一種二維應(yīng)變檢測(cè)的柔性高溫光柵應(yīng)變片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光纖光柵傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種能進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)件表面二維應(yīng)變檢測(cè)的柔性高溫光纖光柵應(yīng)變片。它是由“十”字形或“T”字形高溫恒彈合金基底、高溫布拉格光柵A、高溫布拉格光柵B和高溫布拉格光柵C以及耐高溫覆蓋層組成的；三只高溫布拉格光柵沿橫向和縱向用高溫膠固定在基底上，其中高溫布拉格光柵A和高溫布拉格光柵B兩端由高溫膠進(jìn)行固定，分別測(cè)量橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變，高溫布拉格光柵C單端自由，只感受溫度變化，以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能。應(yīng)用時(shí)需將應(yīng)變片焊接或粘接在被測(cè)構(gòu)件表面。本發(fā)明的柔性高溫光纖光柵應(yīng)變片能耐高溫、具有柔性、抗電磁干擾且安裝方便，適合復(fù)雜構(gòu)件表面的二維應(yīng)變檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測(cè)量。
【專利說明】一種二維應(yīng)變檢測(cè)的柔性高溫光柵應(yīng)變片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖光柵傳感【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種檢測(cè)構(gòu)件表面二維應(yīng)變的柔性高溫光柵應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)是用耐高溫金屬薄片和耐高溫布拉格光纖光柵結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境和復(fù)雜表面的二維應(yīng)變檢測(cè)。
【背景技術(shù)】
[0002]電阻應(yīng)變片是工程結(jié)構(gòu)或部件試驗(yàn)中應(yīng)變測(cè)量的傳統(tǒng)敏感元件。目前，應(yīng)用最為廣泛的是以各種應(yīng)變電阻合金箔為敏感柵的金屬箔式應(yīng)變片，它以制作方便、價(jià)格便宜、使用簡(jiǎn)便、測(cè)量可靠的優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)或部件的應(yīng)變測(cè)量。但是，這種以金屬箔式電阻應(yīng)變片為代表的電式傳感器在應(yīng)變測(cè)量領(lǐng)域有很多不足之處，例如，在進(jìn)行易燃易爆場(chǎng)合的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)時(shí)，電類傳感器中產(chǎn)生的電火花使得它應(yīng)用時(shí)具有很大的危險(xiǎn)性；電類傳感器易受電磁干擾從而導(dǎo)致精度大大降低；此外，高溫環(huán)境和構(gòu)件表面的不平整性也大大限制了電類傳感器的應(yīng)用。
[0003]光纖光柵是最近幾年發(fā)展最為迅速的光纖無源器件之一，自從1978K.0.Hill年等人首先在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制成世界上第一只光纖光柵以來，由于它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因而在光纖傳感領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用。以光纖光柵為敏感單元的傳感器相比傳統(tǒng)電類傳感器有很多的優(yōu)點(diǎn)，它有抗電磁干擾、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及便于成網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上光纖光柵已成為目前最有前途、最具有代表性的光纖傳感器件之一，它極大地拓寬了傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高了傳感器的檢測(cè)精度。
[0004]傳統(tǒng)的光纖光柵應(yīng)變片是以布拉格光纖光柵作為敏感器件的，這種光纖光柵應(yīng)變片相比金屬箔式應(yīng)變片有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是，這種光柵應(yīng)變片只能在主應(yīng)變方向已知的情況下進(jìn)行一維軸向應(yīng)變測(cè)量，不能對(duì)二維平面上的主應(yīng)變方向和大小進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于某些結(jié)構(gòu)，如高溫壓力管道，其表面應(yīng)變屬于二維應(yīng)變，基于FBG的一維應(yīng)變測(cè)量不能獲得管道表面的主應(yīng)力大小及方向，不能反映最大應(yīng)變值，因而不能滿足監(jiān)測(cè)要求。
[0005]現(xiàn)有的光纖光柵應(yīng)變片除了具有不能測(cè)量二維應(yīng)變的不足外，還缺乏溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?，同時(shí)大多傳感器只適用于平面構(gòu)件的應(yīng)變檢測(cè)，不能應(yīng)用于復(fù)雜表面的二維應(yīng)變測(cè)量。本發(fā)明提供了一種耐高溫、具有柔性、可以進(jìn)行二維應(yīng)變檢測(cè)并且兼具溫度補(bǔ)償功能的光纖光柵應(yīng)變片。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于解決傳統(tǒng)光纖光柵應(yīng)變片無法進(jìn)行二維應(yīng)變檢測(cè)的不足，提供一種能進(jìn)行二維表面應(yīng)變檢測(cè)的器件，同時(shí)該器件具有柔性、耐高溫的特點(diǎn)，并且具有溫度補(bǔ)償?shù)墓δ埽貏e適合于高溫壓力管道的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]用于二維應(yīng)變檢測(cè)的光纖光柵應(yīng)變片，以“十”字形或“T”字形金屬薄片作為基底，由二維布局的耐高溫布拉格光纖光柵、高溫膠和耐高溫覆蓋層組成。[0009]對(duì)于方形應(yīng)變片基底，在軸向受到拉伸之后，其橫向會(huì)發(fā)生一定程度的收縮，導(dǎo)致原本沒有應(yīng)變的橫向光柵特征波長(zhǎng)發(fā)生漂移，增大了測(cè)量誤差，而本發(fā)明所述的“十”字形金屬薄片基底即消除了這種現(xiàn)象，它由橫向金屬薄片和縱向金屬薄片組成，且為中心對(duì)稱圖形；高溫布拉格光柵A經(jīng)預(yù)拉后兩端固定在橫向金屬薄片的中心軸上，高溫布拉格光柵B經(jīng)預(yù)拉后兩端固定在縱向金屬薄片的中心軸上，高溫布拉格光柵C單端自由地固定在縱向金屬薄片上；所述的高溫布拉格光柵A只感受橫向應(yīng)變，高溫布拉格光柵B只感受縱向應(yīng)變，而高溫布拉格光柵C只感受溫度的變化，用于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)墓δ埽凰龅母邷夭祭窆鈻臕、高溫布拉格光柵B和高溫布拉格光柵C之間為光串行連接，且具有不同的特征波長(zhǎng)；高溫布拉格光柵A和高溫布拉格光柵B感受應(yīng)變后，其反射光的特征波長(zhǎng)發(fā)生變化，經(jīng)解調(diào)儀解調(diào)可測(cè)得特征波長(zhǎng)的變化量，由特征波長(zhǎng)的變化量可確定待測(cè)應(yīng)變的大小，此時(shí)光纖光柵應(yīng)變片即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件表面二維應(yīng)變檢測(cè)兼具溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹?br> [0010]所述的金屬薄片基底和耐高溫覆蓋層材料的熱膨脹系數(shù)盡量與被測(cè)構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)相同，以減小由于熱脹系數(shù)差異所導(dǎo)致的測(cè)量誤差；所述的金屬薄片基底材料選擇能在300V高溫下穩(wěn)定工作的高溫恒彈合金。
[0011]所述的“十”字形金屬薄片基底為正方形,厚度為0.5mm至1.5mm,長(zhǎng)度和寬度相等，均為3cm至5cm,且橫向金屬薄片和縱向金屬薄片寬度相等,均為Icm至2cm ;實(shí)際應(yīng)用中基底的尺寸可由具體應(yīng)用需要而定，但橫向金屬薄片寬度一般不應(yīng)超過總寬度的三分之一，以消除應(yīng)變片橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變的相互耦合；本發(fā)明中所用“十”字形應(yīng)變片尺寸已在圖1中標(biāo)示出。
[0012]所述的高溫布拉格光柵A和高溫布拉格光柵B在進(jìn)行固定時(shí)，須有適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，以保證高溫布拉格光柵能感受構(gòu)件收縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變。
[0013]所述的“T”字形光纖光柵應(yīng)變片與“十”字形光纖光柵應(yīng)變片功能基本相同，都能進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)件表面的二維應(yīng)變檢測(cè)，且具有耐高溫、柔性和溫度補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，制作方法和要求與“十”字形應(yīng)變片相同，優(yōu)勢(shì)在于，與“十”字形應(yīng)變片相比，它更加適合于測(cè)量“T”字形構(gòu)件或管道表面的二維應(yīng)變。
[0014]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所采用的方法是選用適當(dāng)?shù)母邷睾銖椇辖鸾饘俦∑鳛榛?，然后根?jù)應(yīng)力應(yīng)變分析將高溫布拉格光纖光柵適當(dāng)預(yù)拉后用高溫膠固定在金屬基底之上，最后用耐高溫覆蓋層對(duì)整個(gè)應(yīng)變片進(jìn)行保護(hù)性封裝。對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測(cè)時(shí)需要將待測(cè)構(gòu)件表面進(jìn)行打磨、清洗，然后將制作好的光纖光柵應(yīng)變片用焊接或粘接工藝固定在構(gòu)件表面。
[0015]本發(fā)明是一種能進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)件表面二維應(yīng)變檢測(cè)的應(yīng)變檢測(cè)器件，同時(shí)具有柔性、耐高溫和溫度補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。本發(fā)明應(yīng)變片具有靈敏度高、本質(zhì)安全、重量輕、體積小、便于成網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。由于應(yīng)變片的敏感元件為耐高溫布拉格光纖光柵，所以這種應(yīng)變檢測(cè)器件能抗電磁干擾、成本低、耐腐蝕以及可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式多點(diǎn)測(cè)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明所述的“十”字形光纖光柵應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明所述的“T”字形光纖光柵應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明所述的用于二維復(fù)雜構(gòu)件表面應(yīng)變檢測(cè)的系統(tǒng)原理圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0019]下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0020]結(jié)合圖1，本發(fā)明是一種能檢測(cè)復(fù)雜構(gòu)件表面二維應(yīng)變的耐高溫光纖光柵應(yīng)變片，它是由“十”字形金屬薄片基底(4)、高溫布拉格光柵A(I)、高溫布拉格光柵B (2)、高溫布拉格光柵C(3)以及耐高溫覆蓋層(5)組成的；三只高溫布拉格光柵通過高溫膠固定在基底(4)上面，耐高溫覆蓋層(5)通過高溫膠粘貼在三只高溫布拉格光柵上面；三只高溫布拉格光柵之間為光串行連接，且具有不同的特征波長(zhǎng)；在焊接點(diǎn)(6)處將光纖光柵應(yīng)變片固定在構(gòu)件表面；其中應(yīng)變片尺寸已在圖1中標(biāo)示出。
[0021]本發(fā)明是一種能進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)件表面二維應(yīng)變檢測(cè)的柔性高溫光纖光柵應(yīng)變片，具體實(shí)施步驟如下:
[0022]步驟一:制備光纖光柵應(yīng)變片
[0023]1.應(yīng)變片制備
[0024]“十”字形金屬薄片或“T”字形金屬薄片的具體大小應(yīng)根據(jù)待測(cè)構(gòu)件的大小進(jìn)行制作，實(shí)際尺寸和本發(fā)明所述成比例即可，然后將處理好的“十”字形或“T”字形金屬薄片基底
(4)平放在加工平臺(tái)上，再把準(zhǔn)備好的高溫布拉格光柵如圖用高溫膠進(jìn)行固定，固定時(shí)高溫布拉格光柵A和高溫布拉格光柵B應(yīng)有適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力，以保證應(yīng)變片能感受構(gòu)件收縮時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變，最后將耐高溫覆蓋層放在布拉格光纖光柵上面用高溫膠進(jìn)行固定。
[0025]2.應(yīng)變片檢查
[0026]檢查制做的光纖光柵應(yīng)變片的基底和覆蓋層是否平整、露在外面的光纖部分有無損傷、整個(gè)應(yīng)變片是否粘貼牢固，并檢查應(yīng)變片的高溫膠是否被擠出太多，如有多余部分應(yīng)用小刀輕輕切去(外圍應(yīng)留有一定量的膠水，但不宜太多，一般Imm至2mm即可)，此時(shí)還應(yīng)測(cè)量并記錄光纖光柵應(yīng)變片的特征波長(zhǎng)，以便做誤差分析。
[0027]步驟二:粘貼光纖光柵應(yīng)變片
[0028]1.處理待測(cè)構(gòu)件表面
[0029]采用刮刀或挫刀打磨的方式以清除待測(cè)構(gòu)件表面氧化皮及污垢等松動(dòng)物質(zhì)，再用細(xì)砂皮紙?jiān)跇?gòu)件表面粘貼部位(一般應(yīng)大于應(yīng)變片面積3?5倍)進(jìn)行打磨，或者用噴砂、電砂輪等提高構(gòu)件表面的粗糙程度，然后使用脫酯棉球蘸取清潔劑，如丙酮、無水酒精或四氯化碳等溶劑清洗被測(cè)構(gòu)件表面上待粘應(yīng)變片處的有機(jī)污垢，直至棉球上無明顯油潰為止。
[0030]2.固定光纖光柵應(yīng)變片
[0031]采用焊接或粘接技術(shù)將光纖光柵應(yīng)變片固定在構(gòu)件表面。
[0032]步驟三:貼片后處理
[0033]將光纖光柵應(yīng)變片焊接或粘接到構(gòu)件表面后，最后再噴一層耐高溫保護(hù)隔絕層，以隔絕光纖光柵應(yīng)變片和外界空氣，起到防潮防水，保護(hù)應(yīng)變片的目的。
[0034]結(jié)合圖2，“T”字形光纖光柵應(yīng)變片，由金屬薄片基底(4)、高溫布拉格光柵A (I)、高溫布拉格光柵B (2)、高溫布拉格光柵C (3)和耐高溫覆蓋層(5)組成；高溫布拉格光柵A(I)和高溫布拉格光柵B(2)兩端固定在金屬薄片基底的中心軸處，分別感受橫向和縱向應(yīng)變，高溫布拉格光柵C (3)單端自由，只感受溫度變化，用以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能；三只高溫布拉格光柵之間為光串行連接，具有不同的特征波長(zhǎng)；在焊接點(diǎn)(6)將光纖光柵應(yīng)變片固定在構(gòu)件表面；應(yīng)變片尺寸已在圖2中標(biāo)不出。
[0035]結(jié)合圖3，由寬帶激光器(I)發(fā)出的寬帶光經(jīng)光纖(2)傳輸進(jìn)入至三端口光環(huán)形器(3)的a端口，由b端口傳出后再經(jīng)光纖(2)傳輸至位于構(gòu)件表面上的光纖光柵應(yīng)變片
(4),實(shí)時(shí)感應(yīng)構(gòu)件表面應(yīng)變后，光纖光柵反射光的特征波長(zhǎng)值發(fā)生變化，反射光再經(jīng)三端口光環(huán)形器(3)的b端口最后由c端口傳出至解調(diào)儀(5)。由解調(diào)儀可讀出與構(gòu)件表面應(yīng)變量成一定比例的特征波長(zhǎng)的變化值，通過監(jiān)測(cè)特征波長(zhǎng)的變化值即可以實(shí)現(xiàn)間接測(cè)量構(gòu)件表面應(yīng)變的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種能進(jìn)行復(fù)雜構(gòu)件表面二維應(yīng)變檢測(cè)的高溫光纖光柵應(yīng)變片，它是由高溫恒彈合金基底、高溫布拉格光柵A、高溫布拉格光柵B和高溫布拉格光柵C以及耐高溫覆蓋層組成的，其特征在于:高溫恒彈合金基底為“十”字形或“T”字形，三只高溫布拉格光柵用高溫膠固定在基底上，并且用耐高溫覆蓋層加以封裝保護(hù)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于復(fù)雜構(gòu)件表面二維應(yīng)變檢測(cè)的高溫光纖光柵應(yīng)變片，其特征是:金屬薄片基底和覆蓋層為“十”字形或“T”字形，其中，“十”字形基底尺寸:厚度為0.5mm至1.5mm,長(zhǎng)度和寬度相等,均為3cm至5cm,且橫向金屬薄片和縱向金屬薄片寬度相等，均為Icm至2cm ;橫向金屬薄片寬度不超過總寬度的三分之一。
3.如權(quán)利要求1所述的用于復(fù)雜構(gòu)件表面二維應(yīng)變檢測(cè)的高溫光纖光柵應(yīng)變片，其特征是:金屬薄片基底材料選擇能在300°C高溫下穩(wěn)定工作的高溫恒彈合金。
4.如權(quán)利要求1所述的用于復(fù)雜構(gòu)件表面二維應(yīng)變檢測(cè)的高溫光纖光柵應(yīng)變片，其特征是:高溫布拉格光柵A和高溫布拉格光柵B兩端固定，高溫布拉格光柵C單端自由。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK103968773SQ201310040920
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月29日
【發(fā)明者】劉月明, 高曉良, 蔡慶木, 吳剛, 夏忠誠(chéng) 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院