CN211477029U - 光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光纤光栅传感监测技术领域，特别涉及到一种光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置。该测试装置包括：底座、支架、悬臂梁、光纤光栅传感解调仪、以及安装在悬臂梁上且经应力疲劳试验的光纤光栅应变传感器；支架竖直安装在所述底座上，支架的上部安装有与底座平行设置的悬臂梁；悬臂梁的一端安装有用于放置重量块的托盘；光纤光栅应变传感器的输出端与光纤光栅传感解调仪连接。与现有技术相比，该结构简单且设计合理，成本较低，极大的降低了实验费用，提高了应变疲劳极限传感寿命测试的效率；此外，可甄别已疲劳失效或将要疲劳失效的光纤光栅应变传感器，从而满足光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试。

Description

光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置

技术领域

本实用新型涉及光纤光栅传感监测技术领域，特别涉及到一种光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置。

背景技术

重要工程结构的老化伴随着结构智能化的发展趋势，使得结构健康监测得到越来越多的重视及发展。光纤光栅传感器具备优秀的抗电磁干扰、抗腐蚀能力，同时有绝缘性好、测量范围宽、便于复用成网、可微型化等优点，得到世界范围内的广泛关注，目前光纤光栅传感器在桥梁土木、石油化工、航空航天，船舶工业、电气等领域取得了广泛应用，被用于实时监测结构内部应变、应力、裂纹等参数评估结构损伤程度和服役状态，成为传感领域内发展最快的技术之一。

光纤光栅应变传感器的核心构件是一段刻有光栅的纤芯，纤芯质地非常脆，易发生折断，且需采用保护层包裹住纤芯。光纤光栅应变传感器在实际工程应用中，光纤光栅应变传感器长期处于较为恶劣的环境下，在长期的应力疲劳作用下不可避免的出现性能衰退，传感性能逐渐劣化，失去传感能力，甚至完全失效。因而传感器的可靠性及正常传感寿命是构建结构健康系统的关键问题之一。

目前国内围绕光纤光栅应变传感器应力疲劳失效问题研究主要以定性为主，即提出一些指标会在光纤光栅在应力疲劳作用下逐渐发生衰退。但没有一种科学完整的光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置，在工程应用中仍然无法确定光纤光栅应变传感器可靠传感的极限寿命，本实用新型旨在为光纤光栅应变传感器实际工程应用的极限寿命提供一种测试装置。

本实用新型内容

本实用新型针对现有技术中的不足，提供了一种光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置。该装置结构简单、设计合理，可满足光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试。

本实用新型采用如下技术方案：

一种光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置，该测试装置包括：底座、支架、悬臂梁、光纤光栅传感解调仪、以及安装在悬臂梁上且经应力疲劳试验的光纤光栅应变传感器；支架竖直安装在所述底座上，支架的上部安装有与底座平行设置的悬臂梁；悬臂梁的一端安装有用于放置重量块的托盘；且光纤光栅应变传感器的输出端与光纤光栅传感解调仪连接。

进一步的，底座的上表面为水平台面。

进一步的，悬臂梁为等强度悬臂梁。

进一步的，光纤光栅应变传感器设置两组，分别设置在悬臂梁的上表面以及下表面；每组分别设置多个间隔布置的光纤光栅应变传感器。

进一步的，光纤光栅应变传感器通过环氧树脂胶粘贴安装在悬臂梁上。

进一步的，重量块为砝码。

进一步的，光纤光栅应变传感器的输出端通过单模光纤与光纤光栅传感解调仪连接。

与现有技术相比，本实用新型获得的效果：结构简单且设计合理，成本较低，极大的降低了光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试的实验费用；一根悬臂梁上可同时安装多个传感器，提高了应变疲劳极限传感寿命测试的效率；此外，可甄别已疲劳失效或将要疲劳失效的光纤光栅应变传感器，从而满足光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型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的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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它附图。

图1是本实用新型的光纤光栅应变传感器应变疲劳极限寿命测试装置的结构示意图。

图2是本实用新型的光纤光栅应变传感器表面直接粘贴结构示意图。

图3是本实用新型的光纤光栅应变传感器布设方式示意图。

图4是本实用新型的光纤光栅应变传感器应变疲劳试验结构示意图。

图5是本实用新型的光纤光栅应变传感器应变传感监测结构示意图。

图6是本实用新型的光纤光栅应变传感器应变疲劳极限寿命评价标准图。

图中：底座101、支架102、悬臂梁103、光纤光栅应变传感器104、振动电机105、加速器电源106、铜芯电线107；光纤光栅传感解调仪201、重量块202、托盘203、单模光纤204。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型的保护范围。

下面结合附图1至附图6对本实用新型的具体实施例进行详细说明：

一种光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置，该测试装置包括：底座101、支架102、悬臂梁103、光纤光栅传感解调仪201、以及安装在悬臂梁103上且经应力疲劳试验的光纤光栅应变传感器104。其中，支架102竖直安装在底座101上，底座101的上表面为水平台面；支架102与底座101垂直设置，且支架102与底座101固定连接，由支架102与底座101构成该光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置的支撑结构。支架102的上部安装有与底座101平行设置的悬臂梁103，悬臂梁103的一端安装有用于放置重量块202的托盘203，如图5所示；且光纤光栅应变传感器104的输出端通过单模光纤204与光纤光栅传感解调仪201连接。此外，可在本实用新型的底座101上放置一平衡块，保持该光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置的平衡。

需要说明的，实现光纤光栅应变传感器104应力疲劳试验的方式有多种，本实施例中通过振动电机105，以及加速器电源106实现对光纤光栅应变传感器104的疲劳试验；具体的，在悬臂梁103的一端固定安装有振动电机105，且振动电机105通过铜芯电线107与加速器电源106连接；本实施例中的振动电机105为偏心振动电机。工作时，使振动电机105转动，悬臂梁103会产生振动，实现光纤光栅应变传感器104的加速应变疲劳试验，从而就达到了使光纤光栅应变传感器104中的光纤光栅发生周期性应力疲劳的目的，调节振动电机105转速就可以调节悬臂梁103表面的应变范围，即可调节振动的幅度及频率。当悬臂梁103发生共振时，应变幅度最大。实验以隔400万次循环为一个周期，停机测试传感器的应变传递系数。

而光纤光栅应变传感器104的作用是采集悬臂梁103上光纤光栅应变传感器104所在位置的应变变化量；光纤光栅传感解调仪201的功能是将光纤光栅应变传感器104感知的应变变化量解调为光纤光栅应变传感器104的中心波长数据，其型号为Si155。具体的，光纤光栅应变传感器104设置两组，分别设置在悬臂梁103的上表面以及下表面；每组分别设置多个间隔布置的光纤光栅应变传感器104，且该光纤光栅应变传感器104通过环氧树脂胶粘贴在悬臂梁103上，该悬臂梁103为等强度悬臂梁。本实施例中，每组分别设置两个间隔布置的光纤光栅应变传感器104，编号分别为FBG1、FBG2、FBG3、FBG4，波长分别为：FBG1：1530，FBG2：1558，FBG3：1569，FBG4：1530，并对这四支光纤光栅应变传感器进行应力疲劳试验。每隔400万个循环，停机测试传感器的应变传递系数。当要监测光纤光栅应变传感器应变传感数据时，安装光纤光栅传感解调仪201，将经应力疲劳试验后的光纤光栅应变传感器104的输出端与光纤光栅传感解调仪201连接，因本实施例中光纤光栅应变传感器的应力疲劳试验通过安装加速器电源106以及振动电机105实现，故需要在完成应力疲劳试验后关掉加速器电源106，卸掉振动电机105，并安装光纤光栅传感解调仪201，并将光纤光栅应变传感器104的输出端与光纤光栅传感解调仪201连接。

其中，FBG1和FBG2串接连接至光纤光栅传感解调仪201的4通道，FBG3和FBG4串接连接至光纤光栅传感解调仪201的3通道。并在悬臂梁的一端吊装一个托盘203，在托盘203上加载和卸载，算出悬臂梁表面的理论应变，读取光纤光栅传感解调仪201测得的中心波长，即可画出光纤光栅传感特性曲线。在本实验中，考虑到等强度悬臂梁在大应变时的非线性，每次加载量为200g，加载5次，直到加载到1kg为止(对应的应变分别为47.1με、94.7με、141.7με、188.6με、235.3με)，并连续测量两个来回的数据，平均后画出横坐标为等强度悬臂梁应变、纵坐标为光纤光栅中心波长的传感特性曲线。试验直至光纤光栅应变传感器104失效为止。此外，重量块202可用砝码代替，选取方便。需要说明的是，连续测量两个来回的数据，包括加载与卸载各一次，测量两次为了取均值，增加试验精度。

根据实验结果可将光纤光栅应变传感器104分为三类，如图6所示。1)完全失去传感能力的光纤光栅，即解调不出中心波长以及解调出的中心波长明显不对。2)传感数据不可靠的光纤光栅，即虽然能解调出中心波长，但是在相同测试条件下，不同疲劳次数测得的灵敏度变化较大，使得传感数据不可靠。3)正常工作的光纤光栅，不同疲劳次数，相同测试条件下测得的灵敏度基本不变，此时，传感器归为正常工作的一类。

当疲劳次数至上亿次时，光纤光栅应变传感器应变传递系数急剧下降，随着疲劳次数的继续增加，光纤光栅应变传感器的应变传递系数也在不断减小。经过多次实验总结出“光纤光栅应变传感器正常与失效分界线”，该分界线以满度相对误差变化4％作为阈值，在此线之上表示光纤光栅应变传感器已失效，在此线之下表示光纤光栅应变传感器仍能正常工作。即当光纤光栅应变传感器应变传递相对误差变化到到4％时，即可测出光纤光栅应变传感器的应力疲劳极限传感寿命。

本实用新型的一个具体实施方法，首先将1.2m的等强度悬臂梁放置在试验台上，用医用酒精将等强度悬臂梁梁面擦拭干净，待自然风干。再将两个不同波长的光纤光栅应变传感器104用光纤熔接机串接，因光纤光栅FBG为单端测量，故只需在一端熔接跳线。接着，用环氧树脂胶将光纤光栅应变传感器104粘贴在等强度悬臂梁的表面，在等强度悬臂梁上间隔布设四个光纤光栅应变传感器104；在等强度悬臂梁上安装振动电机105，待振动400万次后，拆下振动电机105，完成纤光栅应变传感器104的应变疲劳试验。然后将经应变疲劳试验的光纤光栅应变传感器104的输出端与光纤光栅传感解调仪201连接；并在等强度悬臂梁的一端吊装一个托盘203，在托盘203上加载和卸载，算出等强度悬臂梁表面的理论应变，读取光纤光栅传感解调仪201测得的中心波长，即可画出光纤光栅传感特性曲线。

本实用新型中寿命测试装置结构简单且设计合理，成本较低，极大的降低了光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试的实验费用；一根悬臂梁上可同时安装多个传感器，提高了应变疲劳极限传感寿命测试的效率，可满足光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试。

实际工程应用中，光纤光栅应变传感器长期工作在变载荷环境中，应力疲劳作用使得它反射光谱发生畸变，严重影响着光纤光栅应变传感能力。因此，通过本实用新型可甄别已疲劳失效或将要疲劳失效的光纤光栅应变传感器，为光纤光栅应变传感器实际工程应用的极限寿命提供一种测试装置。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型，因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置，其特征在于：该测试装置包括：底座、支架、悬臂梁、光纤光栅传感解调仪、以及安装在所述悬臂梁上且经应力疲劳试验的光纤光栅应变传感器；

其中，所述支架竖直安装在所述底座上，所述支架的上部安装有与所述底座平行设置的悬臂梁；所述悬臂梁的一端安装有用于放置重量块的托盘；且所述光纤光栅应变传感器的输出端与所述光纤光栅传感解调仪连接。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置，其特征在于：所述底座的上表面为水平台面。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置，其特征在于：所述悬臂梁为等强度悬臂梁。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器设置两组，分别设置在所述悬臂梁的上表面以及下表面；每组分别设置多个间隔布置的光纤光栅应变传感器。

5.根据权利要求4所述的光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器通过环氧树脂胶粘贴安装在所述悬臂梁上。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置，其特征在于：所述重量块为砝码。

7.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器应变疲劳极限传感寿命测试装置，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器的输出端通过单模光纤与所述光纤光栅传感解调仪连接。

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