高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置製造方法
2024-01-28 02:09:15
高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置製造方法
【專利摘要】一種高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置，包括高溫夾具組件、試驗結構組件、粘結平臺和實驗臺，在實驗臺上高溫夾具組件夾持試驗結構組件與粘結平臺在同一水平面上。本發明能為高溫光纖傳感器提供貼近真實工況的高溫熱環境，同時建立了熱環境溫度的測量方法和控制方法，本發明還能分別對試驗件平行和垂直於光纖傳感器的方向施加約束力。
【專利說明】高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置技術背景:
[0001]飛行器的工作環境往往是極端惡劣的，所以要求飛行器的外部結構材料必須擁有優異的防熱承力性能，超高溫陶瓷、高溫合金等耐高溫材料因其在高溫環境下的優越性能在航天航空領域中被廣泛應用，但在高溫條件下其材料的結構溫度響應測試手段卻相對有限。高溫光纖光柵傳感器具有抗電磁幹擾能力強、尺寸小、耐腐蝕性好、復用能力強、傳輸距離遠等優點，因此在結構健康監測領域中的應用相當廣泛。
[0002]高溫光纖傳感器存在很多優點不容置疑，但也存在著退火段脆弱封裝困難等缺點，在高溫光纖傳感器應用航天領域之前，我們必須進行大量的實驗去探索高溫光纖的特性和模擬真實工況下的測試方法。為了客觀真實的評價典型熱防護材料的熱力耦合性能，因此發明了高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置。
【發明內容】
:
[0003]本發明針對高溫光纖傳感器，發明了一種高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置。
[0004]本發明產生的有益效果:
[0005]本發明能為高溫光纖傳感器提供貼近真實工況的高溫熱環境，同時建立了熱環境溫度的測量方法和控制方法，本發明還能分別對試驗件平行和垂直於光纖傳感器的方向施加約束力，同時建立了邊界壓力值的測量方法和控制方法。已知的溫度數據和已知的邊界約束力數據不但能為數值仿真提供準確的邊界條件，還能為模擬真實工況下的高溫光纖傳感器響應測試提供客觀依據和理論基礎。
[0006]本發明所述一種高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置，包括高溫夾具組件、試驗結構組件、粘結平臺和實驗臺，其特徵在於:在實驗臺上高溫夾具組件夾持試驗結構組件與粘結平臺在同一水平面上，
[0007]所述高溫夾具組件由U型槽101、絲杆102、隔熱材料103、隔熱材料106和可移動結構105得到，U型槽101 —端有絲杆102穿過，絲杆102與可移動結構105連接在一起為一體結構，可移動結構105與U型槽101另一端組成緊固結構；緊固結構內側壁垂直絲杆方向設有兩塊隔熱材料103，緊固結構下側平行於絲杆方向設有隔熱材料106 ;兩塊隔熱材料103組成了高溫夾具;U型槽101另一端上部開有壓力傳感器通孔104 ;隔熱材料106中心位置開有高能量雷射束射入孔107 ；
[0008]所述試驗結構組件由高溫光纖傳感器201、試驗件202和熱電偶測溫裝置接入結構203組成，試驗件202上放置高溫光纖傳感器201，高溫粘結劑204將高溫光纖傳感器201粘結於試驗件202上，高溫光纖傳感器201兩側設有熱電偶測溫裝置接入結構203 ；
[0009]所述粘結平臺放置於實驗臺上且分別置於高溫夾具組件兩側，試驗件202與粘結平臺301保持在同一水平面上；
[0010]所述實驗臺由臺面和支撐結構組成，實驗臺中心位置設有雷射射入孔402，雷射射入孔402與高能量雷射束射入孔107直徑相等，實驗臺401下部支撐結構固定有H型雷射加熱器支架404，雷射加熱器支架404中心位置開有與雷射射入孔402垂直的雷射加熱器裝配孔403，用於固定雷射加熱器，從而使高能量雷射束射入孔107、雷射射入孔402和雷射加熱器裝配孔403在同一條直線上。
[0011]所述U型槽101是鋼製結構加工出來的凹槽。
[0012]所述隔熱材料為剛玉。
[0013]所述試驗件202為熱防護材料。
[0014]所述熱防護材料為碳/碳複合材料，陶瓷複合材料。
[0015]高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置的測試方法，包括如下步驟:第一步，將高溫光纖傳感器(201)接入光纖信號解調儀，熱電偶接入數據採集器，啟動高能量雷射加熱器通過雷射束射入孔(107)照射試驗件(202)底部。第二步，通過光纖信號解調儀採集應變與溫度耦合作用產生的波長信號，通過熱電偶實時監測採集試驗件(202)表面的溫度。第三步，通過數據解耦方法進行應變響應數據及溫度響應數據解耦，同時獲得試驗件(202)熱力耦合條件下的實時溫度與應變。
【專利附圖】
【附圖說明】
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[0016]圖1是本發明中試驗件高溫夾具的示意圖；
[0017]圖2是本發明中試驗件與高溫光纖傳感器粘接示意圖；
[0018]圖3是本發明中高溫夾具與試驗件組裝示意圖；
[0019]圖4是本發明中壓力傳感器示意圖；
[0020]圖5是本發明中高溫夾具與壓力傳感器組裝示意圖；
[0021]圖6是本發明中光纖傳感器粘結平臺的示意圖；
[0022]圖7是本發明中高溫夾具、試驗件與粘結平臺組裝的示意圖；
[0023]圖8是本發明中高溫光纖傳感器實驗臺示意圖；
[0024]圖9是本發明中試驗件夾持裝置與實驗臺組裝示意圖；
[0025]圖10是本發明中雷射加熱器示意圖；
[0026]圖11是高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置整體示意圖；
【具體實施方式】
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[0027]本發明的實現方式是這樣的，通過可調節的夾持裝置和壓力傳感器靈活的結合，能分別在試驗件的兩個方向施加已知大小的壓力，並通過高能量雷射設備為試驗件提供熱環境，通過在試驗件表面粘結熱電偶來監測表面的溫度響應，這個實驗裝置為試驗件提供了已知的熱力耦合場，為高溫光纖傳感器提供了典型熱力耦合的測量環境。
[0028]下面結合附圖對本發明的實施方式做具體的描述:
[0029]圖1給出了試驗件高溫夾具的示意圖，U型槽101是鋼製結構加工出來的凹槽，U型槽一端有絲杆102穿過，絲杆102與可移動結構105連接在一起為一體結構，可移動結構105與U型槽101另一端組成緊固結構，可以根據試驗件的不同尺寸，通過調節絲杆102進行夾持的調節。緊固結構內側壁垂直絲杆方向設有兩塊隔熱材料103，緊固結構下側平行於絲杆方向設有隔熱材料106，隔熱材料可以是剛玉，防止高溫試驗件損毀夾具和實驗臺。兩塊隔熱材料103組成了高溫夾具。U型槽101另一端上部開有壓力傳感器通孔104，其用於壓力傳感器的連接裝配孔。隔熱材料106中心位置開有高能量雷射束射入孔107，用於對試驗件進行高溫加熱。操作時，通過絲杆102的平移來調整緊固結構的尺寸。
[0030]圖2給出了試驗件與高溫光纖傳感器粘接示意圖，試驗件202上放置高溫光纖傳感器201，高溫粘結劑204將高溫光纖傳感器201粘結於試驗件202上，高溫光纖傳感器201兩側設有熱電偶測溫裝置接入結構203。試驗件202為熱防護材料製成的。
[0031]圖3給出了高溫夾具與試驗件組裝示意圖，試驗件202與高溫光纖傳感器201通過高溫粘結劑粘結，高溫夾具與粘結後的試驗件202組裝在一起，試驗件202和高溫夾具有兩種組裝方式，一種是高溫夾具的夾持方向與高溫光纖傳感器201方向垂直，另一種是高溫夾具的夾持方向與高溫光纖傳感器201方向平行，圖3中顯示了高溫夾具的夾持方向與高溫光纖傳感器201方向垂直。這兩種夾持方向，為試驗件提供了兩種不同的約束力方向。
[0032]圖4給出了壓力傳感器示意圖，高溫夾具對試驗件兩個方向的夾持，都可以通過壓力傳感器601準確的測量出試驗件夾持端的約束力。
[0033]圖5給出了高溫夾具與壓力傳感器組裝示意圖，通過高溫夾具上壓力傳感器通孔104與壓力傳感器601裝配在一起，這樣就能為熱力耦合實驗提供已知可調節的約束力。
[0034]圖6給出了光纖傳感器粘結平臺的示意圖，因為高溫光纖傳感器抗剪能力差，為了防止高溫光纖因為彎折發生破壞，製作了兩個高度相同的粘結平臺301，粘結平臺301分別置於高溫夾具組件兩側。
[0035]圖7給出了高溫夾具、試驗件與粘結平臺組裝的示意圖，基於對光纖傳感器抗剪能力的考慮，基本保證試驗件202與粘結平臺301保持在同一水平面上。
[0036]圖8給出了高溫光纖傳感器實驗臺示意圖，為了給高能量雷射束創造出足夠的操作空間，有利於雷射加熱器的固定和夾持，所以製作了實驗臺401，實驗臺由臺面和支撐結構組成，實驗臺中心位置設有雷射射入孔402，雷射射入孔402與高能量雷射束射入孔107直徑相等，實驗臺401下部支撐結構固定有H型雷射加熱器支架404，雷射加熱器支架404中心位置開有與雷射射入孔402垂直的雷射加熱器裝配孔403，用於固定雷射加熱器，從而使高能量雷射束射入孔107、雷射射入孔402和雷射加熱器裝配孔403在同一條直線上。
[0037]圖9給出了試驗件夾持裝置與實驗臺組裝示意圖，高溫夾具、試驗件202、高溫光纖傳感器204和粘結平臺301組成了試驗件的夾持裝置，為了保證熱力耦合實驗具有穩定的實驗環境，所以將試驗件的夾持裝置固定在實驗臺上。
[0038]圖10給出了雷射加熱器示意圖，501結構是雷射加熱器的鏡頭，502結構是加熱器的保護結構，503結構是雷射的傳輸電纜。雷射加熱器能為高溫光纖傳感器的測量實驗提供2000攝氏度以下的環境溫度。
[0039]圖11給出了高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置整體示意圖，能更直觀的了解實驗裝置的作用原理和外部形貌。
[0040]該裝置的測試方法為:高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置的測試方法，包括如下步驟:第一步，將高溫光纖傳感器(201)接入光纖信號解調儀，熱電偶接入數據採集器，啟動高能量雷射加熱器通過雷射束射入孔(107)照射試驗件(202)底部。第二步，通過光纖信號解調儀採集應變與溫度耦合作用產生的波長信號，通過熱電偶實時監測採集試驗件(202)表面的溫度。第三步，通過數據解耦方法進行應變響應數據及溫度響應數據解耦，同時獲得試驗件(202)熱力耦合條件下的實時溫度與應變。
【權利要求】
1.一種高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置，包括高溫夾具組件、試驗結構組件、粘結平臺和實驗臺，其特徵在於:在實驗臺上高溫夾具組件夾持試驗結構組件與粘結平臺在同一水平面上， 所述高溫夾具組件由U型槽(101)、絲杆(102)、隔熱材料(103)、隔熱材料(106)和可移動結構(105)得到，U型槽(101) —端有絲杆(102)穿過，絲杆(102)與可移動結構(105)連接在一起為一體結構，可移動結構(105)與U型槽(101)另一端組成緊固結構；緊固結構內側壁垂直絲杆方向設有兩塊隔熱材料(103)，緊固結構下側平行於絲杆方向設有隔熱材料(106);兩塊隔熱材料(103)組成了高溫夾具；U型槽(101)另一端上部開有壓力傳感器通孔(104);隔熱材料(106)中心位置開有高能量雷射束射入孔(107)； 所述試驗結構組件由高溫光纖傳感器(201)、試驗件(202)和熱電偶測溫裝置接入結構(203)組成，試驗件(202)上放置高溫光纖傳感器(201)，高溫粘結劑(204)將高溫光纖傳感器(201)粘結於試驗件(202)上，高溫光纖傳感器(201)兩側設有熱電偶測溫裝置接入結構(203)； 所述粘結平臺放置於實驗臺上且分別置於高溫夾具組件兩側，試驗件(202)與粘結平臺(301)保持在同一水平面上； 所述實驗臺由臺面和支撐結構組成，實驗臺中心位置設有雷射射入孔(402)，雷射射入孔(402)與高能量雷射束射入孔(107)直徑相等，實驗臺(401)下部支撐結構固定有H型雷射加熱器支架(404)，雷射加熱器支架(404)中心位置開有與雷射射入孔(402)垂直的雷射加熱器裝配孔(403)，用於固定雷射加熱器，從而使高能量雷射束射入孔(107)、雷射射入孔(402)和雷射加熱器裝配孔(403)在同一條直線上。
2.如權利要求1所述的測試裝置，其特徵在於:所述U型槽(101)是鋼製結構加工出來的凹槽。
3.如權利要求1所述的測試裝置，其特徵在於:所述隔熱材料為剛玉。
4.如權利要求1所述的測試裝置，其特徵在於:所述試驗件(202)為熱防護材料。
5.如權利要求4所述的測試裝置，其特徵在於:所述熱防護材料為碳/碳複合材料，陶瓷複合材料。
6.如權利要求1所述的高溫光纖傳感器熱力耦合實驗測試裝置的測試方法，其特徵在於:包括如下步驟: 第一步，將高溫光纖傳感器(201)接入光纖信號解調儀，熱電偶接入數據採集器，啟動高能量雷射加熱器通過雷射束射入孔(107)照射試驗件(202)底部。 第二步，通過光纖信號解調儀採集應變與溫度耦合作用產生的波長信號，通過熱電偶實時監測採集試驗件(202)表面的溫度。 第三步，通過數據解耦方法進行應變響應數據及溫度響應數據解耦，同時獲得試驗件(202)熱力耦合條件下的實時溫度與應變。
【文檔編號】G01D18/00GK104406616SQ201410680751
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】解維華, 王利彬, 彭燾, 孟松鶴, 金華, 易法軍 申請人:哈爾濱工業大學