本發(fā)明涉及應力測量技術領域，特別涉及一種用于桿件應力測量的光纖光柵測量系統(tǒng)。

背景技術：

通常，光纖布拉格光柵是一種非常有實用價值的光學傳感器，具有體積小、抗電磁干擾等優(yōu)點。但是光纖布拉格光柵在實際傳感測量中，存在應變和溫度交叉敏感問題。光纖光柵同時對溫度和應變敏感，當溫度和應變同時發(fā)生變化時，僅依賴單個光纖光柵波長變化量，將無法區(qū)分由溫度和應變引起的波長變化。對于1550nm波段的光纖光柵，其溫度靈敏度系數(shù)約為10.8pm/℃，應變靈敏度系數(shù)約為1.2pm/με，那么1℃溫度變化將會引起10με的測試誤差。因此，在溫度變化較大時，用光纖光柵做應變傳感必須考慮溫度的交叉敏感影響。目前，為了減小由溫度變化引起的誤差，通常使用一根參考光纖光柵對測量結果的誤差進行補償，參考光柵粘貼在測量光柵的附近，其柵區(qū)懸空，即不受應力影響，同時與測量光柵感受同樣的溫度變化，用測量光柵的中心波長變化量減去參考光柵的中心波長變化即可達到溫度補償?shù)哪康?。在現(xiàn)有技術，申請?zhí)枮?0141001166.3的專利申請中，采用了四根光纖光柵，通過對溫度進行補償對扭矩進行測量的方法，然而，這種補償方法中，粘貼于結構件上的應力測量光柵與懸空的溫補光柵相比，還存在粘貼劑及基體等彈性體材料因溫度而產生的變化，參考光柵法無法補償這部分溫度影響，并且當結構件在某些情況下存在彎矩時，也會在測量應力數(shù)據(jù)中引入誤差。

因此，需要一種能有效實消除多種影響的一種用于桿件應力測量的光纖光柵測量系統(tǒng)及測量方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個方面在于提供一種用于桿件應力測量的光纖光柵測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)包括光源、信號解調儀、耦合器以及光纖光柵組，所述光纖光柵組包括第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵，所述第一光纖光柵粘貼在桿件的上表面，其中所述第一光纖光柵的柵區(qū)軸向與待測應力方向一致；

所述第二光纖光柵與所述第一光纖光柵對應的粘貼在所述桿件的下表面，其中所述第二光纖光柵的柵區(qū)與待測應力方向一致；

所述第三光纖光柵與所述第一光纖光柵垂直，并且所述第三光纖光柵的兩側邊以所述第一光纖光柵的中心線為對稱軸對稱的粘貼在所述桿件的上表面；

所述第四光纖光柵與所述第二光纖光柵垂直，并且所述第四光纖光柵的兩側邊以所述第二光纖光柵的中心線為對稱軸對稱的粘貼在所述桿件的下表面，其中第四光纖光柵與所述第三光纖光柵相對應；

所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵串聯(lián)連接。

優(yōu)選地，光纖光柵選用光譜反射率為90％以上的切趾光纖光柵。

優(yōu)選地，粘貼所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵的粘貼劑采用環(huán)氧樹脂膠。

優(yōu)選地，粘貼所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵的粘貼劑可以是502、3M-420、353ND、1C-LV中的一種或多種。

優(yōu)選地，所述光源為寬帶光源。

本發(fā)明的另一個方面在于提供一種測量桿件應力的方法，所述方法包括如下步驟：

a、對桿件需要粘貼光纖光柵的表面沿光纖光柵中心線呈±45°角的方向用砂紙進行打磨；

b、利用脫脂棉、酒精或丙酮對表面進行清洗，粘貼所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵；

c、所述寬帶光源發(fā)射光信號經過所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵，采集所述光信號波長漂移信息；

d、利用采集到的經過所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵的光信號獲取波長漂移信息，得到桿件應力與波長漂移的關系；

e、利用步驟d中得到的關系對待測桿件進行測量。

本發(fā)明從結構上消除了桿件應力測量過程中溫度對光纖光柵應變測量的交叉串擾，并且補償了桿件彎矩載荷的影響。光纖光柵布局結構簡單、易于操作，解耦方法具有較強的穩(wěn)定性和抗干擾能力，同時測得的桿件應力結果具有很高的靈敏度。

應當理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發(fā)明所要求保護內容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出本發(fā)明光纖光柵測量系統(tǒng)的連接示意圖；

圖2示出了本發(fā)明光纖光柵組不同光纖光柵布置結構圖；

圖3示出了本發(fā)明光纖光柵粘貼在桿件上表面的結構圖；

圖4示出了本發(fā)明光纖光柵粘貼在桿件下表面的結構圖；

圖5示出了本發(fā)明桿件應力與波長漂移的關系。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本實施例對本發(fā)明提供的一種用于桿件應力測量的光纖光柵測量系統(tǒng)及測量方法做詳細說明，如圖1所示本發(fā)明光纖光柵測量系統(tǒng)的連接示意圖，本實施例中用于桿件應力測量的光纖光柵測量系統(tǒng)包括光源101、信號解調儀104、耦合器102以及光纖光柵組103。

其中，光纖光柵組103包括第一光纖光柵103a、第二光纖光柵103b、第三光纖光柵103c和第四光纖光柵103d。

上述系統(tǒng)對于測量桿件的應力時，將光纖光柵組103粘貼在桿件對桿件應力測量。本實施例中，選用光源101為寬帶光源提供光信號，信號調解儀104對采集的光信號進行調解。在另一些實施例中耦合器105可以選擇環(huán)形器來代替。

本實施例第一光纖光柵103a、第二光纖光柵103b、第三光纖光柵103c和第四光纖光柵103d優(yōu)選光譜反射率為90％以上的切趾光纖光柵。

如圖2所示本發(fā)明光纖光柵組不同光纖光柵布置結構圖，本發(fā)明通過將光纖光柵組103的第一光纖光柵103a、第二光纖光柵103b、第三光纖光柵103c和第四光纖光柵103d合理布置粘貼桿件201上，對桿件進行測量，具體為：

第一光纖光柵103a粘貼在桿件的上表面，其中第一光纖光柵103a的柵區(qū)軸向應當與桿件201所受到的應力P的方向一致。

第二光纖光柵103b粘貼在桿件201的下表面，其中第二光纖光柵103b的柵區(qū)軸向應當與桿件201所受到的應力P的方向一致。

上述第一光纖光柵103a與第二光纖光柵b相互對應，也就是說第一光纖光柵103a與第二光纖光柵b在桿件201的上下表面相互對稱的位置。

第三光纖光柵103c粘貼在桿件201的上表面，并且與第一光纖光柵103a垂直。需要說明的是，這里的垂直粘貼使得第三光纖光柵103c的柵區(qū)與第一光纖光柵103a的柵區(qū)保持垂直。

第四光纖光柵130d戰(zhàn)爹在桿件201的下表面，并且與第二光纖光柵103b垂直。需要說明的是，這里的垂直粘貼使得第四光纖光柵103d的柵區(qū)與第二光纖光柵103b的柵區(qū)保持垂直。

如圖3所示本發(fā)明光纖光柵粘貼在桿件上表面的結構圖；圖4所示本發(fā)明光纖光柵粘貼在桿件下表面的結構圖。

第三光纖光柵103c的兩側邊以第一光纖光柵103a的中心線103a，為對稱軸粘貼在桿件201的上表面。

第四光纖光柵103d的兩側邊以第二光纖光柵103b的中心線103b，為對稱軸粘貼在桿件201的下表面。

應當理解的是，根據(jù)上述的粘貼方式，第三光纖光柵103c和第四光纖光柵103d在桿件201的上下表面相對應。

本發(fā)明中第一光纖光柵103a、第二光纖光柵103b、第三光纖光柵103c和第四光纖光柵103d串聯(lián)連接。

本實施例中，上文中所述第一光纖光柵103a、第二光纖光柵103b、第三光纖光柵103c和第四光纖光柵103d優(yōu)選環(huán)氧樹脂膠作為粘貼劑。在另一些實施例中粘貼所述第一光纖光柵103a、第二光纖光柵103b、第三光纖光柵103c和第四光纖光柵103d的粘貼劑可以是502、3M-420、353ND、1C-LV中的一種或多種。

本實施例下面通過對本發(fā)明光纖光柵測量系統(tǒng)所采用的結構對桿件的測量原理和測量過程進行具體的說明。

為了清楚的說明，首選對光纖光柵的反射原理進行說明，光纖光柵的中心波長與有效折射率的數(shù)學關系是研究光柵傳感的基礎。從麥克斯韋方程出發(fā)，結合耦合模理論，利用光纖光柵傳輸模式的正交關系，得到，光柵反射波長的基本表達式為：

λ_B＝2n_effΛ (1)

其中，n_eff為纖芯的有效折射率，Λ為光纖光柵周期。

對反射波長的基本表達式(1)取微分，可得到光纖光柵中心波長漂移量Δλ_B的表達式為：

Δλ_B＝2n_effΔΛ+2Δn_effΛ (2)

式中，ΔΛ表示光纖光柵的周期性發(fā)生了改變，主要受溫度與應力應變的影響；Δn_eff表示纖芯有效折射率發(fā)生了改變，主要受熱光效應與彈光效應的影響。光纖光柵的波長變化由光纖光柵的有效折射率和光纖周期決定，任何使兩個參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光纖布拉格光柵的波長漂移。在所有引起布拉格光柵波長漂移的外界因素中，最根本最直接的物理量是溫度和應變。當布拉格光柵受到外界應變(或應力)，無論是對光柵拉伸還是擠壓，都勢必導致光柵周期Λ的變化，并且光纖本身所具有的彈光效應使得有效折射率n_eff也隨外界應力狀態(tài)的變化而改變；當布拉格光柵受到外界溫度影響時，熱膨脹會使光柵周期發(fā)生變化，同時熱敏效應會導致光柵的有效折射率變化。

基于上述原理，利用本發(fā)明用于桿件應力測量的光纖光柵測量系統(tǒng)對桿件進行測量的方法具體包括如下步驟：

步驟S1、對桿件201需要粘貼光纖光柵的表面沿光纖光柵中心線呈±45°角的方向用砂紙進行打磨；

步驟S2、利用脫脂棉、酒精或丙酮對表面進行清洗，粘貼所述第一光纖光柵130a、第二光纖光柵103b、第三光纖光柵103c和第四光纖光柵103d；

步驟S3、寬帶光源101發(fā)射光信號經過所述第一光纖光柵103a、第二光纖光柵103b、第三光纖光柵103c和第四光纖光柵103d，解調儀104采集所述光信號波長漂移信息；

步驟S4、利用采集到的經過所述第一光纖光柵、第二光纖光柵、第三光纖光柵和第四光纖光柵的光信號獲取波長漂移信息，得到桿件應力與波長漂移的關系；

步驟S5、利用步驟S4中得到桿件應力與波長漂移的關系對待測桿件進行測量。

本發(fā)明中第三光纖光柵103c與第四光纖光柵103d主要功能測量溫度變化，當溫度發(fā)生變化，第一光纖光柵130a、第二光纖光柵103b、第三光纖光柵103c和第四光纖光柵103d的中心波長均發(fā)生漂移，Δλ_T＝Δλ_T1＝Δλ_T2＝Δλ_T3＝Δλ_T4。本領域技術人員應當理解，這里所說的中心波長是指反射波長中能量最大的波長。

如果桿件在受到拉伸力P時，第一光纖光柵103a和第二光纖光柵103b感知到拉伸力，從而引起中心波長漂移Δλ_P＝Δλ_P1＝Δλ_P2。

如果桿件存在彎矩M或M‘影響，那么粘貼在桿件201上表面的第一光纖光柵103a和第三光纖光柵103c感知到拉應變，粘貼在桿件201下表面的第二光纖光柵103b和第四光纖光柵103d感應到壓應變，引起波長中心漂移分別為Δλ_M＝Δλ_M1＝-Δλ_M2，Δλ_M'＝Δλ_M3＝-Δλ_M4。

本實施例中第一光纖光柵103a和第二光纖光柵103b的中心波長漂移Δλ_B1和Δλ_B2受到拉伸力、溫度和彎矩的影響，具體表述為：

Δλ_B1＝Δλ_P1+Δλ_M1+Δλ_T1 (3)

Δλ_B2＝Δλ_P1+Δλ_M1+Δλ_T1 (4)

本發(fā)明第一光纖光柵103a與第三光纖光柵103c垂直粘貼；第二光纖光柵103b與第四光纖光柵103d垂直粘貼，使得信號解耦更加穩(wěn)定，抗干擾能力增強。

第三光纖光柵103c和第四光纖光柵的中心波長漂移為表述為：

Δλ_B3＝Δλ_M'3+Δλ_T3 (5)

Δλ_B4＝Δλ_M'4+Δλ_T4 (6)

如圖5所示本發(fā)明桿件應力與波長漂移的關系，由本發(fā)明所提供的光纖光柵測量系統(tǒng)獲得得到桿件應力與波長漂移的關系，計算式如下

其中，β為應力靈敏度系數(shù)。

本發(fā)明上述的補償方法有效地補償了粘貼劑及基體等彈性體材料因溫度而產生的變化。

本發(fā)明從結構上消除了桿件應力測量過程中溫度對光纖光柵應變測量的交叉串擾，并且補償了桿件彎矩載荷的影響。光纖光柵布局結構簡單、易于操作，解耦方法具有較強的穩(wěn)定性和抗干擾能力，同時測得的桿件應力結果具有很高的靈敏度。

結合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。