一種採用光纖光柵傳感器的薄板形變測量裝置的製作方法
2023-04-27 15:30:26
專利名稱：一種採用光纖光柵傳感器的薄板形變測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種採用光纖光柵(FBG)傳感器的簡支薄板形變測量裝置，屬於光纖傳感技術領域。
背景技術：
彈性平板和板狀結構在現代工程實踐中有著廣泛的應用，當平板的寬度與厚度比值在15以上時為薄板，薄板是一種最常見的工程構件形式，例如航天工程中的一些部件是薄板，如火箭尾翼，太陽能翼板等；海上石油平臺，水下實驗室同樣是薄板結構；在建築工程中，平板結構有門，樓板，平頂，陽臺，牆壁，地基等等，另外在交通領域，輪船甲板，火車，汽車底板，飛機場跑道等等場所處處可見薄板。當外力作用在薄板上時，薄板將會發生形變，工程師們常常需要測量或評估薄板的變形，應力和撓度等參數。對於薄板的形變測量，最常見的方法是直接採用千分表，但千分表的使用有很多局限性，例如當被測薄板被封閉起來，或者處於極端惡劣的環境下都將無法使用。另一種方法則是建立薄板在可能的橫向幹擾時彈性力學的數理方程，通過求解該方程來對平板的形變進行評估，實施過程通常是採用有限元分析，但是有限元分析計算較為複雜，計算量大，耗費時間較長。並且，該方法對薄板整體形變的評估是建立在特殊受力假設的基礎上，與平板的實際受力情況具有較大差異，因此該方法並不能精確地還原薄板形變的全貌。最後一種方法則是利用傳感器，將傳感器埋設在薄板的不同檢測點，通過傳感器測量出相應點的應變和應力信息，其中傳感器可以是傳統的電阻應變片或是新型的光纖傳感器，但是該方法通常只能測量有限的檢測點，如需測量全局的信息則需要埋設大量的傳感單元，不僅大大增加了成本，甚至可能會對被測主體產生一定的破壞。為了解決這一問題，本實用新型提出了一種利用FBG傳感器來測量和預測薄板形變的方法並設計了該實用裝置。基於FBG傳感器的傳感過程是通過外界對FBG中心波長的調製來獲取信息的一種波長調製型光纖傳感器。與傳統的電傳感器相比，由於它具有抗電磁幹擾能力強、抗腐蝕、傳感探頭結構簡單、測量重複性好、便於構成各種形式的光纖傳感網絡等優點，在石油化工、電力、橋梁及航天等一些特殊或者複雜的應用場合，成為了研究的熱點。尤其引人注目的是，FBG微小的尺寸使其特別易於埋入材料本身，在不影響主體性能的情況下可以形成所謂的智能結構。因此，FBG傳感器是檢測薄板應力的一個良好器件，適合提供實時的結構形變檢測。
發明內容本實用新型的目的是克服已有技術的不足之處，提供可實現簡支薄板形變測量的裝置，通過使用輕質化的FBG傳感器，從而替代傳統的電阻應變片進行薄板受力的測量。該裝置適應性更好、體積小、不影響薄板的性能、對電磁幹擾免疫，具有長期工作穩定性的優點。本實用新型採用的技術方案如下:[0007]—種採用光纖光柵傳感器的薄板形變測量裝置，包括高功率寬帶光源、光隔離器、光耦合器、光纖F-P可調濾波器、光電探測器、直流偏振電路、帶功率輸出的加法器和計算機，還包括由5根光纖光柵組成的FBG傳感器陣列,其中的4根光纖光柵通過施加預應力的方式分別埋設固定在待測薄板的底部，另外I根光纖光柵通過不施加預應力的方式埋設在待測薄板的中心作為參考；高功率寬帶光源通過光隔離器與光耦合器的輸入端相連，所述光耦合器的輸出端第一路輸出到空置埠，再通過折射率匹配液將多餘信號吸收掉，第二路輸出到FBG傳感器陣列中，第三路與光纖F-P可調濾波器連接；所述光纖F-P可調濾波器與光電探測器連接，光電探測器的信號輸出到計算機；所述光纖F-P可調濾波器的諧振波長通過驅動電壓控制，驅動電壓由計算機產生的鋸齒波以及直流偏振電路經帶功率輸出的加法器產生的信號組成。所述4根光纖光柵可以呈幾何對稱的形狀分布，採用的光纖光柵的長度小於IOmm並大於5mmο本實用新型採用FBG傳感器的薄板形變測量裝置的工作原理是，將4根FBG預先埋設在薄板的固定位置，當薄板受到橫向壓力的作用後，通過檢測4個固定位置處FBG的中心波長偏移量，獲得該處的應變和形變的信息，隨後利用彈性薄板的受力形變理論，根據集中應力下簡支平板的撓度解析解，利用已測得位置的應變信息逆向推斷出該解析解的待定參數，最後通過計算該解析表達式獲得薄板全局的撓度和應變信息。為了測量FBG傳感陣列的中心波長移動，本實用新型採用高功率寬帶光源，高功率光源在更長距離使用並能夠提高波長解調的精度。寬帶光源的光到達FBG傳感器陣列後，從FBG反射回來的窄帶光進入到可調諧F-P濾波器進行濾波，只有當傳感FBG的中心波長與F-P濾波器透射中心波長一致時，透射光能量才能達到最大，此時F-P濾波器的驅動電壓值即對應該FBG的中心波長，計算機通過採集和記錄此時的電壓值即可解調出FBG的中心波長偏移量，從而還原該FBG所埋位置的應變信息。與其它FBG傳感系統一樣，本實用新型的FBG傳感器也存在溫度串擾的問題，即溫度的變化會引起FB G的工作波長變化，從而帶來測量誤差。為了解決這一問題，本實用新型採用參考光柵的方法，在薄板的中心埋設一根參考FBG，對該光柵不施加預應力而使其自由放置，因此該光柵的波長偏移量僅來自薄板的溫度變化，通過檢測參考光柵的中心波長偏移量，將溫度信息提取出來，然後在其餘4根傳感FBG的測量結果中剔除溫度的影響，就可以精確測量出由應變造成的波長移動，從而解決了溫度和應變的交叉敏感問題。本實用新型的工作原理為:根據薄板形變理論，小撓度彈性薄板平衡方程為:
DV4w = q(.r,j；),式中
, 7 , d2w d4w fi4wV4W = V2 (V2W) = + 2-V-T +
&4 dx2dy2 辦，4其中w是薄板平面的橫向位移即撓度，q(x，y)是作用在板上的橫向載荷強度。根據經典彈性理論，所有與平板形變相關的參數比如彎矩，扭矩，應力，剪力等都與撓度相關，因此只要獲得撓度就可以依據它們之間的關係解出其它各參數。例如應力的表達式為:[0018]
權利要求1.一種採用光纖光柵傳感器的薄板形變測量裝置，包括高功率寬帶光源、光隔離器、光耦合器、光纖F-P可調濾波器、光電探測器、直流偏振電路、帶功率輸出的加法器和計算機，其特徵在於，該裝置還包括由光纖光柵組成的FBG傳感器陣列，光纖光柵埋設在待測薄板內；高功率寬帶光源通過光隔離器與光耦合器的輸入端相連，所述光耦合器的輸出端第一路輸出到空置埠，再通過折射率匹配液將多餘信號吸收掉，第二路輸出到FBG傳感器陣列中，第三路與光纖F-P可調濾波器連接；所述光纖F-P可調濾波器與光電探測器連接，光電探測器的信號輸出到計算機；所述光纖F-P可調濾波器的諧振波長通過驅動電壓控制，驅動電壓由計算機產生的鋸齒波以及直流偏振電路經帶功率輸出的加法器產生的信號組成。
2.根據權利要求1所述的一種採用光纖光柵傳感器的薄板形變測量裝置，其特徵在於，所述FBG傳感器陣列由5根光纖光柵組成，其中4根光纖光柵分別埋設固定在待測薄板的底部，另外I根光纖光柵通過不施加預應力的方式埋設在待測薄板的中心作為參考。
3.根據權利要求2所述的一種採用光纖光柵傳感器的薄板形變測量裝置，其特徵在於，所述4根光纖光柵呈幾何對稱的形狀分布。
4.根據權利要求1、2或3所述的一種採用光纖光柵傳感器的薄板形變測量裝置，其特徵在於，所述光纖光柵的長度小於IOmm,大於5mm。
專利摘要本實用新型提供了一種採用光纖光柵(FBG)傳感器的薄板形變測量裝置，屬於光纖傳感領域。主要包括高功率寬帶光源、光隔離器、光耦合器、光纖F-P可調濾波器、光電探測器、由光纖光柵組成的FBG傳感器陣列、直流偏振電路、帶功率輸出的加法器以及基於虛擬儀器的進行信號處理的計算機。該裝置在薄板的4個不同位置各埋設1根FBG傳感器，通過解調系統檢測出各點的應變信息，再通過計算機還原出計算平板各點撓度和應變的必要參數，即可獲得薄板其餘各點的撓度和應變，並最終由計算機直觀地顯示。本實用新型利用4根FBG就可以獲得整個薄板的撓度和應變信息，大大節約了傳感器的數量，並具有結構簡單、探頭尺寸小等優點。
文檔編號G01B11/16GK203011351SQ20122060184
公開日2013年6月19日 申請日期2012年11月15日 優先權日2012年11月15日
發明者汪弋平, 王鳴, 黃曉琴, 郝輝, 陶進 申請人:南京師範大學