CN1910436A - 包括用于纤维增强结构中应变测量的温度补偿系统的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置，所述装置包括纤维增强件和包括至少一个系统，该系统包括至少一个光纤及连接机构，所述连接机构适合于将光发射机构和光接收机构连接到光纤上，所述光纤包括多个反射结构。本发明的一个目的是提供适合用于对应变测量中的温度变化提供补偿的机构，所述机构可以装入装置的纤维增强件中。这是通过具有夹持机构得到，所述夹持机构适合于夹持在光纤上形成的一个或多个环，至少一个环当经受温度变化时可以基本上自由地改变长度。

Description

包括用于纤维增强结构中应变测量的温度补偿系统的装置

本发明涉及一种装置，所述装置包括纤维增强件并包括至少一个适用于应变测量温度补偿的系统，所述系统包括至少一个光纤和连接机构，该连接机构适合于将光发射机构和光接收机构连接到光纤上，上述光纤包括许多反射结构。本发明还涉及制造装置的方法及连接机构和夹持机构。

已知不同类型的装置供在测量结构元件中的应变时使用，比如，具有金属层的箔材和光纤，上述金属层形成适合于电气测量的预定路线，而上述光纤具有用于光学测量的Bragg光栅。光纤是一种包括光波导的应变传感器，沿着它的长度具有多个反射结构，即所谓的Bragg光栅。这些装置通常称之为“应变计”，并设置在结构上以便测量结构中的实际应变。在应变计经受温度变化的情况下，由于自然延长或收缩，这将影响测量。为了有准确的测量，因此必需相对于温度变化补偿应变测量。已知采用各种方法来提供对温度变化的补偿，但没有一种方法适用于纤维增强件。

本发明的一个目的是提供适用于对应变测量中的温度变化提供补偿的机构，其可被构造于装置的纤维增强部件中。另一个目的是提供制造这种装置的方法，此处上述机构装入纤维增强件中。

另一些目的从别处说明显而易见。

按照本发明所述的装置的新特征包括，系统包括至少一个夹持机构，所述夹持机构适合于夹持一个或多个在光纤上形成的环，在某点处至少一个环当经受温度变化时基本上可以自由地改变长度，和此处至少一个光纤是至少在连接机构和夹持机构之间延伸，和此处上述至少一个基本上可以自由地改变长度的环通过夹持机构夹持并包括一部分光纤，所述一部分光纤包括许多反射结构，及此处上述光纤、连接机构和夹持机构至少部分地埋置在上述装置的纤维增强件中。

当夹持机构适合于夹持一个或多个在光纤上形成的环时，至少一个环当经受温度变化时基本上可以自由地改变长度，及各环通过夹持机构夹持，同时上述至少一个环包括一部分光纤，所述一部分光纤包括许多反射结构，达到至少一个环可以用来得到无源基准测量，所述无源基准测量与上述部分中存在的任何应变无关，因而上述基准测量可以用来对上述部分上进行有源应变测量时的温度变化提供补偿。由于至少一个光纤至少在连接机构和夹持机构之间延伸，和至少一个基本上可以自由地改变长度的环用夹持机构夹持并包括一部分光纤，所述光纤包括许多反射结构，所以达到连接机构和夹持机构可以单独放置，同时唯一的限制是可以自由选择的光纤的长度。这可以用来将夹持机构放置在上述部分上有源应变计附近，因而应变计和包括许多反射结构的光纤上的环的温度可以基本上相同，因此对通过具体应变计所进行的应变测量可以得到很准确的温度补偿。因为还有连接机构可以自由地放置，所以连接机构可以放置在适合于连接光发射和光接收机构的任何方便位置处。这种自由放置由于大的和/或细长的部件如用于风力涡轮机的叶片而具有相当大的优点，上述部件具有长于30米的长度和大于3米的宽度，并且此处应变计可以应用在任何位置处。由于至少部分地埋置光纤，所以连接机构和夹持机构是上述装置的增强件，并且各零件完全被保护和安全地保持在合适位置。还达到光纤和纤维增强件的温度至少接近相同。

在一个有利的实施例中，系统可以包括一个适合于连接光发射机构到光纤上的机构和一个适合于连接光接收机构到光纤上的机构，此处光纤通过至少一个夹持机构从其中一个连接机构延伸到另一个连接机构。这给光纤提供两个连接，所述两个连接在光纤于夹持机构的一侧上断裂的情况下比如留下一备用的连接，两个连接不能连接到至少一个环上和不能从其中一个连接机构连接到至少一个环上，上述环可以自由地改变长度。

优选实施例可以包括，系统包括两个或多个夹持机构，此处每个夹持机构都包括至少一个环，所述环包括一部分光纤，上述一部分光纤包括许多反射结构。由此达到，可以对两个或多个应变测量进行准确的温度补偿，上述应变测量用放在纤维增强件不同地方的应变计进行。对大的部件来说，这是特别有利的，此处可以希望监测一个以上位置中的应变。

另一个优选实施例可以包括，光纤朝一个方向进入夹持机构和朝另一个方向从夹持机构出来。这样夹持机构可以用来改变光纤引入其中的路线的方向，比如朝向另一个夹持机构或连接机构。因而增加了夹持机构和连接机构的自由定位。

按照本发明所述的装置的另一些特征是权利要求4-12的主题。

本发明的另一些特点包括用于制造一种装置的方法，上述装置包括纤维增强件，该纤维增强件包括一适合用于应变测量中温度补偿的系统，所述系统包括至少一个光纤及适合于将光发射机构和光接收机构连接到光纤上的连接机构，上述光纤包括许多反射结构，此处系统包括至少一个夹持机构，所述夹持机构适合于夹持一个或多个在光纤上形成的环，至少一个环当经受温度变化时基本上可以自由地改变长度，和此处设置按照上述装置预定形状的成型机构及用于增强的纤维和树脂，此处方法包括以下独立的步骤：

—用连接机构连接光纤，

—将一部分光纤形成为一个或多个环，并用夹持机构夹持上述环，至少一个环当经受温度变化时基本上是自由地改变长度，上述至少一个环包括一部分光纤，所述一部分光纤包括许多反射结构，

—将用于增强的纤维、光纤、连接机构、夹持机构和树脂加在成型机构上，并形成在光纤、连接机构和夹持机构至少部分地埋置在至少树脂中的装置。

通过这种方法可以制造一种装置，此处上述装置包括如上述按照本发明所述的装置相应的功能和技术效果。各方法步骤都是独立的，因为光纤可以比如在连接和/或夹持机构加在成型机构上之前或之后连接到连接机构和/或夹持机构上。增强用的纤维优选的是可以在干的状态下与光纤、连接机构和夹持机构一起应用，此处是在注入树脂之后在抽出空气的状态下应用，如用VARTM(真空辅助树脂传递模塑)法。

所述方法优选的是可以用下述方式进行：使光纤与连接机构连接，和将一部分光纤形成许多环，及用夹持机构夹持上述环；至少一个环当经受温度变化时基本上是自由改变长度，上述至少一个环包括一部分光纤，所述一部分光纤包括许多反射结构，及在应用光纤、连接机构和夹持机构之前将光纤卷绕到至少一个卷轴上。光纤是脆性的，因而在储存和装卸期间可以将光纤保护性的保持在卷轴上，直至光纤实际使用。

按照另一个优选的特点，光纤可以从卷轴施加，并连续地紧固到增强用的纤维上，而不加卷绕。因此光纤保持在任何时候都受保护。

本发明的另一些特点包括一种系统，所述系统适合于按照权利要求1-15其中之一所述的装置或方法，上述系统适合用于应变测量的温度补偿，并包括至少一个光纤及连接机构，所述连接机构适合于将光发射机构和光接收机构连接到光纤上，上述光纤包括许多反射结构，其中：

—所述系统包括至少一个夹持机构，所述夹持机构适合于夹持一个或多个在光纤上形成的环，至少一个环当经受温度变化时基本上可以自由地改变长度，

—此处至少一个光纤是至少在连接机构和夹持机构之间延伸，

—及此处至少一个基本上可以自由地改变长度的环通过夹持机构夹持，并包括一部分光纤，所述一部分光纤包括许多反射结构。

因而这种系统适合用于按照本发明所述的装置和方法，因此可以得到上述的功能和技术效果。

系统的优选实施例包括，将系统组装以便形成准备使用的成套器材，所述成套器材包括至少一个光纤卷绕于其上的卷轴。这种成套器材在纤维增强件的正常制造条件下很容易装卸和应用，此处使用纤维和树脂，因此操作人员必须穿戴个人防护设备如厚层手套等。

按照本发明所述的连接机构和夹持机构的一些优选的特征是权利要求18-23的主题。

下面，将参照附图说明本发明，所述附图示出本发明的实施例的例子。

图1示出按照本发明所述的装置的一侧，

图2示出另一个装置的一侧，

图3示出连接机构的正视图，

图4示出夹持机构的正视图，

图5示出从上面看的夹持机构，和

图6示出从上面看的另一种夹持机构，

图7示出装置的可供选择的实施例的一侧，

图8示出供在风力涡轮机中使用的更多装置的构造，

图9示出供在风力涡轮机中使用的更多装置的另一种构造。

图1示出一种装置1，所述装置1包括纤维增强件2，此处在这个实施例中，装置1是用于风力涡轮机的叶片11。在叶片11的根部附近，放置两个连接机构5，光纤4连接到上述连接机构5上。在两个连接机构5之间，将光纤4放置在三个单独的夹持机构6上，每个夹持机构都夹持一个或多个在光纤4上所形成的环7，上述环7包括至少一个环，所述环当经受温度变化时可以自由地改变长度，并且包括许多反射结构，如Bragg光栅。

图2示出与图1相对应的装置1，然而该装置1具有结合在一共用外壳18中的连接机构5。

图3示出连接机构5的具体实施例，所述连接机构5包括外壳13，该外壳13具有一如截棱锥的一般形状。光纤4由细绳(string)10支承，上述光纤4通过一锥形细长而有弹性的部分12引入外壳13内的凹入部分中并设置成环形，所述环用有弹性的胶20固定，而最后收尾在一个自由的环中，所述自由的环具有一与其连接的插头19。插头19预定连接到未示出的光发射机构和/或光接收机构上。为了便于在光纤4上形成环，并且当胶20固化时将该环固定在合适位置，可以在外壳上放置一个壁21，或者在制造外壳13时可以将上述壁进行机加工或铸型。外壳13在使用中将用比如一块板盖住，优选的是搁在一未示出的密封件上，以便形成紧密连接。当制造装置时，连接机构5可以放在成型机构上，所述成型机构带有未示出的板，在围绕连接机构5放置增强纤维并加入树脂之后处，上述示出的板面向成型机构。在装置固化之后，上述板将面向装置的表面，并可以通过移去板从内侧接近连接机构5。

图4示出夹持机构6，所述夹持机构6包括外壳14，外壳14具有一包括圆形路径16的凹槽15，所述凹槽15连接到凹槽17上。圆形路径16适合于夹持一个或多个在光纤4上形成的环7，此处至少一个环包括多个反射结构，如Bragg光栅。光纤4用有弹性的胶固定在凹槽17中，并分别通过弹性部分22进出外壳14。光纤4可以由细绳10支承，所述细绳10用织造的或编织的玻璃纤维制成。环7松散设置并具有比圆形路径16稍小的直径，因此可以基本上在没有阻力的情况下滑动，并因此当经受温度变化时自由改变长度。外壳14可以用未示出的板按与上述有关连接机构5相同的方式闭合，并且夹持机构6在制造期间可以用相同的方式放置，以便得到内部的入口。外壳13和14二者优选的是用聚合物材料通过各种方法制造，所述方法包括铸造法，铣削法等。

图5和6示出外壳14，所述外壳14包括一个具有圆形路径16的凹槽15和两个连接凹槽17。如图所示，各凹槽17可以适合于朝不同方向延伸，因而可以朝不同方向导引未示出的光纤，所述光纤成若干环放置在圆形路径16中并通过凹槽17引出。在图6中，示出凹槽15，17和圆形路径16可以放在一凹入部分25中，此处它们可以通过未示出的板盖住，并用放入孔24中的螺钉固定。光纤可以通过孔26进出。

图7示出装置1，所述装置1包括纤维增强件2，在这个实施例中装置1是用于风力涡轮机的叶片11。在叶片11的根部附近，放置一个连接机构5，光纤4连接到上述连接机构5上。光纤4从连接机构5延伸到夹持机构6，并在这里放置在三个单独的夹持机构6中，每个夹持机构6都夹持一个或多个在光纤4上形成的环7，上述环7包括至少一个环，所述环7当经受温度变化时自由地改变长度，并且包括多个反射结构。在最远的夹持机构6处，光纤4收尾于自由端27中。

图8和9各示出一个装置1，所述装置1包括三个纤维增强件，这里三个纤维增强件是三个用于风力涡轮机的叶片11。各光纤4都引入叶片11内的路线中。光纤4在图8中是通过连接机构5在叶片之间连接。光纤4通过未示出的夹持机构6延伸，每个夹持机构6都夹持一个或多个在光纤4上形成的未示出的环7，上述环7包括至少一个环，所述环当经受温度变化时可以自由地改变长度，并包括多个反射结构。在图8中，一个光纤4收尾于一个端部27中，并且所述端部不连接到连接机构上，而在图9中，所有三根光纤4都收尾在未连接的端部27中。在图8和9中，设置了光发射和接收机构26，光通过光发射机构发射到光纤4中，和一部分光通过反射结构反射，及然后由机构26接收。

如图3所示，连接机构5包括一细长的弹性部分12，所述弹性部分12当连接到连接机构上时适合于支承光纤4。

连接机构5的外壳13和夹持机构6的外壳14可以具有一种形状，所述形状基本上是截锥形或者基本上象截棱锥形。

连接机构5和夹持机构6的外壳13，14可以用聚合物材料制成，因而上述机构及光纤4基本上是不用任何比如金属件制成，以便在上述机构中保持一般是低的雷击的危险，不过连接机构5可以包括金属插头19，用于分别将光纤4连接到发射和接收光的机构上。

应该理解，如在说明书和附图中所述的本发明可以进行修改和改变，并仍属于如后面权利要求书所述的范围内。

Claims (23)

1.一种装置，包括纤维增强件和至少一个适合用于应变测量中温度补偿的系统，所述系统包括至少一个光纤及连接机构，该连接机构用于将光发射机构和光接收机构连接到光纤上，上述光纤包括多个反射结构，其中

—所述系统包括至少一个夹持机构，所述夹持机构用于夹持一个或多个在光纤上形成的环，当经受温度变化时至少一个环可以基本上自由地改变长度；

—所述至少一个光纤至少在连接机构和夹持机构之间延伸；

—可以基本上自由改变长度的所述至少一个环用夹持机构夹持；并包括一部分所述光纤，所述一部分光纤包括多个反射结构；

—上述光纤、连接机构和夹持机构至少部分地埋置在上述装置的增强纤维部件中。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于：所述系统包括一个用于连接光发射机构到光纤上的连接机构和一个用于连接光接收机构到光纤上的连接机构，光纤通过至少一个夹持机构从其中一个连接机构延伸到另一个连接机构。

3.按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述系统包括两个或多个夹持机构，每个夹持机构都包括至少一个环，所述环包括一部分所述光纤，所述一部分光纤包括多个反射结构。

4.按照权利要求1-3中一项或多项所述的装置，其特征在于：所述光纤在一个方向进入夹持机构和在另一个方向从夹持机构出来。

5.按照权利要求2-4中一项或多项所述的装置，其特征在于，所述两个连接机构集合在一共用外壳中。

6.按照权利要求1-5中一项或多项所述的装置，其特征在于：所述连接机构通过上述部件的表面放置，并用于可从上述部件内的内部位置触及到。

7.按照权利要求1-6中一项或多项所述的装置，其特征在于：所述至少在连接机构和夹持机构之间的光纤具有用于增强该光纤的支承机构。

8.按照权利要求7所述的装置，其特征在于：所述支承机构包括细绳，所述细绳包括织造纤维或编织纤维，优选的是玻璃纤维。

9.按照权利要求8所述的装置，其特征在于：所述光纤用双面涂层带紧固到细绳上。

10.按照权利要求8所述的装置，其特征在于：所述光纤优选的是通过编织或植入而结合到细绳中。

11.按照权利要求1-10中一项或多项所述的装置，其特征在于：所述连接机构和夹持机构各包括一个凹槽，一部分所述光纤用胶紧固在上述凹槽中。

12.按照权利要求1-11中一项或多项所述的装置，其中上述部件是用于风力涡轮机的叶片的纤维增强式叶片壳。

13.一种用于制造装置的方法，所述装置包括纤维增强件和用于应变测量中温度补偿的系统，上述系统包括至少一个光纤及连接机构，所述连接机构用于将光发射机构和光接收机构连接到光纤上，上述光纤包括多个反射结构，所述系统包括至少一个夹持机构，所述夹持机构用于夹持一个或多个在光纤上形成的环，当经受温度变化时至少一个环可以基本自由地改变长度，及提供按照上述装置预定形状的成型机构及增强纤维和树脂，所述方法包括下列独立的步骤：

—用连接机构连接光纤；

—将至少一部分光纤成形成一个或多个环，并用夹持装置夹持上述环，当经受温度变化时至少一个环基本上自由地改变长度，上述至少一个环包括一部分所述光纤，所述一部分光纤包括多个反射结构，

—在成型机构上施加增强纤维、光纤、连接机构、夹持机构和树脂，并形成上述装置，光纤、连接机构和夹持机构至少部分地埋置在至少所述树脂中。

14.按照权利要求13所述的方法，其特征在于：所述光纤用连接机构连接，及一部分所述光纤形成一个或多个环，并用夹持机构夹持上述一个或多个环，当经受温度变化时至少一个环基本上自由地改变长度，上述至少一个环包括一部分所述光纤，所述一部分光纤包括多个反射结构，在光纤、连接机构和夹持机构施加在成型机构上之前，将光纤绕在至少一个卷轴上。

15.按照权利要求14所述的方法，其特征在于：从所述卷轴施加光纤，并在未缠绕时连续地紧固到用于增强的纤维上。

16.一种用于按照上述权利要求任一项所述的装置或方法的系统，所述系统用于在应变测量中的温度补偿，并包括至少一个光纤及用于将光发射机构和光接收机构连接到光纤上的连接机构，上述光纤包括多个反射机构，其中

—所述系统包括至少一个夹持机构，所述夹持机构用于夹持在光纤上形成的一个或多个环，当经受温度变化时至少一个环当经受温度变化时可以基本上自由地改变长度；

—所述至少一个光纤至少在连接机构和夹持机构之间延伸；

—及上述至少一个基本上可自由改变长度的环通过夹持机构夹持，并包括一部分所述光纤，所述一部分光纤包括许多反射结构。

17.按照权利要求16所述的系统，其特征在于：上述系统组装形成准备使用的成套器材，所述成套器材包括至少一个光纤卷绕于其上的卷轴。

18.一种用于按照上述权利要求任一项所述的装置、方法或系统的连接机构，所述连接机构用于将光发射机构和/或光接收机构连接到光纤上，上述连接机构包括用于储藏和夹持光纤端部的外壳，光纤形成有至少一个环，该环置于上述端部旁。

19.按照权利要求18所述的连接机构，其特征在于：所述连接机构包括细长的弹性部分，当连接到连接机构上时所述弹性部分用于支承光纤。

20.按照权利要求18或19所述的连接机构，其特征在于：所述外壳具有基本上是截锥形或基本上像截棱锥形的形状。

21.一种用于按照上述权利要求1-17任一项所述的装置、方法或系统的夹持机构，所述夹持机构包括具有至少一个凹槽的外壳，上述凹槽具有至少一个基本上是圆形的路径，所述圆形路径用于基本上围绕在光纤上形成的环。

22.按照权利要求21所述的夹持机构，其特征在于：所述基本上圆形的分段与至少两个凹槽连接。

23.按照权利要求21或22所述的夹持机构，此处外壳具有基本上是截锥形或基本上像截棱锥形的形状。

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