CN112629400A - 基于光纤传感实现圆柱形金属体应变高精度测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述基于光纤传感实现圆柱形金属体应变高精度测量的方法，采取结合金属平面基底与圆柱形曲面的结构差异带来的误差、以及泊松比存在带来的测量误差，以期得到经试验验证的应变计算公式、以提高测量结果的准确性。该方法融合了两种定量关系，提出如下应变计算公式：ε＝[ε₁‑(a₃/a₁‑a₂/a₁)·a_轴向]·c/a其中，ε为舱体周向方向产生的应变量，ε₁为光纤传感器沿舱体周向测量的应变量，a₃为平板结构上电阻应变片沿X轴方向测量的应变量，a₂为平板结构上光纤应变传感器沿X轴方向测量的应变量，a₁为平板结构上Y轴方向测量的应变量，a_轴向为沿圆柱轴向方向安装单向传感器测量的应变量，a为光纤基底与圆柱形金属结构体上支架之间的接触间距，c为光纤栅区的长度。

Description

基于光纤传感实现圆柱形金属体应变高精度测量的方法

技术领域

本发明涉及一种基于光纤传感方式实现圆柱形金属结构体周向应变高精度测量的方法，属于光纤传感技术领域。

背景技术

随着国内微电子与光纤传感测量技术的快速发展，光纤光栅传感器因其具有尺寸小、重量轻、防潮防腐、抗电磁干扰等优点而在应变监测中得到了普遍的应用。

目前，航空、航天及地面民用通讯领域，一些关键结构体往往采用圆柱形金属结构以作为主承力部件或主保护器件，因此需要对圆柱形金属结构体进行相关应变指标的高精度监测。现有技术面临的普遍问题是，对于金属结构的圆柱体，采用金属基底的光纤光栅传感器进行应变监测时，由于金属基底是平面结构，弹性模量较大，必然不会完全与圆柱体结构进行紧密贴合，带来较大的测量误差。同时，金属基底材料具有特定的泊松比，会给周向和轴向应变测量带来误差。这两部分误差的存在，将会给圆柱形结构周向应变的准确测量带来较大的影响。

现有光纤传感测量技术方案未能给出有效的解决方案，圆柱形金属结构体周向应变指标测量结果的准确性有待于提高和改善。

有鉴于此，特提出本专利申请。

发明内容

本发明所述基于光纤传感实现圆柱形金属体应变高精度测量的方法，采取结合金属平面基底与圆柱形曲面的结构差异带来的误差、以及泊松比存在带来的测量误差，以期得到经试验验证的应变计算公式、以提高测量结果的准确性。

为实现上述设计目的，所述基于光纤传感实现圆柱形金属体应变高精度测量的方法，融合了上述两种定量关系，提出如下应变计算公式：

ε＝[ε₁-(a₃/a₁-a₂/a₁)·a_轴向]·c/a

其中，ε为舱体周向方向产生的应变量，ε₁为光纤传感器沿舱体周向测量的应变量，a₃为平板结构上电阻应变片沿X轴方向测量的应变量，a₂为平板结构上光纤应变传感器沿X轴方向测量的应变量，a₁为平板结构上Y轴方向测量的应变量，a_轴向为沿圆柱轴向方向安装单向传感器测量的应变量，a为光纤基底与圆柱形金属结构体上支架之间的接触间距，c为光纤栅区的长度。

综上内容，所述基于光纤传感实现圆柱形金属体应变高精度测量的方法具有的优点是，本申请同时综合了现有技术中两种误差的存在，通过理论分析、仿真与试验验证对这两种误差进行了应变测量修正，因而能够准确地获取圆柱形结构体的周向应变测量值。测量方法不仅具有较高的普适性，同时也显著地提高了基于光纤传感的圆柱形金属结构体周向应变的测量准确性。

附图说明

以下附图是本申请具体实施方式的举例说明。

图1是圆柱形金属结构光纤周向应变测量俯向示意图；

图2是针对光纤基底泊松比导致应变误差的测量示意图；

图3是FBG传感器和电阻应变片在金属平板正交方向应变测量的实测数据；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

实施例1，如图1所示，基于光纤传感的金属结构圆柱体进行周向应变测量时，受待测结构的材料属性限制，最好采用带金属基底的光纤传感器进行应变测量，弹性模量相近。金属基底弹性模量大，所以不容易发生变形，因此必然无法和结构体紧密接触而存在测量误差，这是现有技术导致测量结果偏差的主要因素之一。

具体地，对于圆柱形金属结构，横断面是圆形的。带金属基底的光纤应变传感器是长方形平面结构，在舱体膨胀或压缩变形过程中，需要考虑带长方形金属基底的FBG传感器测量周向应变值和圆柱形舱壁实际发生应变之间的关系。

其中，圆心为A点，半径AB与圆柱形金属壁交于点B，与基底下表面交于点D，半径AC与圆柱形金属壁交于点C，与基底下表面交于点E。在金属基底上，点F与点G之间为弹性区，可以和光纤栅区同步运动，其它部位则为金属基底非弹性区，光纤栅区与金属基底通过玻璃焊点的方式进行连接，如图中点F、G上方的空心圆所示，保证金属基底带动光纤同步移动。光纤基底与圆柱形结构体通过图中所示的三角形支架进行连接，两个支架与金属基底的交点分别为D、E。

以空间站圆柱形舱体为例，当宇航员在其内工作时，需要做充压操作，舱体发生膨胀，半径由r变为r’。此时舱体周向方向产生应变ε，定义此时光纤传感器产生应变ε₁，∠A对应的弧长l，DE长度a，BD长度b，FG长度c。

由(r-b)·sin(∠A/2)＝a/2 (1)

(r’-b)·sin(∠A/2)＝a’/2 (2)

由(1)、(2)可得，△r·sin(∠A/2)＝△a/2 (3)

同时，考虑到b相对r非常小，可以忽略，因此有

sin(∠A/2)＝a/2r (4)

由(3)、(4)可得

a/△a＝r/△r (5)

又因为

△r＝△l/∠A (6)

△l＝ε·l (7)

∠A＝l/r (8)

由(6)、(7)、(8)可得

△r＝ε·r (9)

把(9)带入(5)，可得

ε＝△a/a＝(ε1·c)/a (10)

可见，对于圆柱形金属结构，带金属基底的光纤传感器测量的周向应变值不能直接认为是金属结构体的周向应变值，因为该值与光纤/圆柱形金属结构体接触间距a和光纤栅区长度c同时有关。这里，a>c，因此，带金属基底的光纤传感器测量的周向应变值大于金属结构体实际发生的周向应变值。

现有技术导致测量结果偏差的主要因素之二，是金属基底自身存在泊松比。针对金属基底泊松比的存在，会因基底材质、结构设计的不同而导致误差大小的不同。

如图2所示，在一个均匀平面薄板上，通过胶粘方式，沿X方向安装一个光纤应变传感器。同时，在该传感器中线正上方安装一个单向微型电阻应变片，用于测量X方向的应变。

当沿Y方向、依次梯度地给予拉力作用，在每个特定拉力下，薄板产生一个Y方向的应变a₁。此时，记录光纤应变传感器的应变a₂、以及电阻应变片的应变测量值a₃，可得到由于金属基底泊松比的存在导致的光纤应变传感器的测量误差为(a₃/a₁-a₂/a₁)·a_Y测量值，其中a_Y测量值为实际测量中Y方向发生的应变。

以下针对上述误差(a₃/a₁-a₂/a₁)·a_Y进行仿真和试验验证。

1、建模仿真

在无限大平板上建立两个带基底FBG传感器模型，分别沿水平面正交的两个方向，两个方向依次定义为宽度方向和长度方向。

假设m为平板表面宽度方向应变；n为平板表面长度方向应变；p为传感器沿平板表面宽度方向粘接时传感器测量的宽度方向应变；q为传感器沿平板表面长度方向粘接时传感器测量的长度方向应变。则光纤基底泊松比表示为，

经仿真，传感器沿平板表面长度方向粘接时应变比例系数

传感器沿平板表面宽度方向粘接时应变比例系数

仿真计算得到梁表面沿宽度与长度方向应变之比为0.347，即有：

最终可得，(a₃/a₁-a₂/a₁)为0.0320。

2、实验验证

在金属平板上沿长度方向和宽度方向分别粘贴FBG传感器和电阻应变片，利用拉伸机对平板长度方向进行拉伸，依次产生10个应变值。

FBG传感器沿平板长度方向应变测量值为s，电阻应变片沿平板长度方向应变测量值为t，FBG传感器沿平板宽度方向测量应变为u，电阻应变片沿平板宽度方向测量应变为v。

表1正交方向上FBG传感器与电阻应变片应变测量结果

3、分别对s-u和t-v进行拟合

如图3所示的FBG传感器和电阻应变片在金属平板正交方向的应变测量实测数据，其中，光纤传感器和电阻应变片的正交方向应变线性拟合斜率分别为-0.3205和-0.3567，对应的(a₃/a₁-a₂/a₁)为0.0362，其与上述仿真结果0.0320非常接近，说明金属基底泊松比存在导致的光纤应变传感器的测量误差为(a₃/a₁-a₂/a₁)·a_Y测量值是合理、准确的。

4、误差融合

如上述仿真与验证过程表明，基于光纤传感实现圆柱形金属体应变高精度测量时，需同时考虑“舱体应变与光纤传感测量应变之间的定量关系”和“金属基底泊松比的存在对应变测量影响的定量关系”。

结合这两部分定量关系，本申请提出如下应变计算公式：

ε＝[ε₁-(a₃/a₁-a₂/a₁)·a_轴向]·c/a (12)

其中，ε为舱体周向方向产生的应变量，ε₁为光纤传感器沿舱体周向测量的应变量，a₃为平板结构上电阻应变片沿X轴方向测量的应变量，a₂为平板结构上光纤应变传感器沿X轴方向测量的应变量，a₁为平板结构上Y轴方向测量的应变量，a_轴向为沿圆柱轴向方向安装单向传感器测量的应变量，a为光纤基底与圆柱形金属结构体上支架之间的接触间距，c为光纤栅区的长度。

5、试验验证

基于本申请所述基于光纤传感实现圆柱形金属体应变高精度测量的方法，进行如下试验以验证其有效性与准确性。

在一个密闭圆柱体内注入大气进行充压，使得圆柱体轴向和周向方向发生应变。在圆柱体内周向和轴向方向分别安装电阻应变片作为两个方向应变测量的标准值，在圆柱体周向方向安装光纤应变传感器来测量圆柱体周向方向的应变。

其中，光纤传感器与圆柱形金属结构体接触间距a＝1.11cm，光纤栅区长度c＝1cm，(a₃/a₁-a₂/a₁)采用实验值0.0362。

对圆柱形金属体依次施加6个不同的应变，如表2所示，将上述数据分别代入公式(12)ε＝[ε₁-(a₃/a₁-a₂/a₁)·a_轴向]·c/a，得到应变的最大误差为-13.6με，不修正时的误差是91.4με。

如下表所示的验证数据，本申请所述基于光纤传感实现圆柱形金属体应变高精度测量的方法，能够显著地提高测量结果的准确性。

表2修正公式使用前后应变测量误差

综上内容，结合附图中给出的实施例仅是优选方案。对于所属领域技术人员来说可以据此得到启示，而直接推导出符合本发明设计构思的其他替代结构，也应属于本发明所述的方案范围。

Claims (1)

1.一种基于光纤传感实现圆柱形金属体应变高精度测量的方法，其特征在于：融合舱体应变与光纤传感测量应变之间、以及金属基底泊松比对应变测量结果影响的定量关系，应变计算公式如下，

ε＝[ε₁-(a₃/a₁-a₂/a₁)·a_轴向]·c/a

其中，ε为舱体周向方向产生的应变量，ε₁为光纤传感器沿舱体周向测量的应变量，a₃为平板结构上电阻应变片沿X轴方向测量的应变量，a₂为平板结构上光纤应变传感器沿X轴方向测量的应变量，a₁为平板结构上Y轴方向测量的应变量，a_轴向为沿圆柱轴向方向安装单向传感器测量的应变量，a为光纤基底与圆柱形金属结构体上支架之间的接触间距，c为光纤栅区的长度。

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