CN116538947A - 基片式光纤光栅应变传感器的自动标定装置和校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基片式光纤光栅应变传感器的自动标定装置和校准方法，本发明通过应变传感器夹具能够快速拆装光纤光栅应变传感器，能够提高光纤光栅应变传感器的标定效率，并有效防护光纤光栅应变传感器；通过高精度丝杠组和导柱组的精确驱动，确保驱动的同步性和一致性，通过应变传递弹性伸缩台和应变传感器夹具底座的精密加工配合提高应变传递的精确性和连续性，能够简单有效保证自动校准的精度；本发明安装光纤光栅应变传感器后无需人工进行其他操作装置自动校准，完成后自动生成校准结果，提高了校准的工作效率、最大程度降低人为因素对校准精度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅应变传感器检测技术领域，具体涉及一种基片式光纤光栅应变传感器的自动标定装置和校准方法。
背景技术
应变是各大领域需要监测的最为重要、基础的物理量之一，对于各种工程的完成，起着至关重要的作用。光纤布拉格光栅具有测量灵敏度高、防水性能强、抗电磁干扰、信号传输距离远和耐腐蚀的优点，可远程对建筑物的结构进行长期的健康监测。传统的光纤光栅应变传感器在地铁隧道、水坝这种恶劣环境下工作时，传感器的传感元件容易发生氧化或非弹性变形，传感器的传动元件存在传动滑移，从而导致测量精度低等情况发生。无机封装的基片式应变传感器可有效解决上述情况。
目前光纤光栅应变传感器的校准标定装置主要为引伸计、力学试验机、等对光纤光栅应变传感器的拉伸微应变进行校准，无法进行弯曲应变的校准。敲击法通过贴片激光测距进行应变动态校准，应变测量范围较小。
上述应变计校准装置和校准方法每次变化微应变后均需待数据稳定后人工进行数据记录和拟合，校准效率较低，很大程度上限制了光纤光栅应变传感器的应用和推广，需要改进。
发明内容
本发明提供一种基片式光纤光栅应变传感器自动标定装置和校准方法，能够解决现有应变计校准装置和校准方法每次变化微应变后均需待数据稳定后人工进行数据记录和拟合，校准效率较低，很大程度上限制了光纤光栅应变传感器的应用和推广的问题。
为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：
本发明实施例提供一种基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，该自动标定装置包括底座(1)、高精度位移测量装置(2)、应变传感器(3)、应变传感器夹具(4)、应变传感器夹具底座(5)、应变传递弹性伸缩台(6)、上工作台(7)、压头(8)、横梁(9)、导柱组(10)、驱动系统(11)、传动系统(12)、丝杠组(13)、光纤光栅解调仪(14)和上位机(15)；
所述底座(1)内嵌设有高精度位移测量装置(2)，所述高精度位移测量装置(2)之上设置有所述应变传递弹性伸缩台(6)，所述应变传递弹性伸缩台(6)之上设置有所述应变传感器夹具底座(5)，所述应变传感器夹具底座(5)之上设置有所述应变传感器夹具(4)，所述应变传感器夹具(4)之上设置有应变传感器(3)和压头(8)，所述压头(8)的另一端与所述上工作台(7)的底面接触；
所述底座(1)和所述横梁(9)之间设置有贯穿所述上工作台(7)的多个所述导柱组(10)及多个所述丝杠组(13)，且多个所述丝杠组(13)的一端穿过所述横梁(9)并与所述传动系统(12)连接；
所述传动机构(12)固定于所述横梁(9)表面上，所述驱动系统(11)连接并驱动所述传动机构(12)，所述驱动系统(11)通过动力及信号电缆(11-01)连接至所述上位机(15)，所述高精度位移测量装置(2)通过信号电缆(2-01)连接至所述上位机(15)，所述应变传感器(3)通过信号光缆(3-01)连接至所述光纤光栅解调仪(14)；所述光纤光栅解调仪(14)通过信号线连接至所述上位机(15)。
根据本发明一可选实施例，多个所述丝杠组(13)的一端通过推力轴承固定在所述底座(1)上平面，且多个所述丝杠组(13)通过嵌套的多个丝母座(13-01)固定在所述上工作台(7)上，多个所述导柱组(10)穿过的多个导套(10-01)固定在所述上工作台(7)上。
根据本发明一可选实施例，所述底座(1)的中间位置设置有第一T型槽(1-01)，所述第一T型槽(1-01)用于安装所述高精度位移测量装置(2)；所述底座(1)还设置有第二T型槽(1-02)，所述第二T型槽(1-02)用于安装所述应变传感器夹具底座(5)。
根据本发明一可选实施例，所述应变传感器夹具底座(5)设置有第一通孔(5-01)，所述第一通孔(5-01)用于安装所述应变传感器夹具(4)。
根据本发明一可选实施例，所述应变传感器夹具(4)设置有第一直槽口(4-01)，T型螺栓安装于所述第二T型槽(1-02)穿过所述第一通孔(5-01)、所述第一直槽口(4-01)，以使所述应变传感器夹具(4)可在所述应变传感器夹具底座(5)左右滑动。
根据本发明一可选实施例，所述应变传感器夹具(4)开设有第三T型槽(4-02)，多个T型螺栓安装于所述第三T型槽(4-02)用于限定所述应变传感器(3)前后滑动。
根据本发明一可选实施例，所述所述应变传感器夹具底座(5)中间设置有第一方形槽(5-02)，所述应变传递弹性伸缩台(6)安装于所述第一方形槽内，并使用导柱及弹簧固定于所述应变传感器夹具底座(5)下，以使所述应变传递弹性伸缩台(6)在所述第一方槽(5-02)内上下滑动。
根据本发明一可选实施例，所述应变传递弹性伸缩台(6)滑动上限时上平面与所述应变传感器夹具(4)上平面共面；所述应变传感器(3)居中放置于所述应变传递伸缩台(6)上平面上。
根据本发明一可选实施例，所述高精度位移测量装置(2)检测头为弹性伸缩头，可与所述应变传递弹性伸缩台(6)下平面接触，随所述应变传递弹性伸缩台(6)上下伸缩移动。
依据上述实施例中的一种基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，本发明还提供一种基片式光纤光栅传感器的自动校准方法，所述自动校准方法通过上述实施例中的一种基片式光纤光栅传感器的自动标定装置实现的，所述自动校准方法包括如下步骤：
步骤S1，在恒温环境下，将应变传感器(3)放置于应变传递弹性伸缩台(6)上，两侧放置于应变传感器夹具(4)上由第三T型槽(4-02)上的T型螺栓限制其前后移动；
步骤S2，上位机(15)内安装自动校准程序，所述高精度位移测量装置(2)作为微变形检测机构及微变形检测机构将微变形信号通过信号电缆(2-01)传输至所述上位机(15)，在上位机(15)安装的自动校准程序内设置微变形量及微变形量驱动速度及间隔时间；
步骤S3，通过自动校准程序一键启动开始进行自动校准，上位机(15)发出驱动信号至所述驱动系统(11)，驱动系统(11)驱动传动系统(12)，传动系统带动所述多个丝杠组(13)同向旋转，多个丝杠组(13)带动上工作台(7)及上工作台(7)上安装的压头(8)，压头(8)缓慢接触并挤压应变传感器(3)，应变传感器(3)将微变形传导至所述应变传递弹性伸缩台(6)，所述应变传递弹性伸缩台(6)在所述第一方槽(5-01)内上下滑动将微变形传导至所述高精度位移测量装置(2)；微变形从小到大再复位，往复多次；弯曲微应变通过计算应变传感器中心截面内各点的移动量除以所述应变传感器夹具(4)之间距离；
步骤S4，往复检测期间，应变传感器(3)通过信号光缆(3-01)将波长变化信号上传至所述光纤光栅解调仪(14)，通过上位机(15)内安装的光纤光栅解调仪(14)驱动软件设置采样频率、信号储存文件；自动校准程序以微变形驱动的间隔时间抓取信号存储文件内波长数据、和高精度位移测量装置(2)通过所述信号电缆(2-01)传输至自动校准程序的微变形量数据；以微变形量为X轴以抓取的信号储存文件内的波长数据为Y轴自动绘制拟合曲线，并生成拟合公式y＝ax+b；y波长，x为微应变量。
有益效果：(1)通过应变传感器夹具能够快速拆装光纤光栅应变传感器，能够提高光纤光栅应变传感器的标定效率，并有效防护光纤光栅应变传感器。(2)通过高精度丝杠组和导柱组的精确驱动，确保驱动的同步性和一致性，通过应变传递弹性伸缩台和应变传感器夹具底座的精密加工配合提高应变传递的精确性和连续性，能够简单有效保证自动校准的精度。(3)本发明的自动标定装置各部件的结构设计，能够简单有效的在快速标定设备本体闲置时段，对各部件进行维护，延长快速标定设备本体的使用寿命。(4)通过本发明的自动校准方法，安装传感器后无需人工进行其他操作装置自动校准，完成后自动生成校准结果，有效减少了校准的人工成本，减少了人工校准的不确定性，提高校准的的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说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介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基片式光纤光栅传感器的自动标定装置的立体结构图示意图。
图2为本申请实施例提供的一种基片式光纤光栅传感器的自动标定装置的正视图。
图3为本申请实施例提供的一种基片式光纤光栅传感器的自动标定装置的左视图。
图4为本申请实施例提供的一种应变传感器夹具底座的立体结构图。
图5为本申请实施例提供的一种应变传感器夹具的立体结构图。
图中：1、底座；2、高精度位移测量装置；3、应变传感器；4、应变传感器夹具；5、应变传感器夹具底座；6、应变传递弹性伸缩台；7、上工作台；8、压头；9、横梁；10、导柱组；11、驱动系统；12、传动系统；13、丝杠组；14、光纤光栅解调仪；15、上位机。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本发明实施例提供一种基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，该自动标定装置包括底座1、高精度位移测量装置2、应变传感器3、应变传感器夹具4、应变传感器夹具底座5、应变传递弹性伸缩台6、上工作台7、压头8、横梁9、导柱组10、驱动系统11、传动系统12、丝杠组13、光纤光栅解调仪14和上位机15。
所述底座1内嵌设有高精度位移测量装置2，所述高精度位移测量装置2之上设置有所述应变传递弹性伸缩台6，所述应变传递弹性伸缩台6之上设置有所述应变传感器夹具底座5，所述应变传感器夹具底座5之上设置有所述应变传感器夹具4，所述应变传感器夹具4之上设置有应变传感器3和压头8，所述压头8的另一端与所述上工作台7的底面接触；所述底座1和所述横梁9之间设置有贯穿所述上工作台7的多个所述导柱组10及多个所述丝杠组13，且多个所述丝杠组13的一端穿过所述横梁9并与所述传动系统12连接，且底座1上平面两侧安装多个导柱组10及多个丝杠组13的另一端。
如图2和图3所示，所述传动机构12固定于所述横梁9上平面，所述驱动系统11连接并驱动所述传动机构12，所述驱动系统11通过动力及信号电缆11-01连接至所述上位机15，所述高精度位移测量装置2通过信号电缆2-01连接至所述上位机15，所述应变传感器3通过信号光缆3-01连接至所述光纤光栅解调仪14；所述光纤光栅解调仪14通过信号线连接至所述上位机15。
多个所述丝杠组13的一端通过推力轴承固定在所述底座1上平面，且多个所述丝杠组13通过嵌套的多个丝母座13-01固定在所述上工作台7上，多个所述导柱组10穿过的多个导套10-01固定在所述上工作台7上。
所述底座1为“凹”字型结构，所述底座1的中间位置设置有第一T型槽1-01，所述第一T型槽1-01用于安装所述高精度位移测量装置2；所述底座1还设置有第二T型槽1-02，所述第二T型槽1-02用于安装所述应变传感器夹具底座5。
图4结合图2，所述应变传感器夹具底座5设置有第一通孔5-01，所述第一通孔5-01用于安装所述应变传感器夹具4。
图5结合图4和图2，所述应变传感器夹具4设置有第一直槽口4-01，T型螺栓安装于所述第二T型槽1-02穿过所述第一通孔5-01、所述第一直槽口4-01，以使所述应变传感器夹具4可在所述应变传感器夹具底座5左右滑动。
所述应变传感器夹具4开设有第三T型槽4-02，多个T型螺栓安装于所述第三T型槽4-02用于限定所述应变传感器3前后滑动。
所述所述应变传感器夹具底座5中间设置有第一方形槽5-02，所述应变传递弹性伸缩台6安装于所述第一方形槽内，并使用导柱及弹簧固定于所述应变传感器夹具底座5下，以使所述应变传递弹性伸缩台6在所述第一方槽5-02内上下滑动。
所述应变传递弹性伸缩台6滑动上限时上平面与所述应变传感器夹具4上平面共面；所述应变传感器3居中放置于所述应变传递伸缩台6上平面上。所述高精度位移测量装置2检测头为弹性伸缩头，可与所述应变传递弹性伸缩台6下平面接触，随所述应变传递弹性伸缩台6上下伸缩移动。
依据上述实施例中的一种基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，本发明还提供一种基片式光纤光栅传感器的自动校准方法，所述自动校准方法通过上述实施例中的自动标定装置实现的，自动校准方法也为自动标定装置的工作原理，所述自动校准方法包括如下步骤：
步骤S1，在恒温环境下，将应变传感器3放置于应变传递弹性伸缩台6上，两侧放置于应变传感器夹具4上由第三T型槽4-02上的T型螺栓限制其前后移动；
步骤S2，上位机15内安装自动校准程序，所述高精度位移测量装置2作为微变形检测机构及微变形检测机构将微变形信号通过信号电缆2-01传输至所述上位机15，在上位机15安装的自动校准程序内设置微变形量及微变形量驱动速度及间隔时间；
步骤S3，通过自动校准程序一键启动开始进行自动校准，上位机15发出驱动信号至所述驱动系统11，驱动系统11驱动传动系统12，传动系统带动所述多个丝杠组13同向旋转，多个丝杠组13带动上工作台7及上工作台7上安装的压头8，压头8缓慢接触并挤压应变传感器3，应变传感器3将微变形传导至所述应变传递弹性伸缩台6，所述应变传递弹性伸缩台6在所述第一方槽5-01内上下滑动将微变形传导至所述高精度位移测量装置2；微变形从小到大再复位，往复多次；弯曲微应变通过计算应变传感器中心截面内各点的移动量除以所述应变传感器夹具4之间距离；
步骤S4，往复检测期间，应变传感器3通过信号光缆3-01将波长变化信号上传至所述光纤光栅解调仪14，通过上位机15内安装的光纤光栅解调仪14驱动软件设置采样频率、信号储存文件；自动校准程序以微变形驱动的间隔时间抓取信号存储文件内波长数据、和高精度位移测量装置2通过所述信号电缆2-01传输至自动校准程序的微变形量数据；以微变形量为X轴以抓取的信号储存文件内的波长数据为Y轴自动绘制拟合曲线，并生成拟合公式y＝ax+b；y波长，x为微应变量。
在一种实施例中，可将所述高精度位移测量装置2安装至底座上平面，使所述高精度位移测量装置2上平面接触上工作台，将所述应变传感器3安装在上工作台7与所述底座1之间固定，测量所述应变传感器3自动校准器拉伸压、缩微微变形。
在另外一种实施例中，自动标定装置中光纤光栅应变传感器由电阻式应变计替代，所述信号光缆3-01由线缆替代，光纤光栅解调仪由电阻应变仪替代，此装置和校准方法可用于电阻式应变计的自动校准。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内；本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，其特征在于，包括底座(1)、高精度位移测量装置(2)、应变传感器(3)、应变传感器夹具(4)、应变传感器夹具底座(5)、应变传递弹性伸缩台(6)、上工作台(7)、压头(8)、横梁(9)、导柱组(10)、驱动系统(11)、传动系统(12)、丝杠组(13)、光纤光栅解调仪(14)和上位机(15)；
所述底座(1)内嵌设有高精度位移测量装置(2)，所述高精度位移测量装置(2)之上设置有所述应变传递弹性伸缩台(6)，所述应变传递弹性伸缩台(6)之上设置有所述应变传感器夹具底座(5)，所述应变传感器夹具底座(5)之上设置有所述应变传感器夹具(4)，所述应变传感器夹具(4)之上设置有应变传感器(3)和压头(8)，所述压头(8)的另一端与所述上工作台(7)的底面接触；
所述底座(1)和所述横梁(9)之间设置有贯穿所述上工作台(7)的多个所述导柱组(10)及多个所述丝杠组(13)，且多个所述丝杠组(13)的一端穿过所述横梁(9)并与所述传动系统(12)连接；
所述传动机构(12)固定于所述横梁(9)表面上，所述驱动系统(11)连接并驱动所述传动机构(12)，所述驱动系统(11)通过动力及信号电缆(11-01)连接至所述上位机(15)，所述高精度位移测量装置(2)通过信号电缆(2-01)连接至所述上位机(15)，所述应变传感器(3)通过信号光缆(3-01)连接至所述光纤光栅解调仪(14)；所述光纤光栅解调仪(14)通过信号线连接至所述上位机(15)。
2.如权利要求1所述的基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，其特征在于，多个所述丝杠组(13)的一端通过推力轴承固定在所述底座(1)上平面，且多个所述丝杠组(13)通过嵌套的多个丝母座(13-01)固定在所述上工作台(7)上，多个所述导柱组(10)穿过的多个导套(10-01)固定在所述上工作台(7)上。
3.如权利要求2所述的基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，其特征在于，所述底座(1)的中间位置设置有第一T型槽(1-01)，所述第一T型槽(1-01)用于安装所述高精度位移测量装置(2)；所述底座(1)还设置有第二T型槽(1-02)，所述第二T型槽(1-02)用于安装所述应变传感器夹具底座(5)。
4.如权利要求3所述的基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，其特征在于，所述应变传感器夹具底座(5)设置有第一通孔(5-01)，所述第一通孔(5-01)用于安装所述应变传感器夹具(4)。
5.如权利要求4所述的基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，其特征在于，所述应变传感器夹具(4)设置有第一直槽口(4-01)，T型螺栓安装于所述第二T型槽(1-02)穿过所述第一通孔(5-01)、所述第一直槽口(4-01)，以使所述应变传感器夹具(4)可在所述应变传感器夹具底座(5)左右滑动。
6.如权利要求5所述的基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，其特征在于，所述应变传感器夹具(4)开设有第三T型槽(4-02)，多个T型螺栓安装于所述第三T型槽(4-02)用于限定所述应变传感器(3)前后滑动。
7.如权利要求6所述的基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，其特征在于，所述所述应变传感器夹具底座(5)中间设置有第一方形槽(5-02)，所述应变传递弹性伸缩台(6)安装于所述第一方形槽内，并使用导柱及弹簧固定于所述应变传感器夹具底座(5)下，以使所述应变传递弹性伸缩台(6)在所述第一方槽(5-02)内上下滑动。
8.如权利要求7所述的基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，其特征在于，所述应变传递弹性伸缩台(6)滑动上限时上平面与所述应变传感器夹具(4)上平面共面；所述应变传感器(3)居中放置于所述应变传递伸缩台(6)上平面上。
9.如权利要求8所述的基片式光纤光栅传感器的自动标定装置，其特征在于，所述高精度位移测量装置(2)检测头为弹性伸缩头，可与所述应变传递弹性伸缩台(6)下平面接触，随所述应变传递弹性伸缩台(6)上下伸缩移动。
10.一种基片式光纤光栅传感器的自动校准方法，所述自动校准方法通过如权利要求1至9任一所述的自动标定装置实现的，其特征在于，所述自动校准方法包括如下步骤：
步骤S1，在恒温环境下，将应变传感器(3)放置于应变传递弹性伸缩台(6)上，两侧放置于应变传感器夹具(4)上由第三T型槽(4-02)上的T型螺栓限制其前后移动；
步骤S2，上位机(15)内安装自动校准程序，所述高精度位移测量装置(2)作为微变形检测机构及微变形检测机构将微变形信号通过信号电缆(2-01)传输至所述上位机(15)，在上位机(15)安装的自动校准程序内设置微变形量及微变形量驱动速度及间隔时间；
步骤S3，通过自动校准程序一键启动开始进行自动校准，上位机(15)发出驱动信号至所述驱动系统(11)，驱动系统(11)驱动传动系统(12)，传动系统带动所述多个丝杠组(13)同向旋转，多个丝杠组(13)带动上工作台(7)及上工作台(7)上安装的压头(8)，压头(8)缓慢接触并挤压应变传感器(3)，应变传感器(3)将微变形传导至所述应变传递弹性伸缩台(6)，所述应变传递弹性伸缩台(6)在所述第一方槽(5-01)内上下滑动将微变形传导至所述高精度位移测量装置(2)；微变形从小到大再复位，往复多次；弯曲微应变通过计算应变传感器中心截面内各点的移动量除以所述应变传感器夹具(4)之间距离；
步骤S4，往复检测期间，应变传感器(3)通过信号光缆(3-01)将波长变化信号上传至所述光纤光栅解调仪(14)，通过上位机(15)内安装的光纤光栅解调仪(14)驱动软件设置采样频率、信号储存文件；自动校准程序以微变形驱动的间隔时间抓取信号存储文件内波长数据、和高精度位移测量装置(2)通过所述信号电缆(2-01)传输至自动校准程序的微变形量数据；以微变形量为X轴以抓取的信号储存文件内的波长数据为Y轴自动绘制拟合曲线，并生成拟合公式y＝ax+b；y波长，x为微应变量。
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