CN205580887U - 基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置，属于杨氏模量测量装置领域，包括宽带光源、光谱分析仪、环形器、2根热缩管、布拉格光栅、金属丝、增重码和悬挂装置；布拉格光栅与金属丝取相同长度一段拉直紧密贴合在一起，两端分别用2根热缩管进行热缩固定；金属丝一端挂在悬挂装置上；金属丝另一端悬挂增重码；布拉格光栅的输入端和输出端均与环形器的第二端口连接；宽带光源的输出端与环形器的第一端口连接；光谱分析仪的输入端与环形器的第三端口连接；通过把布拉格光栅和金属丝紧密贴紧，由光谱分析仪对变形后光栅的反射中心波长分析，可以大大的提高了测量精度，解决了现有测量杨氏模量装置测量精度不高的问题。

Description

基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置

技术领域

本实用新型涉及杨氏模量测量装置领域，具体的来说是涉及基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置。

背景技术

杨氏模量是描述固体材料抵抗形变能力的重要物理量，它反映的是材料应变与应力之间的关系，是选定机械零件材料重要的性能参数和工程技术设计的重要依据之一。测量常用的固体材料，如金属、陶瓷、橡胶、聚合物等，各种材料的杨氏模量对开采、建筑等大型工程具有十分重要的意义。

为了精确地测量出杨氏模量且满足不同用途的需求，关于如何定量测量杨氏模量的各式各样方法相继被提出来，如静态法、梁弯曲法、光电法、电学法等，前两种方法的关键在于待测材料在应力作用下的微形变与微位移量；后两种易于实现程的自动化但容易受到外界因素(温度、电磁场等)的影响。而后人们又提出了霍尔位置传感器测杨氏模量、CCD成像系统测杨氏模量、电感式位移法测量金属杨氏模量和光纤位移传感器测量法等，在实际应用中，这些方法存在着稳定性较差、精度不高、应用范围狭小、或者实验条件难以满足理论原理的需求等缺陷。因此，需要研究具有简单、高精度、稳定性良好且普适性强的杨氏模量的测量装置。

实用新型内容

本实用新型需要解决的是现有测量杨氏模量装置测量精度不高的问题，提供一种基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置。

本实用新型通过以下技术方案解决上述问题：

基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置，包括宽带光源、光谱分析仪、环形器、2根热缩管、布拉格光栅、金属丝、增重码和悬挂装置；

布拉格光栅与金属丝取相同长度一段拉直紧密贴合在一起，两端分别用2根热缩管进行热缩固定；金属丝一端挂在悬挂装置上；金属丝另一端悬挂增重码；布拉格光栅的输入端和输出端均与环形器的第二端口连接；宽带光源的输出端与环形器的第一端口连接；光谱分析仪的输入端与环形器的第三端口连接。

本实用新型通过使用光纤布拉格光栅对金属丝随着拉力变化而发生形变量的测量，使测得的杨氏模量更加准确，提高测量精度。

上述方案中，优选的是增重码包括挂盘和砝码，挂盘悬挂在金属丝下；砝码放置在挂盘，根据需要来进行增减砝码，改变拉力，进一步分析反射光波中波长的变化，进而分析出杨氏模量。

为了使测量的精度更高，上述方案中，优选的是挂盘的竖直中心线与金属丝重合。

上述方案中，优选的是，本实用新型还进一步包括挂杆、支撑杆和底座，挂杆水平放置，且一端悬挂金属丝，另一端与支撑杆一端垂直连接；支撑杆竖直放置，支撑杆另一端与底座连接；底座水平设置，使该测量装置更加牢固，更好移动，提高该测量装置的移动性。

为了使分析反射光波更加准确，上述方案中，优选的是光谱分析仪使用型号为AQ6370C的光谱分析仪。

上述方案中，选用的是宽带光源使型号为HY-ASE-C-G-13-B-FA的宽带光源。

本实用新型的优点与效果是：

1.通过热缩管将光纤布拉格光栅与金属丝紧密贴合，使光纤布拉格光栅的微应变与金属丝的微应变一致；

2.通过光栅的反射中心波长的变化来测量金属丝的应变，进而分析出杨氏模量，可以极大地提高了测量精度，解决了现有测量杨氏模量装置测量精度不高的问题；

3.通过增加或减少砝码来改变拉力大小，可以直观地看出拉力的变化；也可以快捷地进行多次测量，从而减少误差，进一步提高精度。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图中标号：1宽带光源；2光谱分析仪；3环形器；3.1第一端口；3.2第二端口；3.3第三端口；4热缩管；5布拉格光栅；6金属丝；7增重码；8悬挂装置；8.1挂杆；8.2支撑杆；8.3底座。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型作进一步说明。

基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置，包括宽带光源1、光谱分析仪2、环形器3、2根热缩管4、金属丝6、布拉格光栅5、增重码7、挂杆8.1、支撑杆8.2和底座8.3，如图1所示。

宽带光源1使用浩源光电的型号为HY-ASE-C-G-13-B-FA的宽带光源1，它具有价格便宜，使用寿命长的优点，也可以根据用户需要进行调节光源的功率，可以更好满足人们的需要，宽带光源1的输出端与环形器3的第一端口连接，如图1所示。

光谱分析仪2使用型号为为OSA或AQ6370C的光谱分析仪，可以清楚的在屏幕上进行分析反射波中心波长漂移量与拉力的关系，可以通过电子测距来进行测量，大大的提高了测量进度，可以很好的提高杨氏模量的测量，光谱分析仪2的输入端与环形器3的第三端口连接，如图1所示。

环形器3是光纤应用领域最常见的一种器件，它具有3个端口，第一端口3.1与宽带光源1连接，第二端口3.2与布拉格光栅5连接，第三端口3.2与光谱分析仪2连接。

布拉格光栅5通过热缩管与金属丝6紧密贴合在一起；布拉格光栅5放置于2根热缩管4间；金属丝6的正下方连接有增重码7，挂盘的竖直中心线与金属丝6重合，增重码7包括挂盘和砝码，挂盘悬挂在金属丝6下；砝码放置在挂盘，根据需要来进行增减砝码，改变拉力，进一步分析反射光波中波长的变化，进而分析出杨氏模量，金属丝6的上方固定在挂杆一端，挂杆水平放置，且一端悬挂金属丝6，另一端与支撑杆一端垂直连接；支撑杆竖直放置，支撑杆另一端与底座连接；底座水平设置，使该测量装置更加牢固，更好移动，提高该测量装置的移动性。

布拉格光栅5与金属丝6取相同长度拉直紧密贴合在一起，两端分别用2根热缩管4进行热缩固定；金属丝6一端挂在挂杆8.1上，再通过轻质托盘用不同的砝码对待测金属丝6进行负荷使其发生不同程度的拉伸；用宽带光源1输出的连续光通过环形器3的第一端口后，再由第二端口注入到布拉格光栅5内，而携带拉伸形变信息的布拉格光栅5反射光经环形器3的第二端口输出，由环形器3的第三端口输入光谱分析仪2，光谱分析仪2记录下经过布拉格光栅5的不同程度的拉伸对应的反射光谱，用户可以根据光谱进行分析，用现有的静态法算出杨氏模量。

首先需要研究布拉格光栅5反射中心波长与待测金属丝6所受不同负荷的关系，再进一步分析出杨氏模量。待测金属丝6为钼丝，其他金属也可以，该实施例用钼丝作为介绍，其长1.00m，可以满足人们做多次实验所需的长度，直径为0.18mm,当直径过大时，所加的力也要非常大才会发生形变，所以直径为0.18mm比较适合实验所需，布拉格光栅5为单模光栅，其应变传递率能达到99.8％。所加外力F加载位置为挂盘的中心。将反射中心波长为1549.934nm的布拉格光栅5用热缩管固定在钼丝中心，施加拉力通过逐增砝码实现，每次逐增步长为1.96N，一直增至13.72N，然后卸载至零。每次加载砝码待丝稳定后由光谱分析仪2记录布拉格光栅5反射谱，实验室温度约为25℃且由空调控制，整个实验过程时间较短，这期间的环境温度变化非常小，因此实验中温度对布拉格光栅5反射中心波长的影响可以忽略。

以上已对本实用新型创造的较佳实施例进行了具体说明，但本实用新型并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围内。

Claims (4)

1.基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置，其特征在于：包括宽带光源(1)、光谱分析仪(2)、环形器(3)、2根热缩管(4)、布拉格光栅(5)、金属丝(6)、增重码(7)和悬挂装置(8)；

布拉格光栅(5)与金属丝(6)取相同长度一段拉直紧密贴合在一起，两端分别用2根热缩管(4)进行热缩固定；金属丝(6)一端挂在悬挂装置(8)上；金属丝(6)另一端悬挂增重码(7)；布拉格光栅(5)的输入端和输出端均与环形器(3)的第二端口(3.2)连接；宽带光源(1)的输出端与环形器(3)的第一端口(3.1)连接；光谱分析仪(2)的输入端与环形器(3)的第三端口(3.3)连接。

2.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置，其特征在于：所述增重码(7)包括挂盘和砝码，挂盘悬挂在金属丝(6)下方；砝码放置在挂盘。

3.根据权利要求2所述的基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置，其特征在于：所述挂盘的竖直中心线与金属丝(6)重合。

4.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的杨氏模量测量装置，其特征在于：所述悬挂装置(8)包括挂杆(8.1)、支撑杆(8.2)和底座(8.3)，挂杆(8.1)水平放置，且一端悬挂金属丝(6)，另一端与支撑杆(8.2)一端垂直连接固定；支撑杆(8.2)竖直放置，支撑杆(8.2)另一端与底座(8.3)连接；底座(8.3)水平设置。