CN116429001A - 一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量装置和方法，包括试件、第一/第二光纤、第一/第二光纤光栅；第一光纤光栅刻写于第一光纤上，第二光纤光栅刻写于第二光纤上，第一保护装置、第二保护装置用于保护第一光纤光栅、第二光纤光栅，使其不受到第一/第二连接装置、的固定应力；室温下对第一光纤光栅和第二光纤光栅施加大小不同的拉应变，将第一测量装置和第二测量装置通过第一连接装置和第二连接装置安装在试件上。通过不同温度下光纤光栅波长变化的差异实现不同温度下光纤光栅应变灵敏度的测量，克服了传统测试装置在高低温环境下结构尺寸变化、材料力学/热学参数不准确等因素对宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度测量的影响。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量装置和方法。
背景技术
光纤光栅应变传感器以其体积小、重量轻、抗电磁干扰等优点，成功应用于航天器、飞机等的结构健康监测，但目前主要工作于常温范围；宽温度范围内光纤光栅应变测试技术仍处于研究阶段。
火箭发动机、飞机发动机、航天器防隔热结构等监测，要求光纤光栅应变传感器在宽温度范围内工作。在宽温度范围内对光纤光栅的应变灵敏度系数进行测量，现有测量装置成本高，且测量装置在高低温环境下结构尺寸变化、材料力学/热学参数不准确等因素制约了测量精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量装置和方法，克服了现有宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度测量装置成本高、测量精度较低的难题。
本发明的技术解决方案是：
一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量装置，包括试件、第一测量装置、第二测量装置、用于将第一测量装置固定在试件上的第一连接装置、用于将第二测量装置固定在试件上的第二连接装置；
第一测量装置包括第一光纤、第一光纤光栅、第一保护装置；第二测量装置包括第二光纤、第二光纤光栅、第二保护装置；
第一光纤光栅刻写于第一光纤上，第二光纤光栅刻写于第二光纤上，第一光纤光栅和第二光纤光栅为同状态同批次的光纤光栅，第一保护装置用于保护第一光纤光栅、以使第一光纤光栅不受到第一连接装置的固定应力，第二保护装置用于保护第二光纤光栅、以使第二光纤光栅不受到第二连接装置的固定应力；
室温下对第一光纤光栅和第二光纤光栅施加大小不同的拉应变，将第一测量装置和第二测量装置通过第一连接装置和第二连接装置安装在试件上。
所述第一保护装置包括套设于第一光纤外侧的第一毛细管，第一毛细管的长度覆盖第一光纤光栅的长度，第二保护装置包括套设于第二光纤外侧的第二毛细管，第二毛细管的长度覆盖第二光纤光栅的长度。
所述第一毛细管内表面和第一光纤光栅外表面之间为空气；第二毛细管内表面和第二光纤光栅外表面之间为空气。
所述第一毛细管的内径大于第一光纤光栅的外径且小于等于第一光纤光栅外径的1.5倍；第二毛细管的内径大于第二光纤光栅的外径且小于等于第二光纤光栅外径的1.5倍。
所述第一连接装置包括第一粘接胶，第二连接装置包括第二粘接胶。
所述第一光纤光栅和第二光纤光栅平行粘接安装在试件上。
所述室温下第一光纤光栅和第二光纤光栅受到的拉应变的大小不同。
一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量方法，使用上述任一所述的测量装置，包括如下步骤：
S1:在室温T0下对第一光纤光栅和第二光纤光栅进行应变测量，得到室温T0下第一光纤光栅和第二光纤光栅的应变灵敏度系数Kε,T0；
S2:在室温T0下对第一光纤光栅施加拉应变ε1、对第二光纤光栅施加拉应变ε2，然后将第一光纤光栅和第二光纤光栅两端的光纤及第一保护装置和第二保护装置通过第一连接装置和第二连接装置固定在试件上，得到待测装置，记录固定后的第一光纤光栅的中心波长λ1,T0、第二光纤光栅的中心波长λ2,T0；
S3:将待测装置放置在温度T下，待温度稳定后记录第一光纤光栅的中心波长λ1,T和光纤光栅第二的中心波长λ2,T；
根据室温T0下第一光纤光栅的中心波长λ1,T0、第二光纤光栅的中心波长λ2,T0、第一光纤光栅受到的拉应变ε1、第二光纤光栅受到的拉应变ε2，温度T下第一光纤光栅的中心波长λ1,T、第二光纤光栅的中心波长λ2,T，确定温度T下光纤光栅的应变灵敏度Kε,T。
所述温度T下第一光纤光栅、第二光纤光栅的应变灵敏度Kε,T表示为
综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：
(1)本发明的一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量装置和方法，提出了将光纤光栅预加载不同拉应变来实现光纤光栅应变灵敏度的测量，克服了传统测量方法中测试装置在高低温环境下结构尺寸变化、材料力学/热学参数不准确等因素对宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度测量的影响。
(2)本发明的一种宽温度范围光纤光栅应变灵敏度的测量装置和方法，提出了利用同状态同批次光纤光栅进行差分测量，补偿了温度对光纤光栅的影响，实现宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的准确测量。
附图说明
图1为本发明的一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量装置和方法的一种具体实施方式的装置结构示意图；
图2为图1中A-A处的剖视图。
附图标记说明：1-1、第一光纤；1-2、第二光纤；2-1、第一光纤光栅；2-2、第二光纤光栅；3-1、第一毛细管；3-2、第二毛细管；4、试件；5-1、第一粘接胶；5-2、第二粘接胶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：
下面将结合附图和具体实施例对本发明公开的一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量装置和方法做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明公开的一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量装置和方法，测量装置包括第一光纤1-1、第二光纤1-2、同状态同批次的第一光纤光栅2-1和第二光纤光栅2-2、第一毛细管3-1、第二毛细管3-2、试件4、第一粘接胶5-1、第二粘接胶5-2。
如图1和图2所示，第一光纤1-1上部分刻写有第一光纤光栅2-1，第二光纤1-2上部分刻有第二光纤光栅2-2；第一光纤光栅2-1置于第一毛细管3-1的内部，第二光纤光栅2-2置于第二毛细管3-2内部，第一毛细管3-1的长度覆盖第一光纤光栅2-1的长度，第二毛细管3-2的长度覆盖第二光纤光栅2-2的长度；第一毛细管3-1的内径大于第一光纤光栅2-1的外径且小于等于第一光纤光栅2-1外径的1.5倍，第二毛细管3-2的内径大于第二光纤光栅2-2的外径且小于等于第二光纤光栅2-2外径的1.5倍，第一毛细管3-1内表面和第一光纤光栅2-1外表面之间为空气，第二毛细管3-2内表面和第二光纤光栅2-2外表面之间为空气；第一毛细管3-1、第二毛细管3-2采用聚酰亚胺管或石英管。
如图1和图2所示，室温条件对第一光纤光栅2-1、第二光纤光栅2-2施加不同的预加载拉应变，将第一光纤光栅2-1、第二光纤光栅2-2两端的光纤、第一毛细管3-1、第二毛细管3-2通过第一粘接胶5-1、第二粘接胶5-2粘接安装在试件4上。第一毛细管3-1、第二毛细管3-2的长度在第一粘接胶5-1、第二粘接胶5-2的粘接长度范围内，第一粘接胶5-1全包覆第一毛细管3-1、第一光纤1-1的周向，第二粘接胶5-2全包覆第二毛细管3-2、第二光纤1-2的周向，且沿着靠近试件4表面的方向，第一粘接胶5-1、第二粘接胶5-2的宽度增大，保证了粘接的稳定性。第一粘接胶5-1、第二粘接胶5-2的粘接长度、宽度、位置等一致。
第一粘接胶5-1、第二粘接胶5-2粘接后，第一毛细管3-1内表面和第一光纤光栅2-1外表面之间、以及第二毛细管3-2内表面和第二光纤光栅2-2外表面之间仍然为空气，第一粘接胶5-1和第二粘接胶5-2能够用于固定第一光纤1-1和第二光纤1-2、且不会对第一光纤光栅2-1、第二光纤光栅2-2产生直接接触的应力。且第一光纤光栅2-1和第二光纤光栅2-2平行粘接安装在试件4上。该相对位置的设定下，第一光纤光栅2-1和第二光纤光栅2-2所受到的同一个试件4的影响、在高低温环境下结构尺寸变化基本一致，所以基本消除了高低温环境下结构尺寸变化的误差。
在室温T0下对第一光纤光栅2-1、第二光纤光栅2-2进行应变测量，得到应变灵敏度系数Kε,T0，测量方法参考《GB13992-2010-T金属粘贴式电阻应变计》。
测量方法包括：
在室温T0下对第一光纤光栅2-1施加拉应变ε1，对第二光纤光栅2-2施加拉应变ε2，然后将第一光纤光栅2-1、第二光纤光栅2-2两端的光纤及第一毛细管、第二毛细管通过第一粘接胶、第二粘接胶粘接在试件上，第一光纤光栅2-1平行于第二光纤光栅2-2，记录粘接后的第一光纤光栅2-1的中心波长λ1,T0、第二光纤光栅2-2的中心波长λ2,T0。
将测量装置放置在温度T下，待温度稳定后记录第一光纤光栅2-1的中心波长λ1,T和第二光纤光栅2-2的中心波长λ2,T。
根据室温T0下第一光纤光栅2-1的中心波长λ1,T0、第二光纤光栅2-2的中心波长λ2,T0、第一光纤光栅2-1所受的拉应变ε1、第二光纤光栅2-2所受的拉应变ε2，温度T下第一光纤光栅2-1的中心波长λ1,T、第二光纤光栅2-2的中心波长λ2,T，计算出温度T下光纤光栅的应变灵敏度Kε,T。
本发明说明书未详细公开部分属于本领域技术人员公知常识。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量装置，其特征在于：包括试件(4)、第一测量装置、第二测量装置、用于将第一测量装置固定在试件(4)上的第一连接装置、用于将第二测量装置固定在试件(4)上的第二连接装置；
第一测量装置包括第一光纤(1-1)、第一光纤光栅(2-1)、第一保护装置；第二测量装置包括第二光纤(1-2)、第二光纤光栅(2-2)、第二保护装置；
第一光纤光栅(2-1)刻写于第一光纤(1-1)上，第二光纤光栅(2-2)刻写于第二光纤(1-2)上，第一光纤光栅(2-1)和第二光纤光栅(2-2)为同状态同批次的光纤光栅，第一保护装置用于保护第一光纤光栅(2-1)、以使第一光纤光栅(2-1)不受到第一连接装置的固定应力，第二保护装置用于保护第二光纤光栅(2-2)、以使第二光纤光栅(2-2)不受到第二连接装置的固定应力；
室温下对第一光纤光栅(2-1)和第二光纤光栅(2-2)施加大小不同的拉应变，将第一测量装置和第二测量装置通过第一连接装置和第二连接装置安装在试件(4)上。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述第一保护装置包括套设于第一光纤(1-1)外侧的第一毛细管(3-1)，第一毛细管(3-1)的长度覆盖第一光纤光栅(2-1)的长度，第二保护装置包括套设于第二光纤(1-2)外侧的第二毛细管(3-2)，第二毛细管(3-2)的长度覆盖第二光纤光栅(2-2)的长度。
3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于：所述第一毛细管(3-1)内表面和第一光纤光栅(2-1)外表面之间为空气；第二毛细管(3-2)内表面和第二光纤光栅(2-2)外表面之间为空气。
4.根据权利要求2或3所述的测量装置，其特征在于：所述第一毛细管(3-1)的内径大于第一光纤光栅(2-1)的外径且小于等于第一光纤光栅(2-1)外径的1.5倍；第二毛细管(3-2)的内径大于第二光纤光栅(2-2)的外径且小于等于第二光纤光栅(2-2)外径的1.5倍。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述第一连接装置包括第一粘接胶(5-1)，第二连接装置包括第二粘接胶(5-2)。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述第一光纤光栅(2-1)和第二光纤光栅(2-2)平行粘接安装在试件(4)上。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述室温下第一光纤光栅(2-1)和第二光纤光栅(2-2)受到的拉应变的大小不同。
8.一种宽温度范围内光纤光栅应变灵敏度的测量方法，其特征在于:使用权利要求1-7任一所述的测量装置，包括如下步骤：
S1:在室温T0下对第一光纤光栅(2-1)和第二光纤光栅(2-2)进行应变测量，得到室温T0下第一光纤光栅(2-1)和第二光纤光栅(2-2)的应变灵敏度系数Kε,T0；
S2:在室温T0下对第一光纤光栅(2-1)施加拉应变ε1、对第二光纤光栅(2-2)施加拉应变ε2，然后将第一光纤光栅(2-1)和第二光纤光栅(2-2)两端的光纤及第一保护装置和第二保护装置通过第一连接装置和第二连接装置固定在试件上，得到待测装置，记录固定后的第一光纤光栅(2-1)的中心波长λ1,T0、第二光纤光栅(2-2)的中心波长λ2,T0；
S3:将待测装置放置在温度T下，待温度稳定后记录第一光纤光栅(2-1)的中心波长λ1,T和第二光纤光栅的中心波长λ2,T；
根据室温T0下第一光纤光栅(2-1)的中心波长λ1,T0、第二光纤光栅(2-2)的中心波长λ2,T0、第一光纤光栅(2-1)受到的拉应变ε1、第二光纤光栅(2-2)受到的拉应变ε2，温度T下第一光纤光栅(2-1)的中心波长λ1,T、第二光纤光栅(2-2)的中心波长λ2,T，确定温度T下光纤光栅的应变灵敏度Kε,T。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于：所述温度T下第一光纤光栅(2-1)、第二光纤光栅(2-2)的应变灵敏度Kε,T表示为
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