一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的方法及装置的制作方法

xiaoxiao2020-7-23  10

专利名称:一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的方法及装置的制作方法
技术领域
本发明涉及一种应变测试装置及装置,尤其涉及一种既可用于测试静态大应变,又可 用于测试动态大应变的方法及装置。
背景技术
传统的测量应变的方法为在待测位置粘贴电阻应变片(尺寸较小的)或大尺度的电阻应 变片,当结构发生大应变,如测量金属结构断裂过程的应变、或混凝土结构开裂后的应变 时,这样的应变片就被拉断,不能继续工作了。
在测量大标距应变或大数值的应变方面,目前常用的仪器有Demac仪器、弦振仪( vibration wire strain gauge)或NCDT sensors (non-contact capacitive displacement transducers with a very high sensitivity或者弓1伸仪,然而这几禾中仪器通常只能用来 测量结构的静态应变,并不能用来测试结构的动态应变。

发明内容
为解决大标距、大应变测量方面的问题,结合光纤光栅(FBG)传感技术,本发明提供了 一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的方法,其既可用于测试静态大应变,又可用 于测试动态大应变。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案
本发明的一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的装置,与待测结构连接,其特 征在于由大标距应变仪ACBD、光纤光栅传感器(FBG)和光纤解调系统组成,大标距应变 仪ACBD与待测结构连接,大标距应变仪ACBD左右两端AC段和BD段的C端和D端的同一水平位置 分别沿AC段和BD段方向粘贴有光纤光栅传感器,光纤光栅传感器通过传输光纤分别与光纤解 调系统的输入通道连通。
所述的利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的装置,其特征在于所述大标距应变 仪ACBD由三块钢板AC、 BD和CD依次垂直固定连接在同一平面内,成凹字型布置,且大标距应 变仪ACBD的AC段和BD段的悬挑端分别与待测结构固接。
所述的利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的装置,其特征在于大标距应变仪 ACBD的左、右两端的两块钢板AC和BD的截面形状和抗弯刚度相同。
所述的利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的装置,其特征在于大标距应变仪
4ACBD的左、右两端的钢板AC和BD的形状截面与大标距应变仪第三块钢板CD的形状截面不同。 所述的利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的装置,其特征在于大标距应变仪
ACBD的钢板CD的抗弯刚度大于钢板AC和BD的抗弯刚度。 本发明的光纤光栅大标距应变测试原理如下
图l所示为本发明所述利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的装置的测量应变原理 图,当待测结构的待测两点A、 B点发生如图1所示的相对的相同A线位移时,BD段D端的弯矩 M "与A之间有如下公式(1)的关系
H (1)
其中,H为大标距应变仪ACBD的AC段或BD段的长度,£/为钢板AC或BD的抗弯刚度。 图1中D端粘贴光纤光栅传感器的应变与A之间的关系为
^ (2)
其中,h为大标距应变仪ACBD的AC段或BD段厚度
由于A、 B两点的线位移均为A,则待测两点A和B长度范围内的应变^^为
(3)
其中,W为A、 B两点的间距。
据此可以很容易得到待测两点A和B长度范围内的应变《^^与光纤光栅传感器测量应变 D端之间的关系
(4)
由上式(4)可以发现,光纤光栅传感器读出的应变^D与待测两点A和B长度范围内的
应变^4B是线性关系,而比例系数3A『可以设计为大于3,其可以通过对大标距应变仪器
进行几何尺寸设计来实现,用以反应测量的量程变化情况。例如当^^50mm; ^二4mm;
『=1201^时,比例系数3A『=3.4722,这样,当光纤光栅传感器测量应变最大可以测 量应变为4000微应变时,其相应的^s可测量的最大应变就成为13000微应变。此时,相对 于将光纤光栅传感器直接粘贴的情况,测量应变的量程增大了。故可以用这样的仪器装置来 测量结构在较大范围内的应变值或大数值的应变。另外,若图1中待测两点A和B范围内有裂 缝时,应变很大,直接用光纤光栅传感器粘贴在裂缝处会拉断光纤,使测试失败,应用大标 距应变仪可以测量裂缝区域的应变。同时,用这样的装置还可以测量待测两点A和B范围内具 有多条裂缝的情况。光纤光栅传感器FBG测量应变的原理可以用公式(5)加以说明 ^ = 01
义0 (5)
公式(5)中,A义为光纤光栅传感器FBG反射波中心波长的变化,AA = A-A,其中 为i时刻FBG反射波中心波长,^为加载前FBG反射波中心波长,S为粘贴FBG范围内的平 均应变,0. 78为现有技术中经过计算所规定的一系数(具体推导过程可参见文献"武湛君, 万里冰,张博明,赵海涛,光纤光栅应变传感器监测复合材料层板疲劳过程,复合材料学报 ,第21巻第6期,2004年12月")。
根据上述利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的装置及其相应的测试原理,本发明 提出了一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的方法,用于测量待测结构静态或动态 应变,其特征在于测试步骤如下
步骤一,安装固定待测结构;
步骤二,在待测结构上确定需要测试应变的两点A和B,测量该两点A、 B的间距W;
步骤三,根据两点A、 B的间距制作大标距应变仪ACBD,使大标距应变仪ACBD的AC段和 BD段长度相等,且均为H;
步骤四,在待测结构底部安装大标距应变仪ACBD,使大标距应变仪ACBD的两个悬挑端分 别与待测结构上的待测两点A、 B固定;
步骤五,在大标距应变仪ACBD的AC段和BD段的C端和D端分别沿AC和BD方向粘贴光纤光栅 传感器;
步骤六,将光纤光栅传感器的传输光纤分别与光纤解调系统的输入通道连接; 步骤七,开启光纤解调系统,测得大标距应变仪ACBD的C端和D端的反射波中心波长^c
步骤八,在待测结构上施加荷载;
步骤九,加载一段时间后,从光纤解调系统获得大标距应变仪ACBD的C端和D端第i时刻
的光纤反射波中心波长^c和^75;
步骤十,利用公式(6)和(7)计算大标距应变仪ACBD的C端和D端粘贴光纤光栅传感器 处的平均应变^和^D,
义。c (6) ~^ = 0.7&rD
I (7)其中,A义e =Ac—Ac ,AAj 二Ad—4d,
步骤十一,利用公式(8)获得待测结构上待测两点A和B长度范围内的应变^^ ,
其中,h为大标距应变仪ACBD的AC段或BD段厚度。
所述的一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的方法,其特征在于所述的大标 距应变仪ACBD由三块钢板依次垂直固定连接在同一平面内,其整体成凹字型布置,且大标距 应变仪ACBD左、右两端的AC段和BD段的悬挑端分别与待测结构固接。
所述的一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的方法,其特征在于所述光纤解 调系统为SM130型光纤解调仪。
与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果
光纤光栅传感器与传统的电阻应变片相比有很多显著的优点,如抗电磁干扰能力强、体 积小、耐腐蚀、寿命长等,这些特性使得FBG传感器非常具有吸引力。本发明将光纤光栅传 感器与大标距应变测试原理结合起来,制成一种基于光纤应变测试的大标距应变测试装置, 应用提出的光纤大标距应变测试装置及其测试方法,可以测量结构的大应变,如金属结构断 裂过程的应变或混凝土结构开裂后的应变等,也可以用来测量大变形时在荷载作用下裂缝张 开以及闭合时的应变。
在所搭建的应变测试系统中,由于SM130型光纤解调仪采样频率可以达到1000Hz,因 此,此系统不但可以测量数值大的静态应变(大于10000微应变),也可以测量数值大(大 于10000微应变)的动态应变。


下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图l是本发明所述光纤大标距应变测试装置测量应变原理图2是本发明所述光纤大标距应变测试装置测量连接示意图。
附图标记l一待测结构、2 —大标距应变仪ACBD、 3 —光纤传感器、4一传输光纤、5 — 输入通道、6 —光纤解调系统、7 —裂缝、8 —荷载。
具体实施例方式
下面具体结合图2对本发明实施例作进一步详述
一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的方法,用于测量待测结构静态或动态应 变,其测试步骤如下
步骤一,安装固定待测结构l;步骤二,在待测结构1上确定需要测试应变的两点A和B,测量该两点A、 B的间距W;
步骤三,根据两点A、 B的间距制作大标距应变仪ACBD2,使大标距应变仪ACBD2的AC段和 BD段长度相等,且均为H;
步骤四,在待测结构1底部安装大标距应变仪ACBD2,使大标距应变仪ACBD2的两个悬挑 端分别与待测结构1上的待测两点A、 B固定;
步骤五,在大标距应变仪ACBD2的AC段和BD段的C端和D端分别沿AC段和BD段方向粘贴光 纤光栅传感器3;
步骤六,将光纤光栅传感器3的传输光纤4分别与光纤解调系统6的输入通道5连接; 步骤七,开启光纤解调系统6,测得大标距应变仪ACBD2的C端和D端的反射波中心波长
步骤八,在待测结构1上施加荷载8;
步骤九,加载一段时间后,从光纤解调系统6获得大标距应变仪ACBD2的C端和D端第i时
刻的光纤反射波中心波长4和4 ;
步骤十,利用公式(9)和(10)计算大标距应变仪ACBD2的C端和D端粘贴光纤光栅传感 器3处的平均应变^e和^5,
4 (9)
(10)
宜中 A义c : A.C - AiC , A义d : Ad - Ald .
步骤十一,利用公式(11)获得待测结构1上待测两点A和B长度范围内的应变^^ ,
_ W, 、
^-^^c (11) h为大标距应变仪ACBD2的AC段或BD段厚度。
其中,大标距应变仪ACBD2由三块钢板依次垂直固定连接在同一平面内,其整体成凹字 型布置,且大标距应变仪ACBD2左、右两端的AC段和BD段的悬挑端分别与待测结构1固接。光 纤解调系统6为SM130型光纤解调仪。
本发明的这种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的装置,与待测结构l连接,其 特征在于由大标距应变仪2、光纤光栅传感器3和光纤解调系统6组成,大标距应变仪2与待 测结构1连接,大标距应变仪左右两端AC段和BD段的C端和D端的同一水平位置分别沿AC段和 BD段方向粘贴有光纤光栅传感器3,光纤光栅传感器3通过传输光纤4分别与光纤解调系统的
8输入通道连通。
所述大标距应变仪ACBD由三块钢板AC、 BD和CD依次垂直固定连接在同一平面内,成凹字 型布置,且大标距应变仪ACBD的AC段和BD段的悬挑端分别与待测结构固接。
所述大标距应变仪ACBD的左、右两端的两块钢板AC和BD的截面形状和抗弯刚度相同。
所述大标距应变仪ACBD的左、右两端的钢板AC和BD的形状截面与大标距应变仪第三块钢 板CD的形状截面不同。
所述大标距应变仪ACBD的钢板CD的抗弯刚度大于钢板AC和BD的抗弯刚度。
以上为本发明的一个典型实施例,本发明的实施不限于此。
权利要求
1.一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的方法,用于测量待测结构静态或动态应变,其特征在于测试步骤如下步骤一,安装固定待测结构;步骤二,在待测结构上确定需要测试应变的两点A和B,测量该两点A、B的间距W;步骤三,根据两点A、B的间距制作大标距应变仪ACBD,使大标距应变仪ACBD的AC段和BD段长度相等,且均为H;步骤四,在待测结构底部安装大标距应变仪ACBD,使大标距应变仪ACBD的两个悬挑端分别与待测结构上的待测两点A、B固定;步骤五,在大标距应变仪ACBD的AC段和BD段的C端和D端分别沿AC段和BD段方向粘贴光纤光栅传感器;步骤六,将光纤光栅传感器的传输光纤分别与光纤解调系统的输入通道连接;步骤七,开启光纤解调系统,测得大标距应变仪ACBD的C端和D端的反射波中心波长λ0C和λ0D;步骤八,在待测结构上施加荷载;步骤九,加载一段时间后,从光纤解调系统获得大标距应变仪ACBD的C端和D端第i时刻的光纤反射波中心波长λiC和λiD;步骤十,利用公式(1)和(2)计算大标距应变仪ACBD的C端和D端粘贴光纤光栅传感器处的平均应变εC和εD,<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>C</mi></msub> </mrow> <msub><mi>&lambda;</mi><mrow> <mn>0</mn> <mi>C</mi></mrow> </msub></mfrac><mo>=</mo><mn>0.78</mn><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>C</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <mrow><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>&lambda;</mi> <mi>D</mi></msub> </mrow> <msub><mi>&lambda;</mi><mrow> <mn>0</mn> <mi>D</mi></mrow> </msub></mfrac><mo>=</mo><mn>0.78</mn><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>D</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中,ΔλC=λiC-λ0C,ΔλD=λiD-λ0D;步骤十一,利用公式(3)获得待测结构上待测两点A和B长度范围内的应变εAB为,<maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>&epsiv;</mi> <mi>AB</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msup><mi>H</mi><mn>2</mn> </msup> <mrow><mn>3</mn><mi>hW</mi> </mrow></mfrac><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>&epsiv;</mi><mi>C</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub><mi>&epsiv;</mi><mi>D</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中,h为大标距应变仪ACBD的AC段或BD段厚度。
2.根据权利要求l所述的一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测 试的方法,其特征在于所述的大标距应变仪ACBD由三块钢板依次垂直固定连接在同一平面 内,其整体成凹字型布置,且大标距应变仪ACBD左、右两端的AC段和BD段的悬挑端分别与待 测结构固接。
3.根据权利要求l所述的一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测 试的方法,其特征在于所述光纤解调系统为SM130型光纤解调仪。
4.一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的装置,与待测结 构连接,其特征在于由大标距应变仪ACBD、光纤光栅传感器(FBG)和光纤解调系统组成 ,大标距应变仪ACBD与待测结构连接,大标距应变仪ACBD左右两端AC段和BD段的C端和D端的 同一水平位置分别沿AC段和BD段方向粘贴有光纤光栅传感器,光纤光栅传感器通过传输光纤 分别与光纤解调系统的输入通道连通。
5.根据权利要求4所述的一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测 试的装置,其特征在于所述大标距应变仪ACBD由三块钢板AC、 BD和CD依次垂直固定连接在 同一平面内,成凹字型布置,且大标距应变仪ACBD的AC段和BD段的悬挑端分别与待测结构固 接。
6.根据权利要求4所述的一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测 试的装置,其特征在于所述大标距应变仪ACBD的左、右两端的两块钢板AC和BD的截面形状 和抗弯刚度相同。
7.根据权利要求4所述的一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测 试的装置,其特征在于所述大标距应变仪ACBD的左、右两端的钢板AC和BD的形状截面与大 标距应变仪第三块钢板CD的形状截面不同。
8.根据权利要求4所述的一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测 试的装置,其特征在于所述大标距应变仪ACBD的钢板CD的抗弯刚度大于钢板AC和BD的抗弯 刚度。
全文摘要
一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的方法,属于一种应变测试方法,该方法应用一个“凹”字形卡具跨过待测应变区域,将获取待测区域内的大数值应变转化为测量“凹”字形卡具上两点数值较小的应变。“凹”字行卡具上的小数值应变由光纤光栅(FBG)传感器以及光纤解调设备获得。这样的应变测试方法,实现了应用光纤光栅测量大标距范围内、大数值应变的目的。这种方法较直接粘贴光纤光栅测量应变的方法,增加了应变测量的量程,也扩大了工程应用的范围。
文档编号G01B11/16GK101539404SQ20091030212
公开日2009年9月23日 申请日期2009年5月6日 优先权日2009年5月6日
发明者王利恒 申请人:中国航空工业第一集团公司北京长城计量测试技术研究所

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