CN113587839A - 一种变温式应变传感器校准装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种变温式应变传感器校准装置与方法，属于测试计量领域，包括：立柱、等强度悬臂梁、光纤光栅应变传感器、紧固件、激振电机、黑体炉、挠度补偿块、光纤光栅解调系统、计算机和精密挠度计；黑体炉左端与立柱固定连接，等强度悬臂梁右端的底部通过紧固件与激振电机相连，等强度悬臂梁左端穿过黑体炉与立柱相连，等强度悬臂梁上表面粘贴固定有光纤光栅应变传感器，挠度补偿块设置在等强度悬臂梁右端的上方，光纤光栅解调系统与光纤光栅应变传感器相连，精密挠度计设置在挠度补偿块上端，计算机分别与光纤光栅解调系统和精密挠度计电连接。实现动态应变、静态应变以及应变温度补偿系数等参数的一站式校准。

Description

一种变温式应变传感器校准装置与方法

技术领域

本发明涉及测试计量领域，特别是涉及一种变温式应变传感器校准装置与方法。

背景技术

光纤光栅应变传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种新型无源光学传感器。具有分辨力高、本征绝缘、传输损耗低、尺寸小、精度高、易复用等很多优点，因此被广泛应用在健康监测、航空航海、石油化工等各行业领域。光纤光栅应变传感器作为关键测量器件和设备，对其性能进行精确计量十分重要。

目前对应变传感器的校准主要是采用弯矩梁的方法，如等强度梁。一种方法是：校准时，将应变传感器胶粘在梁上，通过砝码进行加载使弯矩梁产生形变，结合梁的尺寸、梁材料的弹性模量和梁的载荷计算出弯矩梁表面的应变，然后计算出传感器的性能参数。但该方法对于特定材料的梁，需要精确知道梁的弹性模量，但往往采用的是该类材料弹性模量的参考值，所以影响梁表面理论应变计算值的准确性，从而影响应变传感器校准结果的准确性。另一种常用方法是：采用螺旋微分头代替砝码进行加载，使梁发生形变，但这样测得的挠度值也不够精确，因为梁上各点弯曲时不仅存在挠度变化，同时也存在水平方向的微小移动，这也严重影响校准结果的准确性。因此两种方法在精度方面难以提高，且仅能用于静态应变测试的准确性验证。

此外，对光纤光栅应变传感器进行校准时，需要考虑环境温度及其变化对校准结果的影响，目前缺少应变及其温度补偿特性同时测量的完善方法及合理的仪器设备；例如，常用环境试验箱的温度可调节范围在-40℃～130℃左右，但无法实现更大范围的温度测量范围，且测量速度慢。也有采用水槽进行温度补偿系数测量的方法，但不能够实现应变和温度同时测量，不能实现接近真实状态下的应变及温度补偿特性的准确校准。也有拉伸试验机上设置加热装置，对拉伸样品进行同步加热，但不属于弯矩梁应变校准方法，且没有采用制冷片和加热丝组合后作为温度控制方法，也未考虑热力耦合因素，难以实现加热腔内具有较好的温场均匀性，形成测温黑体。

另外，现有各种应变校准装置对光纤光栅应变传感器进行动态和静态应变校准时，只能分别独立进行，无法在一台装置上实现动态应变、静态应变以及应变温度补偿系数等参数的一站式校准。

且在进行动态校准时，例如采用振动台作为振动源，在有外力干扰下梁的实际输出与振动台输出存在差异，动态校准无法溯源。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种变温式应变传感器校准装置与方法，以解决温度、挠度对校准精度的影响以及应变校准装置对光纤光栅应变传感器无法同时校准动态和静态应变的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变温式应变传感器校准装置，包括：立柱、等强度悬臂梁、光纤光栅应变传感器、紧固件、激振电机、黑体炉、挠度补偿块、光纤光栅解调系统、计算机和精密挠度计；所述黑体炉左端与立柱固定连接，所述等强度悬臂梁右端的底部通过所述紧固件与所述激振电机相连，所述等强度悬臂梁左端穿过所述黑体炉与所述立柱相连，所述等强度悬臂梁上表面粘贴固定有所述光纤光栅应变传感器，所述挠度补偿块设置在所述等强度悬臂梁右端的上方，所述光纤光栅解调系统与光纤光栅应变传感器相连，所述精密挠度计设置在挠度补偿块上端，所述计算机分别与光纤光栅解调系统和精密挠度计电连接。

进一步地，所述黑体炉包括加热丝、制冷片、温度计和控制器，所述加热丝、制冷片和温度计设置在黑体炉内部，所述控制器设置在黑体炉侧壁，所述加热丝、制冷片和温度计分别和所述控制器相连，温度调节范围为-100℃～+3200℃。

进一步地，所述黑体炉右侧的等强度悬臂梁上下表面设置有隔热板。

进一步地，所述装置还包括底座，所述立柱安装在所述底座左端，所述激振电机安装在所述底座右端。

进一步地，本装置所用测量方法，在挠度测量点处使用目标定位和跟踪技术拟合得到梁弯曲时挠度测量点水平与竖直位移与初始值对应的差值，将差值拟合为一条直线或曲线，将直线斜率或曲线曲率作为挠度补偿块斜度；测量前，安装好挠度补偿块，将黑体炉调节至待校准的环境温度；控制激振电机实现动静态应变校准；控制激振电机运行，等强度悬臂梁产生动态或静态应变，计算机分别采集精密挠度计得到的挠度值和光纤光栅解调系统采集到的光纤光栅应变传感器输出波长值，处理挠度值转化为光纤光栅应变传感器的感知应变进行应变灵敏度校准，校准公式可为

k_ε为应变灵敏度，Δλ为等强度悬臂梁受力时光纤光栅应变传感器的波长变化量，L为挠度待测点到等强度悬臂梁固定端的距离，β为应变从等强度悬臂梁传递到光纤光栅应变传感器的传递效率，α为等强度悬臂梁由于表面弯曲存在的应变比例放大系数，h为等强度悬臂梁的厚度，y为测得的修正挠度值。

本发明的有益效果在于：

1.黑体炉内部的等强度悬臂梁表面和光纤光栅应变传感器受热均匀，实现局部环境等温且可调。

2.黑体炉内部设有制冷片、电热丝，温度调节范围可达到-100℃～+3200℃，远优于普通环境试验箱的温度调节范围。

3.激振电机与等强度悬臂梁一体化，可以直接读取位移变化量，有效避免外力干扰下梁的实际输出存在差异的问题。

4.激振电机既能通过竖直振动带动等强度悬臂梁产生动态应变，又能调节产生位移带动等强度悬臂梁产生静态应变，实现动静态校准装置一体化功能。

5.挠度补偿块补偿梁因弯曲导致的挠度误差值，提高应变校准精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

其中，图中：

1-底座、2-立柱、3-黑体炉、4-加热丝、5-制冷片、6-等强度悬臂梁、7-光纤光栅应变传感器、8-光纤光栅解调系统、9-计算机、10-精密挠度计、11-隔热板、12-挠度补偿块、13-紧固件、14-激振电机、15-温度计。

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，所描述的实施例仅仅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做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1

参照附图1所示，本发明提供一种变温式应变传感器校准装置，包括底座1、立柱2、黑体炉3、加热丝4、制冷片5、等强度悬臂梁6、光纤光栅应变传感器7、光纤光栅解调系统8、计算机9、精密挠度计10、隔热板11、挠度补偿块12、紧固件13、激振电机14、温度计15；底座1左端设置有立柱2，立柱2上设置有等强度悬臂梁6；等强度悬臂梁6上表面粘贴有光纤光栅应变传感器7；光纤光栅应变传感器7与光纤光栅解调系统8相连，光纤光栅解调系统8与计算机9相连；底座1右端设置有激振电机14，激振电机14上端连接有等强度悬臂梁6；等强度悬臂梁6上设置有挠度补偿块12，挠度补偿块12上端设置有精密挠度计10，精密挠度计10与计算机9相连；等强度悬臂梁6左端套有黑体炉3；黑体炉3内部布置有加热丝4和制冷片5，同时设有温度计15测黑体炉内部温度，黑体炉3右侧的等强度悬臂梁6上下表面设置有隔热板11。

测量前，通过温度计15测温，调整好黑体炉3内部温度，精密挠度计10采集挠度补偿块的初始位置，将数据发送到计算机9，同时计算机9采集光纤光栅应变传感器7的输出波长值得到初始值；测量时，控制激振电机14使等强度悬臂梁6变形，光纤光栅解调系统8采集和记录光纤光栅应变传感器7的输出信号，精密挠度计采集到达挠度补偿块上的位移，将数据发送到计算机9进行处理，得到相应状态下各点的挠度，可通过公式对光纤光栅应变传感器7进行校准。

实施例2：光纤光栅应变传感器静态应变灵敏度校准

如图1所示，本实施例光纤光栅应变传感器的静态应变灵敏度校准方法如下：

S1、将光纤光栅应变传感器7胶粘在等强度悬臂梁6上表面上，通过光纤光栅解调系统8将光纤光栅应变传感器7与计算机9建立联系；

S2、控制黑体炉调节内部温度，使用温度计进行测温，调整至理想的校准环境温度；

S3、使用精密挠度计10采集挠度补偿块的初始位置，将数据发送到计算机9，同时计算机9采集光纤光栅应变传感器7的输出波长值得到初始值；

S4、控制激振电机14产生位移或振动，光纤光栅应变传感器7感知到应变后，精密挠度计10采集挠度补偿块的位移，将位移即挠度值通过计算转化为光纤光栅应变传感器7的感知应变作为输入应变，而计算机9采集和记录光纤光栅应变传感器7的输出信号，对以上数据进行最小二乘拟合，进而得到光纤光栅应变传感器的静态应变灵敏度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种变温式应变传感器校准装置，其特征在于，包括：立柱、等强度悬臂梁、光纤光栅应变传感器、紧固件、激振电机、黑体炉、挠度补偿块、光纤光栅解调系统、计算机和精密挠度计；所述黑体炉左端与立柱固定连接，所述等强度悬臂梁右端的底部通过所述紧固件与所述激振电机相连，所述等强度悬臂梁左端穿过所述黑体炉与所述立柱相连，所述等强度悬臂梁上表面粘贴固定有所述光纤光栅应变传感器，所述挠度补偿块设置在所述等强度悬臂梁右端的上方，所述光纤光栅解调系统与光纤光栅应变传感器相连，所述精密挠度计设置在挠度补偿块上端，所述计算机分别与光纤光栅解调系统和精密挠度计电连接。

2.根据权利要求1所述的一种变温式应变传感器校准装置，其特征在于，所述黑体炉包括加热丝、制冷片、温度计和控制器，所述加热丝、制冷片和温度计设置在黑体炉内部，所述控制器设置在黑体炉侧壁，所述加热丝、制冷片和温度计分别和所述控制器相连，温度调节范围为-100℃～+3200℃。

3.根据权利要求1所述的一种变温式应变传感器校准装置，其特征在于，所述黑体炉右侧的等强度悬臂梁上下表面设置有隔热板。

4.根据权利要求1所述的一种变温式应变传感器校准装置，其特征在于，还包括底座，所述立柱安装在所述底座左端，所述激振电机安装在所述底座右端。

5.一种变温式应变传感器校准方法，其特征在于：在挠度测量点处使用目标定位和跟踪技术拟合得到梁弯曲时挠度测量点水平与竖直位移与初始值对应的差值，将差值拟合为一条直线或曲线，将直线斜率或曲线曲率作为挠度补偿块斜度；测量前，安装好挠度补偿块，将黑体炉调节至待校准的环境温度；控制激振电机实现动静态应变校准；控制激振电机运行，等强度悬臂梁产生动态或静态应变，计算机分别采集精密挠度计得到的挠度值和光纤光栅解调系统采集到的光纤光栅应变传感器输出波长值，处理挠度值转化为光纤光栅应变传感器的感知应变进行应变灵敏度校准，校准公式可为

k_ε为应变灵敏度，Δλ为等强度悬臂梁受力时光纤光栅应变传感器的波长变化量，L为挠度待测点到等强度悬臂梁固定端的距离，β为应变从等强度悬臂梁传递到光纤光栅应变传感器的传递效率，α为等强度悬臂梁由于表面弯曲存在的应变比例放大系数，h为等强度悬臂梁的厚度，y为测得的修正挠度值。

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