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专利名称：一种采用光纤光栅传感器的薄板形变测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种采用光纤光栅(FBG)传感器的简支薄板形变测量装置，属于光纤传感技术领域。
背景技术：
弹性平板和板状结构在现代工程实践中有着广泛的应用，当平板的宽度与厚度比值在15以上时为薄板，薄板是一种最常见的工程构件形式，例如航天工程中的一些部件是薄板，如火箭尾翼，太阳能翼板等；海上石油平台，水下实验室同样是薄板结构；在建筑工程中，平板结构有门，楼板，平顶，阳台，墙壁，地基等等，另外在交通领域，轮船甲板，火车，汽车底板，飞机场跑道等等场所处处可见薄板。当外力作用在薄板上时，薄板将会发生形变，工程师们常常需要测量或评估薄板的变形，应力和挠度等参数。对于薄板的形变测量，最常见的方法是直接采用千分表，但千分表的使用有很多局限性，例如当被测薄板被封闭起来，或者处于极端恶劣的环境下都将无法使用。另一种方法则是建立薄板在可能的横向干扰时弹性力学的数理方程，通过求解该方程来对平板的形变进行评估，实施过程通常是采用有限元分析，但是有限元分析计算较为复杂，计算量大，耗费时间较长。并且，该方法对薄板整体形变的评估是建立在特殊受力假设的基础上，与平板的实际受力情况具有较大差异，因此该方法并不能精确地还原薄板形变的全貌。最后一种方法则是利用传感器，将传感器埋设在薄板的不同检测点，通过传感器测量出相应点的应变和应力信息，其中传感器可以是传统的电阻应变片或是新型的光纤传感器，但是该方法通常只能测量有限的检测点，如需测量全局的信息则需要埋设大量的传感单元，不仅大大增加了成本，甚至可能会对被测主体产生一定的破坏。为了解决这一问题，本实用新型提出了一种利用FBG传感器来测量和预测薄板形变的方法并设计了该实用装置。基于FBG传感器的传感过程是通过外界对FBG中心波长的调制来获取信息的一种波长调制型光纤传感器。与传统的电传感器相比，由于它具有抗电磁干扰能力强、抗腐蚀、传感探头结构简单、测量重复性好、便于构成各种形式的光纤传感网络等优点，在石油化工、电力、桥梁及航天等一些特殊或者复杂的应用场合，成为了研究的热点。尤其引人注目的是，FBG微小的尺寸使其特别易于埋入材料本身，在不影响主体性能的情况下可以形成所谓的智能结构。因此，FBG传感器是检测薄板应力的一个良好器件，适合提供实时的结构形变检测。
发明内容本实用新型的目的是克服已有技术的不足之处，提供可实现简支薄板形变测量的装置，通过使用轻质化的FBG传感器，从而替代传统的电阻应变片进行薄板受力的测量。该装置适应性更好、体积小、不影响薄板的性能、对电磁干扰免疫，具有长期工作稳定性的优点。本实用新型采用的技术方案如下:[0007]—种采用光纤光栅传感器的薄板形变测量装置，包括高功率宽带光源、光隔离器、光耦合器、光纤F-P可调滤波器、光电探测器、直流偏振电路、带功率输出的加法器和计算机，还包括由5根光纤光栅组成的FBG传感器阵列,其中的4根光纤光栅通过施加预应力的方式分别埋设固定在待测薄板的底部，另外I根光纤光栅通过不施加预应力的方式埋设在待测薄板的中心作为参考；高功率宽带光源通过光隔离器与光耦合器的输入端相连，所述光耦合器的输出端第一路输出到空置端口，再通过折射率匹配液将多余信号吸收掉，第二路输出到FBG传感器阵列中，第三路与光纤F-P可调滤波器连接；所述光纤F-P可调滤波器与光电探测器连接，光电探测器的信号输出到计算机；所述光纤F-P可调滤波器的谐振波长通过驱动电压控制，驱动电压由计算机产生的锯齿波以及直流偏振电路经带功率输出的加法器产生的信号组成。所述4根光纤光栅可以呈几何对称的形状分布，采用的光纤光栅的长度小于IOmm并大于5mmο本实用新型采用FBG传感器的薄板形变测量装置的工作原理是，将4根FBG预先埋设在薄板的固定位置，当薄板受到横向压力的作用后，通过检测4个固定位置处FBG的中心波长偏移量，获得该处的应变和形变的信息，随后利用弹性薄板的受力形变理论，根据集中应力下简支平板的挠度解析解，利用已测得位置的应变信息逆向推断出该解析解的待定参数，最后通过计算该解析表达式获得薄板全局的挠度和应变信息。为了测量FBG传感阵列的中心波长移动，本实用新型采用高功率宽带光源，高功率光源在更长距离使用并能够提高波长解调的精度。宽带光源的光到达FBG传感器阵列后，从FBG反射回来的窄带光进入到可调谐F-P滤波器进行滤波，只有当传感FBG的中心波长与F-P滤波器透射中心波长一致时，透射光能量才能达到最大，此时F-P滤波器的驱动电压值即对应该FBG的中心波长，计算机通过采集和记录此时的电压值即可解调出FBG的中心波长偏移量，从而还原该FBG所埋位置的应变信息。与其它FBG传感系统一样，本实用新型的FBG传感器也存在温度串扰的问题，即温度的变化会引起FB G的工作波长变化，从而带来测量误差。为了解决这一问题，本实用新型采用参考光栅的方法，在薄板的中心埋设一根参考FBG，对该光栅不施加预应力而使其自由放置，因此该光栅的波长偏移量仅来自薄板的温度变化，通过检测参考光栅的中心波长偏移量，将温度信息提取出来，然后在其余4根传感FBG的测量结果中剔除温度的影响，就可以精确测量出由应变造成的波长移动，从而解决了温度和应变的交叉敏感问题。本实用新型的工作原理为:根据薄板形变理论，小挠度弹性薄板平衡方程为:
DV4w = q(.r,j；),式中
, 7 , d2w d4w fi4wV4W = V2 (V2W) = + 2-V-T +
&4 dx2dy2 办，4其中w是薄板平面的横向位移即挠度，q(x，y)是作用在板上的横向载荷强度。根据经典弹性理论，所有与平板形变相关的参数比如弯矩，扭矩，应力，剪力等都与挠度相关，因此只要获得挠度就可以依据它们之间的关系解出其它各参数。例如应力的表达式为:[0018]
权利要求1.一种采用光纤光栅传感器的薄板形变测量装置，包括高功率宽带光源、光隔离器、光耦合器、光纤F-P可调滤波器、光电探测器、直流偏振电路、带功率输出的加法器和计算机，其特征在于，该装置还包括由光纤光栅组成的FBG传感器阵列，光纤光栅埋设在待测薄板内；高功率宽带光源通过光隔离器与光耦合器的输入端相连，所述光耦合器的输出端第一路输出到空置端口，再通过折射率匹配液将多余信号吸收掉，第二路输出到FBG传感器阵列中，第三路与光纤F-P可调滤波器连接；所述光纤F-P可调滤波器与光电探测器连接，光电探测器的信号输出到计算机；所述光纤F-P可调滤波器的谐振波长通过驱动电压控制，驱动电压由计算机产生的锯齿波以及直流偏振电路经带功率输出的加法器产生的信号组成。
2.根据权利要求1所述的一种采用光纤光栅传感器的薄板形变测量装置，其特征在于，所述FBG传感器阵列由5根光纤光栅组成，其中4根光纤光栅分别埋设固定在待测薄板的底部，另外I根光纤光栅通过不施加预应力的方式埋设在待测薄板的中心作为参考。
3.根据权利要求2所述的一种采用光纤光栅传感器的薄板形变测量装置，其特征在于，所述4根光纤光栅呈几何对称的形状分布。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种采用光纤光栅传感器的薄板形变测量装置，其特征在于，所述光纤光栅的长度小于IOmm,大于5mm。
专利摘要本实用新型提供了一种采用光纤光栅(FBG)传感器的薄板形变测量装置，属于光纤传感领域。主要包括高功率宽带光源、光隔离器、光耦合器、光纤F-P可调滤波器、光电探测器、由光纤光栅组成的FBG传感器阵列、直流偏振电路、带功率输出的加法器以及基于虚拟仪器的进行信号处理的计算机。该装置在薄板的4个不同位置各埋设1根FBG传感器，通过解调系统检测出各点的应变信息，再通过计算机还原出计算平板各点挠度和应变的必要参数，即可获得薄板其余各点的挠度和应变，并最终由计算机直观地显示。本实用新型利用4根FBG就可以获得整个薄板的挠度和应变信息，大大节约了传感器的数量，并具有结构简单、探头尺寸小等优点。
文档编号G01B11/16GK203011351SQ20122060184
公开日2013年6月19日 申请日期2012年11月15日 优先权日2012年11月15日
发明者汪弋平, 王鸣, 黄晓琴, 郝辉, 陶进 申请人:南京师范大学