一種光纖光柵應變傳感器標定與疲勞檢測系統的製作方法
2023-06-20 15:04:16 3
本發明涉及一種光纖光柵應變傳感器標定與疲勞檢測系統。
背景技術：
光纖光柵是具有裡程碑意義的一種光纖無源器件，因其抗電磁幹擾、耐腐蝕、高絕緣性、測量參量廣、便於復用組網、可微型化等獨特的優點，發展非常迅速，已在電子信息、航空航天、材料與化工、建築與環境、地下管網、能源以及軍事國防等領域獲得了重要應用。
在結構健康監測領域，光纖光柵傳感器大量用於應變參數的監測。目前，通常採用金屬封裝後的光纖光柵傳感器粘貼或焊接在結構的表面，或直接採用光纖光柵埋植於複合材料對結構的應變狀態進行監測。但目前此兩種方式的應變測量靈敏度只能按供貨商提供的係數或理論值，屬通用係數，精確度低。
到目前為止，對於光線光柵應變傳感器靈敏度的標定還沒有一種即可靠又比較精確的標定方法，而精確的靈敏度是保證測量結果的精確性和可重複性的重要參數。
技術實現要素：
根據本發明的一個方面，提供了一種利用等強度懸臂梁進行光纖光柵應變傳感器標定與疲勞壽命檢測的方法，所述方法包括如下步驟：
a)搭建所述測試系統，依次連接寬帶光源，光環形器，光纖光柵解調儀，單模光纖，布拉格光纖光柵傳感器，光纖，電阻應變片，夾具，等強度懸臂梁和應變採集設備，其中，
所述寬帶光源發出的光經過所述單模光纖與所述光環行器的第一埠相連，所述寬帶光源發出的光通過所述單模光纖跳線傳輸至所述光環行器的第二埠，經過與之相連的布拉格光纖光柵傳感器的反射後，具有特定中心波長的反射光再次進入所述光環形器的第二埠，該反射光從所述光環行器的第三埠出射，進入所述光纖光柵解調儀；
b)通過直線促動器向所述等強度懸臂梁上施加負載以造成等強度懸臂梁產生應變；
c)通過所述電阻應變片採集測得所述應變片電阻變化大小，輸出到應變採集設備，並轉換為測點的應變值；
d)通過光纖光柵解調儀計算讀取所述等強度懸臂梁產生的應變造成的所述布拉格光纖光柵傳感器的反射光發生的峰值平移；
e)計算出懸臂梁應變與布拉格光纖光柵傳感器的反射光發生峰值平移之間的關係，從而計算出布拉格光纖光柵傳感器的應變程度，實現所述布拉格光纖光柵傳感器的標定與疲勞檢測。
優選地，所述布拉格光纖光柵傳感器其波長範圍為1525-1565nm。
優選地，所述布拉格光纖光柵傳感器的波長解調解析度為1pm。
優選地，所述寬帶光源的波長處於c波段或者c+l波段。
優選地，所述應變片是由敏感柵構成。
優選地，所述應變採集測得所述應變片電阻變化大小，並轉換為測點的應變值。
優選地，所述關係曲線通過線性擬合或最小二乘擬合得到。
優選地，當進行疲勞壽命檢測時，通過直線促動器對所述等強度懸臂梁實施循環加載，觀察光纖光柵解調儀中反射光譜中心波長的偏移情況，判斷其疲勞極限。
根據本發明的利用等強度懸臂梁進行光纖光柵應變傳感器標定與疲勞壽命檢測的方法，對於光線光柵應變傳感器靈敏度的標定可以實現可靠又比較精確的標定方法，其精確的靈敏度保證了測量結果的精確性和可重複性。
應當理解，前述大體的描述和後續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，並不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。
附圖說明
參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下描述得以闡明，其中：
圖1示出了本發明的光纖光柵應變傳感器標定與疲勞壽命檢測系統的系統結構圖；
圖2示出了本發明的光纖光柵應變傳感器標定與疲勞壽命檢測系統的具體結構放大圖。
圖3示出了雷射輸出縱模漂移的變化隨撓度y的變化的波形圖。
具體實施方式
在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
通過參考示範性實施例，本發明的目的和功能以及用於實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發明並不受限於以下所公開的示範性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。
針對本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
本發明提供了一種利用等強度懸臂梁進行光纖光柵應變傳感器標定與疲勞壽命檢測系統，採用等強度懸臂梁對光纖光柵施加載荷或者是循環載荷，可同時完成光纖光柵應變傳感器的標定和疲勞壽命檢測兩大功能。對光纖光柵傳感器的封裝工藝、測量精度、使用壽命壽命等方面具有重要意義。
圖1示出了本發明的光纖光柵應變傳感器標定與疲勞壽命檢測系統的系統結構主視圖。根據本發明的一種光纖光柵應變傳感器標定與疲勞壽命檢測系統，所述系統100包括：寬帶光源101，光環形器102，光纖光柵解調儀103，單模光纖104，布拉格光纖光柵(fbg)傳感器105，光纖106，電阻應變片107，夾具108，等強度懸臂梁109和應變採集設備110。
具體地，寬帶光源101發出的光經過單模光纖104與光環行器102的1埠相連，所述寬帶光源101發出的光通過單模光纖跳線傳輸至光環行器2的輸入埠，經過與之相連的fbg傳感器105的反射後，具有特定中心波長的反射光再次進入環形器的2埠，該反射光只能從光環行器102的3埠出射，隨後光進入光纖光柵解調儀103中。光纖光柵解調儀103將光信號轉換成電信號進行尋峰處理，由光強信號與光電探測器的像素對應關係，由計算機處理後獲得發射光譜的中心波長，最終在工控計算機中完成解調並顯示。
通過直線促動器向在等強度懸臂梁109上施加負載以造成等強度懸臂梁109產生應變，通過電阻應變片107採集測得所述應變片電阻變化大小，輸出到應變採集設備110，並轉換為測點的應變值。同時，等強度懸臂梁109產生應變造成了fbg傳感器105的反射光發生峰值平移，即產生了中心波長漂移量δλb，因此可以計算出懸臂梁應變與fbg傳感器105的反射光發生峰值平移之間的關係，從而計算出fbg傳感器105的應變程度，進而實現fbg傳感器的標定與疲勞檢測。
所述光環行器102用於保證光纖中的信號光沿單一方向傳輸，fbg傳感器105反射回特定波長的光並沿原路返回，經fbg傳感器105反射後的光信號進入光纖光柵解調裝置103中。
所述光纖光柵解調儀103用於將其輸入的反射光信號，由其內部的光電探測器接收並將其轉化成電信號，該電信號經由乙太網或者usb傳輸線傳送至下位機，完成信號解調。
圖2示出了本發明的光纖光柵應變傳感器標定與疲勞壽命檢測系統的具體結構放大圖。
如圖2所示，通過直線促動器201向等強度懸臂梁109的一段施加振動，使得等強度懸臂梁109產生應變。將電阻應變片107貼附在等強度懸臂梁109上，電阻應變片107是用於測量應變的元件，其粘貼在構件的測點上，構件受力後由於測點發生應變，應變片也隨之變形而使其電阻發生變化，再由所述應變採集設備進行採集。應變採集設備110測得其電阻變化大小，並轉換為測點的應變值。
優選地，所述光纖光柵解調儀其波長範圍為1525-1565nm，波長解調解析度為1pm。
優選地，所述寬帶光源的波長處於c波段或者c+l波段。
優選地，所述應變片是由敏感柵構成。
設l、b、h分別為等強度懸臂梁109的梁長、梁固定端寬度和厚度。懸臂梁受荷載p的作用而彎曲，當撓度y不大時，等強度懸臂梁109的曲率半徑r可為一常量。根據材料力學知識，由荷載p、梁的性質(楊氏模量e)及幾何尺寸，可求得等強度懸臂梁上各點的應變ε為：
ε＝6lp/ebh2＝hy/l2(1)
布拉格中心波長漂移量δλb與撓度y存在線性關係，該線性關係如圖3所示。圖3示出了雷射輸出縱模漂移的變化隨撓度y的變化的波形圖。由若干組實測實驗數據，即可採用最小二乘法擬合出布拉格中心波長與撓度間的線性關係，進而確定出fbg傳感器的應變靈敏度係數kε。
記錄數據並擬合曲線進行標定，標定結構示意圖如圖5所示。曲線擬合可採用線性擬合，如公式2所示。
δλb＝kεy+b(2)
電阻應變片測量應變主要是藉助梁的形變引起粘貼在試件表面上應變片電阻值的相對變化，通過應變採集模塊直接讀出應變值。fbg傳感器的應變值可根據上述標定實驗後求得的應變靈敏度係數和光纖光柵解調儀顯示的布拉格中心波長間接計算而得。在等強度懸臂梁不同撓度條件下，比較兩者得到的一系列應變值和理論值，分別求得兩種傳感器測量時的線性度，應變靈敏度、測量精度、重複性和滯後性等參數。
根據本發明的另一方面，當利用圖1所示的系統進行光纖光柵應變傳感器標定與疲勞壽命檢測時，檢測方法包括如下步驟：
a)搭建所述測試系統，依次連接寬帶光源，光環形器，光纖光柵解調儀，單模光纖，布拉格光纖光柵傳感器，光纖，電阻應變片，夾具，等強度懸臂梁和應變採集設備，其中，所述寬帶光源發出的光經過所述單模光纖與所述光環行器的第一埠相連，所述寬帶光源發出的光通過所述單模光纖跳線傳輸至所述光環行器的第二埠，經過與之相連的布拉格光纖光柵傳感器的反射後，具有特定中心波長的反射光再次進入所述光環形器的第二埠，該反射光從所述光環行器的第三埠出射，進入所述光纖光柵解調儀；
b)通過直線促動器向所述等強度懸臂梁上施加負載以造成等強度懸臂梁產生應變；
c)通過所述電阻應變片採集測得所述應變片電阻變化大小，輸出到應變採集設備，並轉換為測點的應變值；
d)通過光纖光柵解調儀計算讀取所述等強度懸臂梁產生的應變造成的所述布拉格光纖光柵傳感器的反射光發生的峰值平移；
e)計算出懸臂梁應變與布拉格光纖光柵傳感器的反射光發生峰值平移之間的關係，從而計算出布拉格光纖光柵傳感器的應變程度，實現所述布拉格光纖光柵傳感器的標定與疲勞檢測。
當進行疲勞壽命檢測時，通過工控電腦控制直線促動器對等強度懸臂梁實施循環加載，觀察光纖光柵解調儀中反射光譜中心波長的偏移情況，判斷其疲勞極限。應當理解，前述大體的描述和後續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，並不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。
根據本發明的利用等強度懸臂梁進行光纖光柵應變傳感器標定與疲勞壽命檢測的方法，對於光線光柵應變傳感器靈敏度的標定可以實現可靠又比較精確的標定方法，其精確的靈敏度保證了測量結果的精確性和可重複性。
結合這裡披露的本發明的說明和實踐，本發明的其他實施例對於本領域技術人員都是易於想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發明的真正範圍和主旨均由權利要求所限定。