本發(fā)明涉及一種光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光纖光柵是具有里程碑意義的一種光纖無(wú)源器件，因其抗電磁干擾、耐腐蝕、高絕緣性、測(cè)量參量廣、便于復(fù)用組網(wǎng)、可微型化等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展非常迅速，已在電子信息、航空航天、材料與化工、建筑與環(huán)境、地下管網(wǎng)、能源以及軍事國(guó)防等領(lǐng)域獲得了重要應(yīng)用。

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，光纖光柵傳感器大量用于應(yīng)變參數(shù)的監(jiān)測(cè)。目前，通常采用金屬封裝后的光纖光柵傳感器粘貼或焊接在結(jié)構(gòu)的表面，或直接采用光纖光柵埋植于復(fù)合材料對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但目前此兩種方式的應(yīng)變測(cè)量靈敏度只能按供貨商提供的系數(shù)或理論值，屬通用系數(shù)，精確度低。

到目前為止，對(duì)于光線光柵應(yīng)變傳感器靈敏度的標(biāo)定還沒(méi)有一種即可靠又比較精確的標(biāo)定方法，而精確的靈敏度是保證測(cè)量結(jié)果的精確性和可重復(fù)性的重要參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種利用等強(qiáng)度懸臂梁進(jìn)行光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞壽命檢測(cè)的方法，所述方法包括如下步驟：

a)搭建所述測(cè)試系統(tǒng)，依次連接寬帶光源，光環(huán)形器，光纖光柵解調(diào)儀，單模光纖，布拉格光纖光柵傳感器，光纖，電阻應(yīng)變片，夾具，等強(qiáng)度懸臂梁和應(yīng)變采集設(shè)備，其中，

所述寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)所述單模光纖與所述光環(huán)行器的第一端口相連，所述寬帶光源發(fā)出的光通過(guò)所述單模光纖跳線傳輸至所述光環(huán)行器的第二端口，經(jīng)過(guò)與之相連的布拉格光纖光柵傳感器的反射后，具有特定中心波長(zhǎng)的反射光再次進(jìn)入所述光環(huán)形器的第二端口，該反射光從所述光環(huán)行器的第三端口出射，進(jìn)入所述光纖光柵解調(diào)儀；

b)通過(guò)直線促動(dòng)器向所述等強(qiáng)度懸臂梁上施加負(fù)載以造成等強(qiáng)度懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)變；

c)通過(guò)所述電阻應(yīng)變片采集測(cè)得所述應(yīng)變片電阻變化大小，輸出到應(yīng)變采集設(shè)備，并轉(zhuǎn)換為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值；

d)通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀計(jì)算讀取所述等強(qiáng)度懸臂梁產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)斐傻乃霾祭窆饫w光柵傳感器的反射光發(fā)生的峰值平移；

e)計(jì)算出懸臂梁應(yīng)變與布拉格光纖光柵傳感器的反射光發(fā)生峰值平移之間的關(guān)系，從而計(jì)算出布拉格光纖光柵傳感器的應(yīng)變程度，實(shí)現(xiàn)所述布拉格光纖光柵傳感器的標(biāo)定與疲勞檢測(cè)。

優(yōu)選地，所述布拉格光纖光柵傳感器其波長(zhǎng)范圍為1525-1565nm。

優(yōu)選地，所述布拉格光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)解調(diào)分辨率為1pm。

優(yōu)選地，所述寬帶光源的波長(zhǎng)處于c波段或者c+l波段。

優(yōu)選地，所述應(yīng)變片是由敏感柵構(gòu)成。

優(yōu)選地，所述應(yīng)變采集測(cè)得所述應(yīng)變片電阻變化大小，并轉(zhuǎn)換為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。

優(yōu)選地，所述關(guān)系曲線通過(guò)線性擬合或最小二乘擬合得到。

優(yōu)選地，當(dāng)進(jìn)行疲勞壽命檢測(cè)時(shí)，通過(guò)直線促動(dòng)器對(duì)所述等強(qiáng)度懸臂梁實(shí)施循環(huán)加載，觀察光纖光柵解調(diào)儀中反射光譜中心波長(zhǎng)的偏移情況，判斷其疲勞極限。

根據(jù)本發(fā)明的利用等強(qiáng)度懸臂梁進(jìn)行光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞壽命檢測(cè)的方法，對(duì)于光線光柵應(yīng)變傳感器靈敏度的標(biāo)定可以實(shí)現(xiàn)可靠又比較精確的標(biāo)定方法，其精確的靈敏度保證了測(cè)量結(jié)果的精確性和可重復(fù)性。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說(shuō)明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出了本發(fā)明的光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞壽命檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2示出了本發(fā)明的光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞壽命檢測(cè)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)放大圖。

圖3示出了激光輸出縱模漂移的變化隨撓度y的變化的波形圖。

具體實(shí)施方式

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

針對(duì)本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。

本發(fā)明提供了一種利用等強(qiáng)度懸臂梁進(jìn)行光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞壽命檢測(cè)系統(tǒng)，采用等強(qiáng)度懸臂梁對(duì)光纖光柵施加載荷或者是循環(huán)載荷，可同時(shí)完成光纖光柵應(yīng)變傳感器的標(biāo)定和疲勞壽命檢測(cè)兩大功能。對(duì)光纖光柵傳感器的封裝工藝、測(cè)量精度、使用壽命壽命等方面具有重要意義。

圖1示出了本發(fā)明的光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞壽命檢測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主視圖。根據(jù)本發(fā)明的一種光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞壽命檢測(cè)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)100包括：寬帶光源101，光環(huán)形器102，光纖光柵解調(diào)儀103，單模光纖104，布拉格光纖光柵(fbg)傳感器105，光纖106，電阻應(yīng)變片107，夾具108，等強(qiáng)度懸臂梁109和應(yīng)變采集設(shè)備110。

具體地，寬帶光源101發(fā)出的光經(jīng)過(guò)單模光纖104與光環(huán)行器102的1端口相連，所述寬帶光源101發(fā)出的光通過(guò)單模光纖跳線傳輸至光環(huán)行器2的輸入端口，經(jīng)過(guò)與之相連的fbg傳感器105的反射后，具有特定中心波長(zhǎng)的反射光再次進(jìn)入環(huán)形器的2端口，該反射光只能從光環(huán)行器102的3端口出射，隨后光進(jìn)入光纖光柵解調(diào)儀103中。光纖光柵解調(diào)儀103將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行尋峰處理，由光強(qiáng)信號(hào)與光電探測(cè)器的像素對(duì)應(yīng)關(guān)系，由計(jì)算機(jī)處理后獲得發(fā)射光譜的中心波長(zhǎng)，最終在工控計(jì)算機(jī)中完成解調(diào)并顯示。

通過(guò)直線促動(dòng)器向在等強(qiáng)度懸臂梁109上施加負(fù)載以造成等強(qiáng)度懸臂梁109產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)電阻應(yīng)變片107采集測(cè)得所述應(yīng)變片電阻變化大小，輸出到應(yīng)變采集設(shè)備110，并轉(zhuǎn)換為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。同時(shí)，等強(qiáng)度懸臂梁109產(chǎn)生應(yīng)變?cè)斐闪薴bg傳感器105的反射光發(fā)生峰值平移，即產(chǎn)生了中心波長(zhǎng)漂移量δλb，因此可以計(jì)算出懸臂梁應(yīng)變與fbg傳感器105的反射光發(fā)生峰值平移之間的關(guān)系，從而計(jì)算出fbg傳感器105的應(yīng)變程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)fbg傳感器的標(biāo)定與疲勞檢測(cè)。

所述光環(huán)行器102用于保證光纖中的信號(hào)光沿單一方向傳輸，fbg傳感器105反射回特定波長(zhǎng)的光并沿原路返回，經(jīng)fbg傳感器105反射后的光信號(hào)進(jìn)入光纖光柵解調(diào)裝置103中。

所述光纖光柵解調(diào)儀103用于將其輸入的反射光信號(hào)，由其內(nèi)部的光電探測(cè)器接收并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，該電信號(hào)經(jīng)由以太網(wǎng)或者usb傳輸線傳送至下位機(jī)，完成信號(hào)解調(diào)。

圖2示出了本發(fā)明的光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞壽命檢測(cè)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)放大圖。

如圖2所示，通過(guò)直線促動(dòng)器201向等強(qiáng)度懸臂梁109的一段施加振動(dòng)，使得等強(qiáng)度懸臂梁109產(chǎn)生應(yīng)變。將電阻應(yīng)變片107貼附在等強(qiáng)度懸臂梁109上，電阻應(yīng)變片107是用于測(cè)量應(yīng)變的元件，其粘貼在構(gòu)件的測(cè)點(diǎn)上，構(gòu)件受力后由于測(cè)點(diǎn)發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變片也隨之變形而使其電阻發(fā)生變化，再由所述應(yīng)變采集設(shè)備進(jìn)行采集。應(yīng)變采集設(shè)備110測(cè)得其電阻變化大小，并轉(zhuǎn)換為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。

優(yōu)選地，所述光纖光柵解調(diào)儀其波長(zhǎng)范圍為1525-1565nm，波長(zhǎng)解調(diào)分辨率為1pm。

優(yōu)選地，所述寬帶光源的波長(zhǎng)處于c波段或者c+l波段。

優(yōu)選地，所述應(yīng)變片是由敏感柵構(gòu)成。

設(shè)l、b、h分別為等強(qiáng)度懸臂梁109的梁長(zhǎng)、梁固定端寬度和厚度。懸臂梁受荷載p的作用而彎曲，當(dāng)撓度y不大時(shí)，等強(qiáng)度懸臂梁109的曲率半徑r可為一常量。根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，由荷載p、梁的性質(zhì)(楊氏模量e)及幾何尺寸，可求得等強(qiáng)度懸臂梁上各點(diǎn)的應(yīng)變?chǔ)艦椋?/p>

ε＝6lp/ebh²＝hy/l²(1)

布拉格中心波長(zhǎng)漂移量δλb與撓度y存在線性關(guān)系，該線性關(guān)系如圖3所示。圖3示出了激光輸出縱模漂移的變化隨撓度y的變化的波形圖。由若干組實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可采用最小二乘法擬合出布拉格中心波長(zhǎng)與撓度間的線性關(guān)系，進(jìn)而確定出fbg傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)kε。

記錄數(shù)據(jù)并擬合曲線進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。曲線擬合可采用線性擬合，如公式2所示。

δλb＝kεy+b(2)

電阻應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變主要是借助梁的形變引起粘貼在試件表面上應(yīng)變片電阻值的相對(duì)變化，通過(guò)應(yīng)變采集模塊直接讀出應(yīng)變值。fbg傳感器的應(yīng)變值可根據(jù)上述標(biāo)定實(shí)驗(yàn)后求得的應(yīng)變靈敏度系數(shù)和光纖光柵解調(diào)儀顯示的布拉格中心波長(zhǎng)間接計(jì)算而得。在等強(qiáng)度懸臂梁不同撓度條件下，比較兩者得到的一系列應(yīng)變值和理論值，分別求得兩種傳感器測(cè)量時(shí)的線性度，應(yīng)變靈敏度、測(cè)量精度、重復(fù)性和滯后性等參數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，當(dāng)利用圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞壽命檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)方法包括如下步驟：

a)搭建所述測(cè)試系統(tǒng)，依次連接寬帶光源，光環(huán)形器，光纖光柵解調(diào)儀，單模光纖，布拉格光纖光柵傳感器，光纖，電阻應(yīng)變片，夾具，等強(qiáng)度懸臂梁和應(yīng)變采集設(shè)備，其中，所述寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)所述單模光纖與所述光環(huán)行器的第一端口相連，所述寬帶光源發(fā)出的光通過(guò)所述單模光纖跳線傳輸至所述光環(huán)行器的第二端口，經(jīng)過(guò)與之相連的布拉格光纖光柵傳感器的反射后，具有特定中心波長(zhǎng)的反射光再次進(jìn)入所述光環(huán)形器的第二端口，該反射光從所述光環(huán)行器的第三端口出射，進(jìn)入所述光纖光柵解調(diào)儀；

b)通過(guò)直線促動(dòng)器向所述等強(qiáng)度懸臂梁上施加負(fù)載以造成等強(qiáng)度懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)變；

c)通過(guò)所述電阻應(yīng)變片采集測(cè)得所述應(yīng)變片電阻變化大小，輸出到應(yīng)變采集設(shè)備，并轉(zhuǎn)換為測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值；

d)通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀計(jì)算讀取所述等強(qiáng)度懸臂梁產(chǎn)生的應(yīng)變?cè)斐傻乃霾祭窆饫w光柵傳感器的反射光發(fā)生的峰值平移；

e)計(jì)算出懸臂梁應(yīng)變與布拉格光纖光柵傳感器的反射光發(fā)生峰值平移之間的關(guān)系，從而計(jì)算出布拉格光纖光柵傳感器的應(yīng)變程度，實(shí)現(xiàn)所述布拉格光纖光柵傳感器的標(biāo)定與疲勞檢測(cè)。

當(dāng)進(jìn)行疲勞壽命檢測(cè)時(shí)，通過(guò)工控電腦控制直線促動(dòng)器對(duì)等強(qiáng)度懸臂梁實(shí)施循環(huán)加載，觀察光纖光柵解調(diào)儀中反射光譜中心波長(zhǎng)的偏移情況，判斷其疲勞極限。應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

根據(jù)本發(fā)明的利用等強(qiáng)度懸臂梁進(jìn)行光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定與疲勞壽命檢測(cè)的方法，對(duì)于光線光柵應(yīng)變傳感器靈敏度的標(biāo)定可以實(shí)現(xiàn)可靠又比較精確的標(biāo)定方法，其精確的靈敏度保證了測(cè)量結(jié)果的精確性和可重復(fù)性。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。