反射式光柵應變計的製作方法

2023-04-25 15:22:01

專利名稱：反射式光柵應變計的製作方法
技術領域：
本發明屬於傳感技術領域，特別涉及一種可重複使用的反射式光柵應變傳感器。
背景技術：
在各工程領域中，無論是科學研究實驗還是實際工程監測，應變(或應力)是反映結構狀態的一個至關重要的參數，準確地測量結構應變和長期動態的應變監測對科學實驗和工程安全至關重要。目前常用的應變測量方法主要有電測法、壓電法、振弦法和光測法。電測法是應用最廣泛的一種方法。最常見的電阻應變片，就是由敏感柵等構成用於測量應變的元件，它能將機械構件上應變的變化轉換為電阻變化，測定電阻變化值即可
算出相應的應變增量。其優點是解析度高、精度高、尺寸小、使用方便；不足之處在於:壽命短、抗幹擾能力差、只能測量相對量即應變增量，不適於作長期監測。壓電法是基於某些材料的壓電效應而提出的。壓電材料(如壓電陶瓷或晶體)在受力時會產生電壓(或電流)，測定該電壓即可求出所受壓力、應力和應變。由於電流不能保存，因而只能測增量，不能用於長期靜力測量，適用於動力測試。振弦法是利用鋼弦所受的軸力與橫向自振頻率的一一對應關係，通過測量自振頻率來推算出弦中軸力、應力和應變。振弦式應變計在鋼筋混凝土結構的應變測量中已得到較多的應用。其優點是穩定性好、工作可靠、能同時測量測點的溫度；但是，振弦式應變計中的鋼弦在長期荷載作用下易產生鬆弛，不宜用作長期測量，且傳感器尺寸較大。經典的光測法包括光彈性法和光全息法等，已得到較廣泛的應用，但這些方法一般只能用於模型尤其是透明模型試驗，難以用於實際工程的內部應力測量。近年來出現的新型智能傳感元件——光纖傳感器，為結構監測的發展注入了新的活力。光纖應變傳感技術(包括光纖光柵傳感技術)是一種極有前途的應變傳感技術，具有測量精度高、抗幹擾能力強、能實現分布式測量等優點，但目前還存在一些缺點光纖傳感器對生產工藝要求較嚴，成本較高，且其解調儀器價格昂貴，在長期測量中的效果還有待考證。另外，它在埋設方面也有一定困難。光柵測量技術目前主要應用於位移的精密計量，其原理是利用光柵的莫爾條紋現象來測量位移，其核心部件是光柵副，即標尺光柵和指示光柵。莫爾條紋起放大的作用，實際結構微小的位移就能引起莫爾條紋較大的移動，通過光電接收元件測量莫爾條紋的移動量即可得出實際物體的位移。計量光柵具有測量精度高、讀數速率高、解析度高和讀數易實現數位化、自動化等優點並且穩定可靠，在位移傳感、自動控制領域得到了廣泛的應用。上述各種應變測量方法各有其優缺點。現以普通鋼筋混凝土結構為應變測量對象，從傳感器的安裝使用方便性、經濟性和測量準確性上加以分析總結電阻應變片結構簡單、安裝方便、價格較便宜但為一次性使用，測量精度高，但對於混凝土結構由於粗骨料的存在而測量一個相對較長標距內的平均應變更為合適，此時電阻應變片的優勢不明顯；壓電法結構較簡單、價格較貴，精度較高，但由於無法用於長期靜力測量而使用上受到限制；光纖應變傳感器測量精度高且能實現分布式測量，表面安裝式可實現重複使用，但目前埋設使用有困難、價格昂貴；振弦式應變傳感器尺寸較大，適合混凝土結構的應變測量，表面安裝式可實現重複使用，經濟性較好，精度較高。對於可重複使用的表面安裝式光纖應變傳感器以及振弦式應變傳感器，都需要將結構的應變傳遞到傳感器，使傳感器與測點具有相同的應變才能準確測量。目前傳感器表面安裝時都是通過兩端支架安裝在被測結構上，端支架又是通過粘結劑、螺栓或焊接固定在混凝土或鋼結構表面上，螺栓鑽孔或焊接本身會對結構造成影響。由於鋼管封裝的光纖傳感器及振弦式傳感器自身剛度較大，故傳遞應變時支架會有相對較大的彎曲或剪切變形及滑移，從而導致結構表面的應變通過支架傳遞到傳感器存在應變傳遞的損失，而由於加工及實際安裝的偏差，準確的進行一致性標定是不可能的。故其應變測量準確性受其應變傳遞率的影響。 發明內容本實用新型的目的是綜合各種應變傳感器的優點，提供一種適用於表面應變測量的安裝簡單、使用方便、價格便宜、可重複使用並且測量準確的反射式光柵應變傳感器。本實用新型的技術特徵是它主要包括標尺光柵、反射式相位光柵、發光二極體、四象限娃光電池、滑杆、定位栓和磁性底座；在傳感器殼體的底部有一滑槽，標尺光柵與滑杆相連可在滑槽中沿軸向運動，標尺光柵上方固定有反射式相位光柵，反射式相位光柵上設有相交連通的一入射光線孔和一反射光線孔，在入射光線孔上設有發光二極體，反射光線孔上設有四象限矽光電池；可根據量程的要求選擇不同長度的標尺光柵，滑杆伸出傳感器殼體至指定標距，滑杆端部及另一端的傳感器殼體均通過磁性底座固定到被測物體表面，安裝前兩端底座中心點的間距為固定標距，此時用定位栓穿過傳感器殼體及滑杆以固定滑杆位置，傳感器安裝後將讀數器清零再將定位栓拔出即可進行測量。發光二極體和四象限矽光電池之間由光通道連通，當發光二極體發射光線時，入射在反射式相位光柵上，將反射式相位光柵的柵線像投射到標尺光柵表面，再將兩光柵的柵線重合在一起的像投射到四象限矽光電池上。當標尺光柵和反射式相位光柵發生相對運動時，產生相應的莫爾條紋，於是四象限矽光電池輸出四相信號，通過四象限矽光電池的旋轉調節，使四相信號相鄰相位差可嚴格控制在90度，在示波器上可以觀察到理想的李薩如圓。當被測物體表面發生變形時將同時通過兩磁性底座帶動滑杆與傳感器殼體發生相對運動，即帶動標尺光柵和反射式相位光柵發生相對運動，其反射產生的莫爾條紋具有放大作用，故極細微的移動對應的莫爾條紋移動量也可輕易通過矽光電池加以分辨，若再對矽光電池接收的莫爾條紋的電信號進行電子細分，則可達到更高的精度要求。將測量出的位移值除以傳感器的固定標距長度值即得到了被測點的應變值。本實用新型的有益效果是結構簡單、安裝拆卸方便(測量鋼結構的應變直接將磁性底座吸附在表面即可，測量混凝土結構需先在結構表面用強力膠粘貼兩塊小鐵板然後將傳感器的磁性底座吸附在小鐵板上；拆卸時直接摘下即可)、經濟性能好、可重複使用且無論安裝還是測量對被測物體本身影響很小(無需鑽孔或焊接，傳感器的滑杆及標尺光柵移動時只有極小的滑動阻力)，測量精度較高、應變傳遞率高、讀數速率高、讀數易實現數位化及自動化、穩定可靠、能準確反應測點的真實應變值。
圖I為本實用新型構造圖。圖2為本實用新型俯視圖。圖3為反射式相位光柵工作原理示意圖。圖中1.標尺光柵，2.反射式相位光柵，3.發光二極體，4.四象限矽光電池，5.滑杆，6.定位栓，7.磁性底座A，8.滑槽，9.傳感器殼體，10.小鐵塊A，11.待測結構，12.磁性底座B，13.小鐵塊B。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。如圖，以測混凝土結構表面應變為例。安裝前首先將測點附近混凝土表面清潔乾淨，然後按傳感器的標距在結構表面安裝傳感器底座位置劃線，用強力膠將兩塊與相應傳感器底座大小相近的小鐵塊10、13粘貼在指定位置，膠粘劑幹硬後即可將傳感器的磁性底座7和12分別吸附在相應小鐵塊上，完成安裝過程。進行測量時，先將本光柵應變計的讀數儀讀數清零，然後將傳感器的定位栓6拔出，這時傳感器的滑杆5及指示光柵I即可沿滑槽8軸向自由滑動，當被測結構發生變形時，在傳感器兩端點處結構表面會發生相應的位置移動，通過粘貼其上的小鐵塊及磁性底座帶動滑杆5與傳感器殼體9發生相對移動，連接滑杆的指示光柵I與固定在傳感器殼體上的反射式相位光柵2的相對位移量與其在發光二極體3照射下反射產生的莫爾條紋的位移量有對應的關係，微小的位移經過相位光柵系統產生莫爾條紋的放大作用後被娃光電池4接收，讀數儀系統內部電路將測得的位移值除以傳感器標距長度值即得到測點的應變值。測量完成後，由於傳感器與被測結構僅通過磁性底座吸附，故可直接摘下。摘下傳感器後將滑杆推至標距位置再將定位栓插入以固定傳感器滑杆，拆卸完成。下次再測量時重複上述步驟即可。綜上所述，可見本實用新型使用方便，可重複使用，有效節約了測量成本而不降低測量的準確性。本實例僅為對混凝土結構應變測量的一種具體實施方案，但本實用新型的具體保護範圍不受此限，請以權利要求書的保護範圍為準。
權利要求1.一種反射式光柵應變計，它主要包括標尺光柵、反射式相位光柵、發光二級管、四象限娃光電池、滑杆、定位栓和磁性底座；其特徵在於在傳感器殼體(9)的底部有一滑槽(8),標尺光柵(I)與滑杆(5)相連可在滑槽(8)中沿軸向運動，標尺光柵(I)上方固定有反射式相位光柵(2),反射式相位光柵(2)上設有相交連通的一入射光線孔和一反射光線孔，在入射光線孔上設有發光二極體(3)，反射光線孔上設有四象限矽光電池(4);滑杆(5)伸出傳感器殼體(9)至指定標距，滑杆(5)端部及另一端的傳感器殼體(9)均通過磁性底座固定在被測物體表面，安裝前兩端底座中心點的間距為固定標距，此時用定位栓(6)穿過傳感器殼體(9)及滑杆(5)以固定滑杆位置。
專利摘要一種反射式光柵應變計，在傳感器殼體(9)的底部有一滑槽(8)，標尺光柵(1)與滑杆(5)相連可在滑槽(8)中沿軸向運動，標尺光柵(1)上方固定有反射式相位光柵(2)，反射式相位光柵(2)上設有相交連通的入射光線孔和反射光線孔，入射光線孔上設有發光二極體(3)，反射光線孔上設有四象限矽光電池(4)；滑杆(5)伸出傳感器殼體(9)至指定標距，滑杆(5)端部及傳感器殼體(9)均通過磁性底座固定到被測物體表面，安裝前用定位栓(6)固定滑杆(5)位置。測量時電路自動將位移值除以固定標距而顯示測點的應變值。本實用新型安裝拆卸方便，可重複使用，有效節約了測量成本而不降低測量的準確性。
文檔編號G01B11/16GK202582504SQ20122024943
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月30日 優先權日2012年5月30日
發明者楊君琦, 王曉光, 黃喜新 申請人:王曉光, 楊君琦, 黃喜新