6弹性恢复作用力下，应变落锤与液压活塞4同时向上运动，传压介质6的弹性势能转化为应变落锤的动能，直至应变落锤与液压活塞4脱离开；
步骤四、传压介质6将动态压力P传递给待校准光纤压力传感器7，
光纤光栅波长解调仪9测量光纤光栅应变传感器2的光纤光栅的波长漂移变化量
计算机10根据光纤光栅的波长漂移变化量
与动态压力P的关系式获取待校准光纤压力传感器7，从而实现光纤光栅应变传感器2对待校准光纤压力传感器7的动态校准；
光纤光栅的波长漂移变化量
与动态压力P的存在如下关系式：
其中：
液压活塞4、锤头3、锤体1的等效质量分别为m、M1、M2；
锤头3与液压活塞4接触时的弹性系数和阻尼系数分别为k1和c1；
锤头3与锤体1之间弹性元件2-1的等效刚度和阻尼系数分别为k2和c2；
液压活塞4、锤头3和锤体1的相对位移分别为x0、x1和x2；
D为位移的微分算子；
S为液压活塞4的横截面积；
f为液压活塞4与液压油缸5之间的摩擦力；
Pe为有效弹光系数；
H为弹性元件2-1的高度；
本实施方式方法是基于实施方式一所述装置实现的。具体工作原理与实施方式一相同，这里不再赘述。
Claims (5)
1.一种基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置，其特征在于，包括应变落锤、液压活塞(4)、液压油缸(5)和信号采集及处理单元；
液压油缸(5)内腔灌注有传压介质(6)，液压油缸(5)内腔上部安装有液压活塞(4)，待校准光纤压力传感器(7)安装在液压油缸(5)侧壁，且待校准光纤压力传感器(7)的探头伸入传压介质(6)中；
应变落锤自由下落与液压活塞(4)相撞击，液压活塞(4)受到撞击与液压活塞(4)共同向下运动至向下的速度减为零，再在传压介质(6)弹性恢复作用力下，应变落锤与液压活塞(4)同时向上运动，直至应变落锤与液压活塞(4)脱离开，由信号采集及处理单元获取待校准光纤压力传感器(7)的动态压力值以完成动态校准。
2.根据权利要求1所述一种基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置，其特征在于，应变落锤包括锤体(1)、光纤光栅应变传感器(2)和锤头(3)，所述光纤光栅应变传感器(2)包括光纤光栅和弹性元件(2-1)，光纤光栅固化在弹性元件(2-1)上，锤体(1)、弹性元件(2-1)和锤头(3)通过螺栓依次连接。
3.根据权利要求2所述一种基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置，其特征在于，信号采集及处理单元包括光纤光栅波长解调仪(9)和计算机(10)，光纤光栅波长解调仪(9)用于测量光纤光栅应变传感器(2)的光纤光栅的波长漂移变化量
计算机(10)根据弹性元件(2-1)的形变量ε和光纤光栅的波长漂移变化量
获取待校准光纤压力传感器(7)的动态压力值。
4.根据权利要求1所述一种基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准装置，其特征在于，还包括水平底座(8)，液压油缸(5)固定在水平底座(8)上。
5.基于应变落锤的光纤压力传感器动态校准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、应变落锤从一定高度自由下落与液压油缸(5)上部的液压活塞(4)相撞击；
步骤二、液压活塞(4)受到撞击与液压活塞(4)共同向下运动，应变落锤自身的动能转化成传压介质(6)的弹性势能，直至速度减为零；
步骤三、在传压介质(6)弹性恢复作用力下，应变落锤与液压活塞(4)同时向上运动，传压介质(6)的弹性势能转化为应变落锤的动能，直至应变落锤与液压活塞(4)脱离开；
步骤四、传压介质(6)将动态压力P传递给待校准光纤压力传感器(7)，
光纤光栅波长解调仪(9)测量光纤光栅应变传感器(2)的光纤光栅的波长漂移变化量
计算机(10)根据光纤光栅的波长漂移变化量
与动态压力P的关系式获取待校准光纤压力传感器(7)，从而实现光纤光栅应变传感器(2)对待校准光纤压力传感器(7)的动态校准；
光纤光栅的波长漂移变化量
与动态压力P的存在如下关系式：
其中：
液压活塞(4)、锤头(3)、锤体(1)的等效质量分别为m、M1、M2；
锤头(3)与液压活塞(4)接触时的弹性系数和阻尼系数分别为k1和c1；
锤头(3)与锤体(1)之间弹性元件(2-1)的等效刚度和阻尼系数分别为k2和c2；
液压活塞(4)、锤头(3)和锤体(1)的相对位移分别为x0、x1和x2；
D为位移的微分算子；
S为液压活塞(4)的横截面积；
f为液压活塞(4)与液压油缸(5)之间的摩擦力；
Pe为有效弹光系数；
H为弹性元件(2-1)的高度；
本权利要求所述方法是基于权利要求3实现的。
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