CN112595254A - 一种测量结构双向应变梯度场的方法、传感器及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工程力学领域，公开了一种测量结构双向应变梯度场的方法、传感器及应用，其中，传感器包括柔性基体，以及嵌设在柔性基体内的相互垂直的两组光纤对；每组光纤包括若干光纤对；组内的光纤对相互平行，光纤对包含一对相互平行的第一光纤和第二光纤，光纤对所在平面与两组光纤对所成平面相互垂直；在测量构件的应变梯度时，柔性基体贴合在构件上，且光纤对所在平面垂直于构件的中性层。本发明利用分布式光纤传感技术，可以提高应变数据的测量能力，降低应变数据的测量成本。
Description
技术领域
本发明涉及工程力学领域，尤其涉及一种测量结构双向应变梯度场的方法、传感器及应用。
背景技术
传统测量应变梯度的方法通常使用应变片、双层弯曲应变片、光纤光栅等实现。例如，将多个应变片粘贴至构件的不同位置(如板壳构件的上下表面)，分别测量不同位置的应变数据。然而，这种测量方式具有多项缺点。其一，该测量方法不适用于封闭结构(如箱形梁、筒仓、燃料罐等)和三维实体结构(如混凝土块、发动机等)沿厚度方向的应变梯度的测量。这是因为测量人员往往无法进入封闭结构和三维实体结构内部粘贴应变片。其二，测试点数量少，且较为分散，无法计算构件的沿某个方向的轴向应变梯度和位移。其三，对于大型构件，需要布置多个测量点，需要使用大量的应变片及相应的应变数据采集仪，测量成本和数据处理成本高昂。其四，无法测量存在集中应变(应力)集的数据。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种测量结构双向应变梯度场的方法、传感器及应用，利用分布式光纤传感技术，以提高应变梯度的测量能力，降低应变梯度的测量成本。
本发明的第一方面，提供一种双向应变传感器，包括柔性基体，以及嵌设在所述柔性基体内的相互垂直的两组光纤对，每组光纤对包括两根相互平行的第一光纤和第二光纤，第一组光纤对所在平面与第二组光纤对所在平面相互垂直；
在测量构件的应变梯度时，所述柔性基体贴合在所述构件上，且所述光纤对所在平面垂直于所述构件的中性层。
本发明的第二方面，提供一种应变梯度场测量方法，包括：
在板壳结构上设置如上述的光纤对；
通过第一光纤测量第一应变数据，通过第二光纤测量第二应变数据；
根据所述第一应变数据和所述第二应变数据确定某应变对的应变梯度。
本发明的第三方面，提供一种应变梯度场测量方法，包括：
在薄板构件或薄壳构件上设置若干如上述应变传感器，其中，所述应变传感器包括沿x方向设置的第一组平行的应变传感器和沿y方向设置的第二组平行的应变传感器，所述x方向与所述y方向相互垂直；
通过所述第一组平行的应变传感器测量x方向应变数据，通过所述第二组平行的应变传感器测量y方向应变数据；
根据所述x方向应变数据和所述y方向应变数据确定所述薄板构件或所述薄壳构件沿厚度方向的应变梯度场。
本发明的第四方面，提供了上述应变传感器在测量构件局部应变数据方面的应用。
本发明的第五方面，提供了一个或多个存储有计算机可读指令的可读存储介质，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上述应变梯度场测量方法。
本发明涉及的各个方案，可以提高应变梯度的测量能力，降低应变梯度的测量成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例中应变传感器的结构示意简图；
图2是本发明一实施例中应变传感器测量板壳构件应变梯度的示意图；
图3是本发明一实施例中板壳构件不同状况下截面应力分布图；
图4为本发明一实施例中板壳构件发生弯曲变形的示意图；
图5a为双向应变梯度场传感器设置在薄板构件时的示意图；
图5b为应变传感器设置在薄板构件时的侧面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，提供一种双向应变传感器，包括柔性基体03，以及嵌设在所述柔性基体03内的相互垂直的两组光纤对；每组光纤包括若干光纤对；组内的光纤对相互平行，所述光纤对包含一对相互平行的第一光纤01和第二光纤02，光纤对所在平面与两组光纤对所成平面相互垂直；
在测量构件的应变梯度时，所述柔性基体03贴合在所述构件上，且所述光纤对所在平面垂直于所述构件的中性层。
本实施例提供的双向应变传感器，可替代现有的应变片，用于测量构件的双向应变数据。具体的，双向应变传感器包括柔性基体03，以及嵌设在所述柔性基体03内的相互垂直的两组光纤对。其中，光纤对为平行设置的第一光纤01和第二光纤02。柔性基体03可由柔性材料制得。示意性的，柔性基体03的选材可以是PVC(聚氯乙烯)、环氧树脂等。而第一光纤01和第二光纤02可以是芯径、材质相同的光纤。此处，以第一光纤01为例，第一光纤01可以选用多层同轴光纤。该光纤具有纤芯、包裹层、涂覆层、保护套等结构。此类型的光纤利用光的全反射原理，保证光波只在纤芯内传播，实现光波沿光纤轴向传导。当光纤外部的温度、压力等参数发生变化时，光纤内传输的光波的振幅、相位、偏振态、波长等特征参数会随之发生改变，即发生散射频移现象，普通光波转变为被调制的信号光。也就是说，当第一光纤01受到力的作用时，光纤内的光信号会发生变化，形成包含光纤受力信息的信号光。信号光经传输光纤(与第一光纤01连接的光纤)输送到信号处理模块，经分析后可以获得整段第一光纤01上多个检测点的第一应变数据。在此处，信号处理模块可以使用OFDR(光频域反射)技术。同样的，也可以通过第二光纤02探测到与第一光纤01存在差异的第二应变数据。双向应变传感器沿第一光纤01的延展方向可形成多个间距很小的测量点。相邻测量点之间的间距可以低至毫米级。在一示例中，若将双向应变传感器置于三维笛卡尔坐标系中，在三维笛卡尔坐标系中，O为原点，x、y、z轴两两垂直，若两组光纤对所成平面为平面xOy(如图5a所示的截面)，光纤对所在平面可以是平面xOz或yOz(如图5b所示的截面)。
第一光纤01和第二光纤02通过柔性基体03连接，可以指第一光纤01和第二光纤02之间隔着柔性基体03。这样可以使第一光纤01和第二光纤02保持一定的间距，同时构件受力时，部分力可以通过柔性基体03传导至第二光纤02(在此处，默认第一光纤01与构件比较接近，甚至与构件直接接触，而第二光纤02则处于远离构件的一侧)。第一光纤01和第二光纤02之间的间距可以根据实际需要进行设置(即生产不同型号的应变传感器，对应不同的间距)。
平行设置的第一光纤01和第二光纤02，指的是在未受到外界力的作用下，第一光纤01和第二光纤02基本保持平行(即处于平行状态)。当存在外界力作用时，第一光纤01与第二光纤02的受力程度可能存在差异，发生的形变也可能存在差异，此时，第一光纤01和第二光纤02与平行状态存在一定程度的偏离。
在测量构件的应变数据时，光纤对所在平面垂直于构件的中性层。在此处，中性层指的是，构件在弯曲过程中，外层受拉伸，内层受挤压，在其断面上的既不受拉，又不受压的过渡层。中性层的应力几乎等于零。在本实施例中，在涉及测量构件横截面受力梯度时，需要同时使用第一光纤01和第二光纤02的测量数据(指的是信号光或基于信号光分析后的受力数据)，此时，光纤对所在平面需要保持与中性层垂直，确保所测量应变数据的准确性。
可选的，所述柔性基体03的弹性模量小于或等于所述构件的弹性模量的二十分之一，不影响构件的变形，确保双向应变传感器与被测物体完全贴合，且基本不影响被测物体的刚度。
本实施例中，柔性基体03的弹性模量需要远小于构件的弹性模量。通常情况下，第二光纤02的材料与第一光纤01的材料相同。第一光纤01和第二光纤02的弹性模量相等。
实施例二
如图2所示，本发明还提供了一种应变梯度场测量方法，包括：
在板壳构件10上设置如上述应变传感器；
通过所述应变传感器的第一光纤01测量第一应变数据，通过所述应变传感器的第二光纤02测量第二应变数据；
根据所述第一应变数据和所述第二应变数据确定某应变对的应变梯度。
在此处，应变传感器可以贴合在板壳构件10的一侧，分别通过第一光纤01和第二光纤02测量出第一应变数据和第二应变数据，根据第一应变数据和第二应变数据计算出板壳构件10的应变梯度。
例如，如图3最左边的板壳构件截图所示，设x为板壳构件的中性轴到第二表面102(下表面)的距离，a1为梁的下表面到第一光纤01的距离，a2为第一光纤01到第二光纤02的距离。ε1和ε2分别为第一光纤01和第二光纤02的同一截面处的应变(通过第一应变数据、第二应变数据变换生成)。在此处，某应变对指的是两组光纤对中的任意一组光纤对中的一个光纤对。
第一光纤01和第二光纤02满足以下变形条件1：
基于变形条件1可以计算x的值。即：
沿梁高度方向(即从第一表面101指向第二表面102)的应变梯度为：
板壳构件10的测量数据包括了上述沿梁高度方向的应变梯度，也包括沿第一光纤01长度方向的应变梯度。在计算沿第一光纤01长度方向的应变梯度时，可以先计算出相邻两个测试点的应变差，再除以对应的间距(此相邻两个测试点的间距)，即得到沿第一光纤01长度方向的应变梯度。
可选的，该测量方法适用于纯弯曲变形、拉伸-弯曲变形、压缩-弯曲变形的板壳构件沿高度方向应变梯度的测量。
在此处，需要结合不同状况进行分析。如图3所示，当x＝h/2，板壳构件10处于纯弯曲变形状态；若x＞h/2，板壳构件10处于拉伸-弯曲变形状态；若x＜h/2，板壳构件10处于压缩-弯曲变形状态。在已知板壳构件10所用材料的杨氏模量E，可计算得到板壳构件10相应的弯曲应力、拉伸应力和压缩应力。
可选的，所述第一应变数据包括所述第一光纤01在指定位置的应变；所述第二应变数据包括所述第二光纤02在所述指定位置的应变；
所述根据所述第一应变数据和所述第二应变数据确定所述板壳构件10的应变梯度，包括：
通过第二表面102应变计算公式处理所述第一应变数据和所述第二应变数据，确定所述板壳构件10的第二表面102在指定位置的应变，所述第二表面102应变计算公式为：
其中，εd2为所述板壳构件10第二表面102在指定位置的应变；ε1为所述第一光纤01在所述指定位置的应变；ε2为所述第二光纤02在所述指定位置的应变；a1为所述板壳构件10第二表面102在指定位置与所述第一光纤01的距离，所述第二表面102是指与所述应变传感器贴合的一面；a2为所述第一光纤01与所述第二光纤02之间的距离；
通过第一表面101应变计算公式处理所述第一应变数据和所述第二应变数据，确定所述板壳构件10的第一表面101在指定位置的应变，所述第一表面101应变计算公式为：
其中，εd1为所述板壳构件10第一表面101在指定位置的应变，h为所述板壳构件10第一表面101与第二表面102之间的距离(即板壳构件10的高)。
本实施例中，可以通过第一表面101应变计算公式计算出板壳构件10的第一表面101在指定位置的应变，可以通过第二表面102应变计算公式计算出板壳构件10的第二表面102在指定位置的应变。也就是说，由于a1和a2为已知量，在测出指定位置上的ε1和ε2，即可计算对应的εd1和εd2。在此处，指定位置指的是应变传感器在板壳构件10上的任意一个测量点。
可选的，所述根据所述第一应变数据和所述第二应变数据确定所述板壳构件10的挠度，包括：
通过挠度计算公式处理所述第一应变数据和所述第二应变数据，确定所述板壳构件10在指定位置的挠度，所述挠度计算公式为：
其中，εx为所述板壳构件10在指定位置处第一表面101的挠度曲线的曲率；x为所述板壳构件10的中性轴与所述第二表面102的距离，Δx为预设距离变化量，w(x)为所述板壳构件10在指定位置处的挠度。
本实施例中，如图4所示，挠度的具体推导过程包括如下步骤。
首先，先计算板壳构件10第一表面101的挠度曲线的曲率，具体为：
其中，αx是沿x方向(第一光纤01的延展方法)的截面转角，rx是沿x方向的曲率半径。
进而，计算出板壳构件10的弯曲曲率，具体为：
等式左侧即为板壳构件10的弯曲曲率。
挠度曲线的曲率与挠度的关系可表达为：
根据弯曲曲率的计算公式和挠度曲线的曲率与挠度的关系公式，可通过利用测得的应变数据来计算挠度。其计算过程需要进行2次积分，可利用有限差分法实现。有限差分法指的是用一组有限差分方程代替微分方程和相应边界条件的一种数值解法。有限差分法可以使难于求解的微分方程的边值问题，转化成易于求解的代数方程组问题。
根据Taylor定理，如果位移w是四次连续可微，那么存在如下关系：
此处，x-Δx＜c2＜x＜c1＜x+Δx。把上述两式相加消去一阶导数项得到：
根据一般中值定理，设w是区间[a，b]上的连续函数，x1，…xn是[a，b]中的点，而且a1，…an＞0，那么在a，b之间存在数c使得
(a1+…+an)w(c)＝a1w(x1)+…+anw(xn)
将计算w(x+Δx)和w(x-Δx)的公式的误差项结合起来，并且两边都除以Δx2得到二阶导数的三点中心差分公式：
联立以上各式，并忽略高阶误差项，挠度与应变的关系为：
利用应变传感器测试点距离很小的特点，可通过有限差分法计算相对挠度。若某一测试点不发生位移，则能测得实际结构的挠度。在上述公式的计算过程中，Δx为预设距离变化量，可以根据需要设置一个很小的值。
实施例三
本发明还提供了一种应变梯度场测量方法，包括：
在薄板构件或薄壳构件上设置若干如上述应变传感器，其中，所述应变传感器包括沿x方向设置的第一应变传感器和沿y方向设置的第二应变传感器，所述x方向与所述y方向相互正交；
通过所述第一应变传感器测量x方向应变数据，通过所述第二应变传感器的y方向应变数据；
根据所述x方向应变数据和所述y方向应变数据确定所述薄板构件或所述薄壳构件的应变梯度场。
本实施例中，可以在薄板构件或薄壳构件设置应变传感器，测量出多个测试点的应变数据(包括x方向应变数据和y方向应变数据)，进而计算出需要的应变梯度。与板壳构件10有所不同，测量薄板构件时可以采用方向不同的两组应变传感器进行测量，即沿x方向设置的第一应变传感器和沿y方向设置的第二应变传感器。x方向和y方向为相交关系，在一些情况下，两个方向可以相互垂直或接近垂直。薄板构件可以指薄钢板、薄木板、薄水泥板等。薄壳构件可以指箱形梁、筒仓、燃料罐、管道等。如图5所示，图5a为双向应变梯度场传感器设置在薄板构件时的示意图，图5b为双向应变梯度场传感器设置在薄板构件时的侧面示意图。
实施例四
本发明还提供了上述双向应变传感器在测量构件局部应变数据方面的应用。
具体的，本发明还可以用于测量局部应变(或应力)集中附近的应变梯度和应力分布情况，例如，复材板(或钢板)加固梁和板的端部附近存在应力集中、加固柱子的复材布边缘的应变梯度等。应变传感器测量点的间距可达到毫米级或亚毫米级，可实现对局部应变数据的测量。
实施例五
在本发明第五实施例中，提供了一个或多个存储有计算机可读指令的计算机可读存储介质，本实施例所提供的可读存储介质包括非易失性可读存储介质和易失性可读存储介质。可读存储介质上存储有计算机可读指令，计算机可读指令被一个或多个处理器执行时实现如上述应变梯度场测量方法。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机可读指令来指令相关的硬件来完成，所述的计算机可读指令可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机可读指令在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双向应变传感器，其特征在于，包括柔性基体，以及嵌设在所述柔性基体内的相互垂直的两组光纤对；每组光纤包括若干光纤对；组内的光纤对相互平行，所述光纤对包含一对相互平行的第一光纤和第二光纤，光纤对所在平面与两组光纤对所成平面相互垂直；
在测量构件的应变梯度时，所述柔性基体贴合在所述构件上，且所述光纤对所在平面垂直于所述构件的中性层。
2.如权利要求1所述双向应变传感器，其特征在于，所述柔性基体的弹性模量小于或等于所述构件的弹性模量的二十分之一，确保双向应变传感器与被测物体完全贴合，且基本不影响被测物体的刚度。
3.一种双向应变梯度场测量方法，其特征在于，包括：
在板壳结构上设置如权利要求1或2所述的两组光纤对；
通过第一光纤测量第一应变数据，通过第二光纤测量第二应变数据；
根据所述第一应变数据和所述第二应变数据确定某应变对的应变梯度。
4.如权利要求3所述的双向应变梯度场测量方法，其特征在于，所述应变梯度属于弯曲变形、拉伸-弯曲变形或压缩-弯曲变形的应变梯度。
5.如权利要求3所述的双向应变梯度场测量方法，其特征在于，所述第一应变数据包括所述第一光纤在指定位置的应变；所述第二应变数据包括所述第二光纤在指定位置的应变；
所述根据所述第一应变数据和所述第二应变数据确定所述某应变对的第一表面和第二表面的应变，包括：
通过第二表面应变计算公式处理所述第一应变数据和所述第二应变数据，确定所述某应变对的第二表面在所述指定位置的应变，所述第二表面应变计算公式为：
其中，εd2为所述某应变对的第二表面在指定位置的应变；ε1为所述第一光纤在所述指定位置的应变；ε2为所述第二光纤在所述指定位置的应变；a1为所述某应变对的第二表面在所述指定位置与所述第一光纤的距离，所述第二表面是指与所述应变传感器贴合的一面，所述第二表面与所述第一表面相对设置；a2为所述第一光纤与所述第二光纤之间的距离；
通过第一表面应变计算公式处理所述第一应变数据和所述第二应变数据，确定所述某应变对的第一表面在指定位置的应变，所述第一表面应变计算公式为：
其中，εd1为所述某应变对的第一表面在指定位置的应变，h为所述某应变对的第一表面与第二表面之间的距离。
6.如权利要求5所述的双向应变梯度场测量方法，其特征在于，所述根据所述第一应变数据和所述第二应变数据确定所述某应变对的应变梯度，包括：
通过挠度计算公式处理所述第一应变数据和所述第二应变数据，确定所述某应变对在指定位置的挠度，所述挠度计算公式为：
其中，εx为所述某应变对在指定位置处第一表面的挠度曲线的曲率；x为所述某应变对的中性轴与所述第二表面的距离，Δx为预设距离变化量，w(x)为所述某应变对在指定位置处的挠度。
7.一种双向应变梯度场测量方法，其特征在于，包括：
在薄板构件或薄壳构件上设置若干如权利要求1或2所述的双向应变传感器，其中，所述双向应变传感器包括沿x方向设置的第一双向应变传感器和沿y方向设置的第二双向应变传感器，所述x方向与所述y方向相交；
通过所述第一双向应变传感器测量x方向应变数据，通过所述第二双向应变传感器测量y方向应变数据；
根据所述x方向应变数据和所述y方向应变数据确定所述薄板构件或所述薄壳构件的双向应变梯度场。
8.权利要求1或2所述的双向应变传感器在测量构件局部应变数据方面的应用。
9.一个或多个存储有计算机可读指令的可读存储介质，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求3至7中任一项所述的应变梯度场测量方法。
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| CN202011487601.1A CN112595254A (zh) | 2020-12-16 | 2020-12-16 | 一种测量结构双向应变梯度场的方法、传感器及应用 |
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| CN113390385A (zh) * | 2021-06-15 | 2021-09-14 | 山西格盟中美清洁能源研发中心有限公司 | 一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法 |
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- 2020-12-16 CN CN202011487601.1A patent/CN112595254A/zh active Pending
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| CN113390385B (zh) * | 2021-06-15 | 2022-08-30 | 山西格盟中美清洁能源研发中心有限公司 | 一种基于位移传感器的输气管道应变监测预警系统及方法 |
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