一種用於大變形柔性結構的應變傳感器的設計方法
2023-10-30 12:14:57 1
一種用於大變形柔性結構的應變傳感器的設計方法
【專利摘要】本發明屬於航空結構應變測量傳感器【技術領域】，涉及一種用於大變形柔性結構的應變傳感器的設計方法。所述設計方法包括以下步驟：步驟一，選用放大裝置；步驟二，設計傳感器集成方式；步驟三，設計封裝方式。本發明提供了新型柔性結構大應變測量方法，可以彌補現有應變測量手段無法測量柔性結構大應變量的缺陷，測量範圍可以達到300000μ或以上的應變值，是現有應變傳感器量程的10倍以上。
【專利說明】一種用於大變形柔性結構的應變傳感器的設計方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於航空結構應變測量傳感器【技術領域】，涉及一種用於大變形柔性結構的應變傳感器的設計方法。
【背景技術】
[0002]常規的應變傳感器應變片的測量範圍是10000?20000 μ，即試驗件變形量在1%?2%之間；對於大變形的柔性結構如橡膠製品來說，通常變形量可以達到20%?30%甚至更大，常規的應變測量傳感器量程不夠，無法測量其應變。
[0003]LPFG (Long-Per1d Fiber Grating)長周期光纖光柵傳感器是一種光纖無源帶阻濾波器件，其具有無後向反射、全兼容於光纖、體積小和可埋入智能材料等優點。其基本原理是:LPFG的諧振波長隨彎曲曲率和扭轉角的增加而線性變化，依據該線性關係，通過測量光纖中LPFG的諧振波長就可以實現光纖曲率和扭轉角變化量的測量。
[0004]利用LPFG光纖能夠測量曲率和扭轉角的特性通過一定的轉換達到測量柔性結構大應變量的目的。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是:提供一種用於大變形柔性結構的應變傳感器的設計方法，其利用波紋板或彈簧的變形特性，發明兩種應變放大裝置，將柔性結構的大變形量轉換為光纖的小應變量。
[0006]本發明的技術方案是:一種用於大變形柔性結構的應變傳感器的設計方法，其特徵為所述設計方法包括以下步驟:
[0007]步驟一，選用放大裝置:
[0008]由于波紋板的伸長量和波峰處曲率變化成線性對應關係，波峰處曲率變化為小應變，測量波峰處曲率變化即可得到波紋板的伸長量，以此達到大變形量向小應變量的轉換目的；同理，彈簧的伸長量和螺旋線圈的扭轉量成線性對應關係；因此選用波紋板和彈簧為本發明的放大裝置；
[0009]步驟二,設計傳感器集成方式:
[0010]將LPFG長周期光纖植入波紋板的波峰上或圓柱螺旋彈簧的螺旋線位置，通過LPFG長周期光纖測量波紋板的波峰曲率變化和彈簧螺旋線圈的扭轉量；
[0011]步驟三，設計封裝方式:
[0012]將植入LPFG長周期光纖的波紋板或圓柱螺旋彈簧封裝在保護套內形成整體的應變測量傳感器；保護套由兩部分可相對移動的盒子組成，波紋板或彈簧的兩端分別和一個盒子固定；盒子兩端通過矽橡膠粘貼在試驗件表面測量試驗件應變量。
[0013]本發明的有益效果是:本發明用於大變形柔性結構的應變傳感器的設計方法，提供了新型柔性結構大應變測量方法，可以彌補現有應變測量手段無法測量柔性結構大應變量的缺陷，測量範圍可以達到300000 μ或以上的應變值，是現有應變傳感器量程的10倍以上；本發明中所用的核心傳感元件是長周期光纖光柵傳感器，其抗電磁幹擾、耐腐蝕、耐久性和長期穩定性好，適合惡劣環境下的變形檢測；本發明通過改變彈簧或波紋板的幾何尺寸和材料，可以實現不同量程的傳感器；本發明中的封裝技術成熟，易操作，可靠性高，容易實現機械化批量生產，成本低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1(a)為波紋板封裝示意圖；
[0015]圖1(b)為波紋板封裝剖面示意圖；
[0016]圖2為波紋板尺寸示意圖；
[0017]圖3(a)為彈簧封裝示意圖；
[0018]圖3(b)為彈簧封裝剖面示意圖；
[0019]圖3(c)為彈簧封裝局部示意圖；
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做進一步說明。
[0021]參見附圖，圖1 (a)、l(b)給出了波紋板封裝後的傳感器裝置示意圖；圖2給出了波紋板尺寸示意圖；圖3(a)、3(b)、3 (C)給出了彈簧封裝後的傳感器裝置示意圖。
[0022](I)波紋板傳感器集成方式:選擇厚度為0.2mm的波紋板，在波紋板表面波峰位置處對稱軸線上粘貼LPFG長周期光纖，用密封膠固定。
[0023]彈簧傳感器集成方式:選擇高分子薄壁管，管直徑約0.7mm,將LPFG長周期光纖穿進管內並用密封膠填充管內壁，保證光纖位於薄壁管軸線位置。將植入LPFG光纖的高分子薄壁管制成彈簧。
[0024](2)傳感器封裝方式:傳感器的封裝裝置主要是護套，護套由兩部分可自由相對移動的盒子組成，護套植入光纖的波紋板或彈簧通過密封膠固定在護套上。波紋板或彈簧的兩端分別和一個盒子固定。整個傳感器通過護套兩端的粘貼區用矽橡膠粘貼在試驗件表面。
[0025](3)通過波紋板伸長量與波峰位置曲率半徑之間的對應關係，或彈簧伸縮量與彈簧螺旋線扭轉角之間的對應關係，實現大變形向小變形的轉換，具體是在波紋板波峰位置或圓柱螺旋彈簧螺旋線上上粘貼LPFG長周期光纖，利用LPFG的諧振波長隨彎曲曲率和扭轉角的增加而線性變化，進而得到光纖各點的變形量，利用事先標定的波紋板伸長量與波峰位置曲率半徑之間的對應關係，或彈簧伸縮量與彈簧螺旋線扭轉角之間的對應關係，實現對大變形試驗件應變值的測量。
[0026](4)傳感器完成後需要對其標定波紋板伸長量與波峰位置曲率半徑之間的對應關係，或彈簧伸縮量與彈簧螺旋線扭轉角之間的對應關係。
[0027]本發明利用波紋板或彈簧的結構變形特性通過一定的封裝實現光纖扭轉和彎曲量向柔性結構大變形的應變量之間的轉化:1)大變形柔性結構應變測量傳感器的量程遠大於現有應變傳感器，且量程可變；2)傳感器核心元件為長周期光纖光柵傳感器，其抗幹擾能力強；3)應變轉換結構為波紋板和圓柱螺旋彈簧；4)通過封裝將傳感器保護好，能夠適應更多環境下的應變測量。
【權利要求】
1.一種用於大變形柔性結構的應變傳感器的設計方法，其特徵為所述設計方法包括以下步驟: 步驟一，選用放大裝置: 由于波紋板的伸長量和波峰處曲率變化成線性對應關係，波峰處曲率變化為小應變，測量波峰處曲率變化即可得到波紋板的伸長量，以此達到大變形量向小應變量的轉換目的；同理，彈簧的伸長量和螺旋線圈的扭轉量成線性對應關係；因此選用波紋板和彈簧為本發明的放大裝置； 步驟二，設計傳感器集成方式: 將LPFG長周期光纖植入波紋板的波峰上或圓柱螺旋彈簧的螺旋線位置，通過LPFG長周期光纖測量波紋板的波峰曲率變化和彈簧螺旋線圈的扭轉量； 步驟三，設計封裝方式: 將植入LPFG長周期光纖的波紋板或圓柱螺旋彈簧封裝在保護套內形成整體的應變測量傳感器；保護套由兩部分可相對移動的盒子組成，波紋板或彈簧的兩端分別和一個盒子固定；盒子兩端通過矽橡膠粘貼在試驗件表面測量試驗件應變量。
【文檔編號】G01B11/16GK104390600SQ201410665768
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月19日 優先權日:2014年11月19日
【發明者】邱濤, 牛會傑, 張婷婷 申請人:中國航空工業集團公司瀋陽飛機設計研究所