CN212007108U - 一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置 - Google Patents
一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN212007108U CN212007108U CN202020885049.0U CN202020885049U CN212007108U CN 212007108 U CN212007108 U CN 212007108U CN 202020885049 U CN202020885049 U CN 202020885049U CN 212007108 U CN212007108 U CN 212007108U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- coating
- beam structure
- coating thickness
- sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices Characterised By Use Of Acoustic Means (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，整个装置由激光器、光纤环形器、光纤涂层测厚传感头、光电探测器和中控单元构成；当光纤涂层测厚传感头垂直贴合被测钢表面时，PZT发出的单频超声波在被测涂层上下表面发生两次反射，获得两路不同声压的超声波，导致基于光纤简支梁结构形成的F‑P腔干涉传感器的输出光强发生变化，通过光电探测器监测光强的变化可以反推出涂层厚度；本实用新型的优点在于：利用了光纤干涉传感器的高精度和超声波穿透性强的特点，克服了传统测厚的低精度和光纤传感器无法用于非透明涂层厚度测量的缺点。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域和涂层厚度测量领域，具体涉及一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置。
背景技术
钢表面的涂层有着多种不同的作用，比如防火，抗腐蚀等，钢表面的涂层性能随着其厚度增加而提升，但两者并不是绝对的线性关系，而是存在一个极限值，超过这个极限值，涂层厚度再增加钢结构的性能几乎保持不变，但厚度过小又起不到应有的保护作用，所以钢表面涂层厚度的测量对提高钢结构的整体性能有着至关重要的作用。
传统涂层测厚仪对工件涂层厚度的测量多采用超声波、磁性及涡流等电子测量方式，这些设备存在结构较复杂、测量精度较低、抗电磁干扰弱，测量范围较小等缺陷。随着光纤传感技术的快速发展，基于干涉原理的光纤F-P传感器由于其体积小、精度高、响应速度快等优点使得其在涂层测厚方面得到了高度关注。
实用新型内容
针对传统钢表面厚度测量的缺陷及光纤F-P结构的优点，本实用新型提供了一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，采用光纤F-P传感器作为超声波接收器，以输出光谱强度随超声波强度的变化而高灵敏变化的特征，对钢表面的涂层厚度进行精确的测量。
本实用新型通过以下技术方案实现：
一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，由激光器(1)、中控单元(2)、光纤环形器(3)、光电探测器(4)、光纤涂层测厚传感头(5)组成；其特征在于：光纤涂层测厚传感头(5)包括有超声波发生器(6)、光纤F-P传感器(7)；激光器(1)的输出端与光纤环形器(3)的输入端相连，光纤环形器(3)的第一输出端与光纤涂层测厚传感头(5)的输入端相连，光纤环形器(3)的第二输出端与光电探测器(4)的输入端相连，光电探测器(4)的输出端与中控单元(2)的输入端相连。
所述光纤涂层测厚传感头(5)内的超声波发生器(6)与光纤F-P传感器(7)并列且端面在同一水平面内。
所述光纤F-P传感器(7)用作超声波的接收装置，其由单模光纤(7-1)、陶瓷套圈(7-2)和弹性薄膜(7-3)组成，弹性薄膜(7-3)厚度不超过0.13μm且两端固定于陶瓷套圈(7-2)形成简支梁结构。
所述超声波发生器(6)发射单频纵波，其发射的超声波频率由被测试件的涂层材料性质决定，可以根据被测试件进行超声波频率的调节。
所述光纤F-P传感器(7)的弹性薄膜(7-3)选用低杨氏模量的薄膜，例如PDMS薄膜或者硅膜等。
本实用新型的工作原理是：
当超声波在钢表面被测的涂层中传播时，超声波的能量会由于扩散、吸收散射等因素发生衰减，其声压的变化量ΔP可表示为：
式中：Ph为距声源2h处的声压，P0为初始声压，α为衰减系数，h为涂层厚度。
当经过涂层衰减后的超声波作用于光纤F-P传感器时，其中的简支梁结构膜片在超声波声压的作用下发生形变，其形变量δ与声压变化量ΔP的关系表示如下：
式中：式中t为薄膜厚度，E为薄膜材料的杨氏弹性模量，a为矩形短边边长，σ0为初始预应力，v为泊松比，δ为中心形变。
而简支梁结构膜片的形变导致光纤F-P传感器的腔长发生相应变化，从而导致光纤F-P腔输出光谱强度IR发生变化，表示为：
其中
式中：R为反射率，λ为入射光波长，I0为入射光强，
为光学相位，n0为腔内介质的折射率，L为F-P腔长度。
光纤F-P传感器输出光谱强度IR的变化进入光电探测器后，转变成光电探测器输出电信号Uo的转化，其表达式如下：
Uo＝S·IR·Rload (6)
式中：S为光电灵敏度，Rload为光电探测器的等效负载。
由公式(6)可知光电探测器的输出电压变化ΔU0正比于F-P传感器输出光谱强度的波动ΔIR，其波动由超声波声压变化ΔP带来的简支梁结构薄膜的形变Δδ导致，而被测涂层的厚度h正是导致超声波声压变化的根本，因此可以通过测量光电探测器输出电压的变化来反推出被测钢表面涂层的厚度。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型将光纤F-P传感器的弹性薄膜设计成简支梁结构，在接收到涂层反射的超声波时，能高灵敏的感知超声波的变化，并转变成光纤F-P传感器输出光信号的变化，光电探测器把光信号的变化转变成电信号的变化并由中控单元计算出来。该涂层测厚装置结构简单，操作方便，精度高，避免了传统设备的精度低、抗电磁干扰能力弱等缺点，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置的结构示意图。
图2是光纤涂层测厚传感头的结构示意图。
图3是光纤F-P传感器的正视图和侧视图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进一步描述。
如图1所示，一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，由激光器(1)、中控单元(2)、光纤环形器(3)、光电探测器(4)、光纤涂层测厚传感头(5)组成；其特征在于：光纤涂层测厚传感头(5)包括有超声波发生器(6)、光纤F-P传感器(7)；激光器(1)的输出端与光纤环形器(3)的输入端相连，光纤环形器(3)的第一输出端与光纤涂层测厚传感头(5)的输入端相连，光纤环形器(3)的第二输出端与光电探测器(4)的输入端相连，光电探测器(4)的输出端与中控单元(2)的输入端相连。上述的光纤涂层测厚传感头(5)内的超声波发生器(6)与光纤F-P传感器(7)并列且端面在同一水平面内。上述的光纤-P传感头(7)用作超声波的接收装置，其由单模光纤(7-1)、陶瓷套圈(7-2)和弹性薄膜(7-3)组成，弹性薄膜(7-3)厚度不超过0.13μm且两端固定于陶瓷套圈(7-2)形成简支梁结构。上述的超声波发生器(6)发射单频纵波，其发射的超声波频率由被测试件的涂层材料性质决定，可以根据被测试件进行超声波频率的调节。上述的光纤F-P传感器(7)的弹性薄膜(7-3)选用低杨氏模量的薄膜，例如PDMS薄膜或者硅膜等。
该方法通过将光纤F-P传感器的一个端面设计成基于弹性薄膜的简支梁结构，即陶瓷套圈端面不完全封闭形成开放腔，有效地提升了F-P传感器的响应灵敏度，能快速高精度的感知由钢表面涂层厚度所带来的超声波损耗，从而实现涂层厚度的高精度快速测量，该涂层测厚装置结构简单，操作方便，可用于工程建设等领域对钢结构的表面涂层厚度进行精确的测量。
Claims (5)
1.一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，由激光器(1)、中控单元(2)、光纤环形器(3)、光电探测器(4)、光纤涂层测厚传感头(5)组成；其特征在于：光纤涂层测厚传感头(5)包括有超声波发生器(6)、光纤F-P传感器(7)；激光器(1)的输出端与光纤环形器(3)的输入端相连，光纤环形器(3)的第一输出端与光纤涂层测厚传感头(5)的输入端相连，光纤环形器(3)的第二输出端与光电探测器(4)的输入端相连，光电探测器(4)的输出端与中控单元(2)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，其特征在于：光纤涂层测厚传感头(5)内的超声波发生器(6)与光纤F-P传感器(7)并列且端面在同一水平面内。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，其特征在于：光纤F-P传感器(7)用作超声波的接收装置，其由单模光纤(7-1)、陶瓷套圈(7-2)和弹性薄膜(7-3)组成，弹性薄膜(7-3)厚度不超过0.13μm且两端固定于陶瓷套圈(7-2)形成简支梁结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，其特征在于：超声波发生器(6)发射单频纵波，其发射的超声波频率由被测试件的涂层材料性质决定，可以根据被测试件进行超声波频率的调节。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，其特征在于：所述的光纤F-P传感器(7)的弹性薄膜(7-3)选用低杨氏模量的薄膜，例如PDMS薄膜或者硅膜等。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020885049.0U CN212007108U (zh) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | 一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202020885049.0U CN212007108U (zh) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | 一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN212007108U true CN212007108U (zh) | 2020-11-24 |
Family
ID=73418302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202020885049.0U Active CN212007108U (zh) | 2020-05-22 | 2020-05-22 | 一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN212007108U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113701647A (zh) * | 2020-05-22 | 2021-11-26 | 浙江中能工程检测有限公司 | 一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置 |
-
2020
- 2020-05-22 CN CN202020885049.0U patent/CN212007108U/zh active Active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113701647A (zh) * | 2020-05-22 | 2021-11-26 | 浙江中能工程检测有限公司 | 一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4342907A (en) | Optical sensing apparatus and method | |
| Rosolem et al. | Fiber optic bending sensor for water level monitoring: Development and field test: A review | |
| CN107515054B (zh) | 一种基于迈克尔逊干涉仪的光纤温度和折射率测量传感装置 | |
| CN206618529U (zh) | 一种简易反射式干涉型光纤气压传感器 | |
| CN206618528U (zh) | 一种基于多个法布里‑珀罗微腔的光纤气压传感装置 | |
| CN103697954B (zh) | 一种微腔干涉流速压差敏感结构及微腔干涉光纤流速流量传感器 | |
| CN103364370B (zh) | 基于环形腔衰落的环形芯光纤传感器 | |
| CN105051512B (zh) | 用于非接触压力测量的光学传感器 | |
| CN101303300A (zh) | 微型光纤f-p传感器及制作方法、基于传感器的液体测试仪 | |
| CN103148902A (zh) | 一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器 | |
| CN102003977A (zh) | 基于法布里－珀罗腔的多波长光纤传感器 | |
| CN104165684A (zh) | 基于表面等离子体共振的超灵敏度水听器 | |
| CN105277513B (zh) | 基于光纤微环的表面等离子体共振折射率传感器 | |
| CN212007108U (zh) | 一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置 | |
| Ding et al. | A low-flow fiber-optic flowmeter based on bending measuring using a cladding fiber bragg grating | |
| CN109916861A (zh) | 一种基于表面等离子共振的双d型光纤氢传感器 | |
| CN101614654A (zh) | 一种基于光单脉冲多次反射相干的光氢敏传感器 | |
| CN110530466B (zh) | 基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法 | |
| CN201828277U (zh) | 一种反射式光纤传感器装置 | |
| CN113701647A (zh) | 一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置 | |
| Liyun et al. | Optical fiber sensor determination of the water salinity based on surface plasmon resonance | |
| CN114486748B (zh) | 一种基于光纤的光声锂电池检测系统 | |
| WO2022166378A1 (zh) | 一种检测条纹对比度变化的迈克尔逊干涉光纤温度传感器 | |
| RU2457453C1 (ru) | Волоконно-оптический преобразователь давления | |
| Rodrigues et al. | Enhanced plastic optical fiber sensor for refractometry based on amplitude modulation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |