CN114234833B - 光纤应变传感器拉伸校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供光纤应变传感器拉伸校准装置及校准方法，包括自动拉伸标定系统和激光干涉溯源测量系统，自动拉伸标定系统包括自动拉伸标定装置、标准拉伸试件、光纤应变传感器和光纤解调仪，自动拉伸标定装置包括机械装置、控制系统和上位机，通过上位机操作控制系统，由控制系统控制机械装置动作，机械装置通过伺服电缸驱动沿横向拉动标准拉伸试件，光纤应变传感器粘贴于标准拉伸试件的表面，机械装置内设有纳米光栅尺，纳米光栅尺沿标准拉伸试件的拉伸方向设置；本发明利用激光干涉测量原理，将激光干涉相关设备安装于自动拉伸校准装置内部，采用激光干涉测量作为测量自动拉伸校准装置位移量的标准方法，拉伸位移量的计量直接溯源到激光波长上。

Description

光纤应变传感器拉伸校准装置及校准方法

技术领域

本发明涉及光纤应变传感器领域，尤其涉及一种光纤应变传感器拉伸校准装置及校准方法。

背景技术

对于新型研制的传感器，光纤应变传感器静态的性能测试和质检标定是其运用于工程实际前的必然步骤，而现阶段针对光纤应变传感器的标定技术研究主要集中在特种封装应变传感器、建筑结构应变传感器等方面，针对服役状态下光纤应变传感器标定装置溯源方面的研究相对较少，国内研究还处于探索阶段，研究光纤应变测量传感器计量标准装置关键技术的主要问题包括：

①针对光纤应变传感器，健全和完善其计量标准和检测能力，为建立高精度光纤应变传感器计量标准装置提供理论支持。

②研究具有高精度和大范围能力的高性能质检标定问题。在现有长度计量体系中，对工作在较大受力状态的位移及应变传感器计量技术研究较少，对高精度、大范围的应变传感器校准方法的溯源技术研究尚属空白。

③光纤应变传感器与检测基体的集成实现。针对大变形结构的特点，研究传感元件布置、传感器与基体材料的集成方法，要求集成后的测试系统具有高可靠性及高稳定性。

④缺少光纤应变传感器研制、生产及市场推广全周期的检测技术支持。急需对光纤应变传感器及其测量仪器进行监管和校准，增强其市场竞争力，进而促进各个行业产品质量提高，更好地服务于先进制造。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤应变传感器拉伸校准装置及校准方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

光纤应变传感器拉伸校准装置，其特征在于，包括自动拉伸标定系统和激光干涉溯源测量系统，所述自动拉伸标定系统包括自动拉伸标定装置、标准拉伸试件、光纤应变传感器和光纤解调仪，所述自动拉伸标定装置包括机械装置、控制系统和上位机，通过上位机操作控制系统，由控制系统控制机械装置动作，所述机械装置通过伺服电缸驱动沿横向拉动标准拉伸试件，所述光纤应变传感器粘贴于标准拉伸试件的表面，所述机械装置内设有纳米光栅尺，所述纳米光栅尺沿标准拉伸试件的拉伸方向设置；

所述机械装置包括机架，所述机架的内侧设有移动平台，所述移动平台在伺服电缸的驱动下沿主轴滑动，所述标准拉伸试件的一端固定于机架的内侧，所述移动平台拉伸标准拉伸试件的另一端；

所述激光干涉溯源测量系统包括激光器、线性分束器、第一线性反射镜和第二线性反射镜，所述线性分束器和第二线性反射镜位于拉伸校准装置的移动端，所述第一线性反射镜位于自动拉伸校准装置的固定端。

进一步地，所述标准拉伸试件的一端与试件固定座的一端固定连接，所述试件固定座的另一端与机架固定连接。

进一步地，所述主轴的外侧套接力传感器，所述力传感器靠近移动平台设置。

进一步地，所述移动平台与控制箱通讯连接，所述控制系统包括PLC控制器，所述控制箱与PLC控制器通讯连接，所述PLC控制器与上位机通讯连接。

进一步地，所述第一线性反射镜和第二线性反射镜分别通过一安装架固定于自动拉伸校准装置。

采用光纤应变传感器拉伸校准装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

将线性分束器和第二线性反射镜置于自动拉伸校准装置的移动端，第一线性反射镜置于自动拉伸校准装置的固定端；

由激光器发出一束激光，经线性分束器分光后形成两路激光，一路激光射向第二线性反射镜，一路激光射向第一线性反射镜，两路激光返回后形成干涉；

测量第一线性反射镜和第二线性反射镜之间的相对位移，得到自动拉伸校准装置的位移量。

本发明利用激光干涉测量原理，将激光干涉相关设备安装于自动拉伸校准装置内部，采用激光干涉测量作为测量自动拉伸校准装置位移量的标准方法，拉伸位移量的计量直接溯源到激光波长上。

本发明针对光纤应变传感器标定校准及上一级溯源问题，将所设计的光纤应变传感器自动拉伸/压缩校准装置与激光干涉测量法高精度、大范围检测特点相结合，实现了基于激光干涉测量法的光纤应变传感器拉伸校准装置的上一级溯源，并对校准装置及其溯源方法的误差来源进行了分析。

本发明可为光纤应变传感器的计量特性评定提供一种校准和计算方法，促进产业化发展。

附图说明

图1为本发明光纤应变传感器自动拉伸标定系统示意图；

图2为本发明自动拉伸标定系统的系统组成框图；

图3为本发明自动拉伸标定装置机械部分的三维模型图；

图4为本发明激光干涉测量溯源光路图。

附图标记：

1自动拉伸标定系统、2激光干涉溯源测量系统、3自动拉伸标定装置、

4标准拉伸试件、5光纤应变传感器、6光纤解调仪、7纳米光栅尺、

8机械装置、9控制系统、10上位机、11机架、12移动平台、

13伺服电缸、14试件固定座、15力传感器、16控制箱、17激光器、

18线性分束器、19第二线性反射镜、20第一线性反射镜、21安装架、

22PLC控制器、23触摸屏。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

本发明公开了一种光纤应变传感器拉伸校准装置，如图1所示，包括自动拉伸标定系统1和激光干涉溯源测量系统2，自动拉伸标定系统1包括自动拉伸标定装置3、标准拉伸试件4、光纤应变传感器5和光纤解调仪6。

自动拉伸标定装置3包括机械装置8、控制系统9和上位机10，通过上位机10操作控制系统9，由控制系统9控制机械装置8动作，机械装置8通过伺服电缸13驱动沿横向拉动标准拉伸试件4，光纤应变传感器5粘贴于标准拉伸试件4的表面，机械装置8内设有纳米光栅尺7，纳米光栅尺7沿标准拉伸试件4的拉伸方向设置。

光纤解调仪6实时将光纤应变传感器5的中心波长进行解调，利用形变量和波长变化的线性关系，实现对光纤应变传感器5的校准。

如图2和图3所示，机械装置8包括机架11，机架11的内侧设有移动平台12，移动平台12在伺服电缸13的驱动下沿电缸主轴滑动，标准拉伸试件4的一端固定于机架11的内侧，移动平台12拉伸标准拉伸试件4的另一端，优选地，标准拉伸试件4的一端与试件固定座14的一端固定连接，试件固定座14的另一端与机架11固定连接，主轴的外侧套接力传感器15，力传感器15靠近移动平台12设置。

移动平台12与控制箱16通讯连接，控制系统9包括PLC控制器22，控制箱16与PLC控制器22通讯连接，PLC控制器22与上位机10通讯连接，PLC控制器22还与触摸屏23通讯连接，使用者通过触摸屏23操作PLC控制器22。

如图4所示，激光干涉溯源测量系统2包括激光器17、线性分束器18、第一线性反射镜20和第二线性反射镜19，线性分束器18和第二线性反射镜19位于本发明拉伸校准装置的移动端，第一线性反射镜20位于本发明拉伸校准装置的固定端，第一线性反射镜20和第二线性反射镜19分别通过一安装架21固定于拉伸校准装置。

本发明公开了一种光纤应变传感器拉伸校准方法，工作时，把需要标定的光纤应变传感器5粘贴于标准拉伸试件4的几何中心位置，启动自动拉伸标定系统1和激光干涉溯源测量系统2。

激光器17发出一束激光，经线性分束器18分光后，形成两路激光，一路激光射向第二线性反射镜19后原路返回，另一路激光射向第一线性反射镜20后原路返回，两路激光形成干涉。

由于第一线性反射镜20和第二线性反射镜19已通过安装架21连接固定到被测物体上，测量第一线性反射镜20和第二线性反射镜19之间的相对位移，即可得到标准拉伸试件4的位移量。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (6)

1.光纤应变传感器拉伸校准装置，其特征在于，包括自动拉伸标定系统和激光干涉溯源测量系统，所述自动拉伸标定系统包括自动拉伸标定装置、标准拉伸试件、光纤应变传感器和光纤解调仪，所述自动拉伸标定装置包括机械装置、控制系统和上位机，通过上位机操作控制系统，由控制系统控制机械装置动作，所述机械装置通过伺服电缸驱动沿横向拉动标准拉伸试件，所述光纤应变传感器粘贴于标准拉伸试件的表面，所述机械装置内设有纳米光栅尺，所述纳米光栅尺沿标准拉伸试件的拉伸方向设置；

所述机械装置包括机架，所述机架的内侧设有移动平台，所述移动平台在伺服电缸的驱动下沿主轴滑动，所述标准拉伸试件的一端固定于机架的内侧，所述移动平台拉伸标准拉伸试件的另一端；

所述激光干涉溯源测量系统包括激光器、线性分束器、第一线性反射镜和第二线性反射镜，所述线性分束器和第二线性反射镜位于拉伸校准装置的移动端，所述第一线性反射镜位于自动拉伸校准装置的固定端。

2.根据权利要求1所述的光纤应变传感器拉伸校准装置，其特征在于，所述标准拉伸试件的一端与试件固定座的一端固定连接，所述试件固定座的另一端与机架固定连接。

3.根据权利要求1所述的光纤应变传感器拉伸校准装置，其特征在于，所述主轴的外侧套接力传感器，所述力传感器靠近移动平台设置。

4.根据权利要求1所述的光纤应变传感器拉伸校准装置，其特征在于，所述移动平台与控制箱通讯连接，所述控制系统包括PLC控制器，所述控制箱与PLC控制器通讯连接，所述PLC控制器与上位机通讯连接。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的光纤应变传感器拉伸校准装置，其特征在于，所述第一线性反射镜和第二线性反射镜分别通过一安装架固定于自动拉伸校准装置。

6.采用权利要求1所述的光纤应变传感器拉伸校准装置的校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

将线性分束器和第二线性反射镜置于自动拉伸校准装置的移动端，第一线性反射镜置于自动拉伸校准装置的固定端；

由激光器发出一束激光，经线性分束器分光后形成两路激光，一路激光射向第二线性反射镜，一路激光射向第一线性反射镜，两路激光返回后形成干涉；

测量第一线性反射镜和第二线性反射镜之间的相对位移，得到自动拉伸校准装置的位移量。