一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统及测量方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统，所述测量系统包括光源、信号解调仪、耦合器以及光纤光栅组，所述光纤光栅组包括串联连接的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，所述第一光纤光栅粘贴在杆件的上表面，其中所述第一光纤光栅的栅区轴向与待测应力方向一致；所述第二光纤光栅与所述第一光纤光栅对应的粘贴在所述杆件的下表面，所述第三光纤光栅与所述第一光纤光栅垂直，并且所述第三光纤光栅的两侧边以所述第一光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的上表面。本发明专利技术从结构上消除了温度对光纤光栅应变测量的交叉串扰，并且补偿了杆件弯矩载荷的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及应力测量
，特别涉及一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统。
技术介绍
通常，光纤布拉格光栅是一种非常有实用价值的光学传感器，具有体积小、抗电磁干扰等优点。但是光纤布拉格光栅在实际传感测量中，存在应变和温度交叉敏感问题。光纤光栅同时对温度和应变敏感，当温度和应变同时发生变化时，仅依赖单个光纤光栅波长变化量，将无法区分由温度和应变引起的波长变化。对于1550nm波段的光纤光栅，其温度灵敏度系数约为10.8pm/℃，应变灵敏度系数约为1.2pm/με，那么1℃温度变化将会引起10με的测试误差。因此，在温度变化较大时，用光纤光栅做应变传感必须考虑温度的交叉敏感影响。目前，为了减小由温度变化引起的误差，通常使用一根参考光纤光栅对测量结果的误差进行补偿，参考光栅粘贴在测量光栅的附近，其栅区悬空，即不受应力影响，同时与测量光栅感受同样的温度变化，用测量光栅的中心波长变化量减去参考光栅的中心波长变化即可达到温度补偿的目的。在现有技术，申请号为20141001166.3的专利申请中，采用了四根光纤光栅，通过对温度进行补偿对扭矩进行测量的方法，然而，这种补偿方法中，粘贴于结构件上的应力测量光栅与悬空的温补光栅相比，还存在粘贴剂及基体等弹性体材料因温度而产生的变化，参考光栅法无法补偿这部分温度影响，并且当结构件在某些情况下存在弯矩时，也会在测量应力数据中引入误差。因此，需要一种能有效实消除多种影响的一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统及测量方法。
技术实现思路
本专利技术的一个方面在于提供一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统，所述测量系统包括光源、信号解调仪、耦合器以及光纤光栅组，所述光纤光栅组包括第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，所述第一光纤光栅粘贴在杆件的上表面，其中所述第一光纤光栅的栅区轴向与待测应力方向一致；所述第二光纤光栅与所述第一光纤光栅对应的粘贴在所述杆件的下表面，其中所述第二光纤光栅的栅区与待测应力方向一致；所述第三光纤光栅与所述第一光纤光栅垂直，并且所述第三光纤光栅的两侧边以所述第一光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的上表面；所述第四光纤光栅与所述第二光纤光栅垂直，并且所述第四光纤光栅的两侧边以所述第二光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的下表面，其中第四光纤光栅与所述第三光纤光栅相对应；所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅串联连接。优选地，光纤光栅选用光谱反射率为90％以上的切趾光纤光栅。优选地，粘贴所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅的粘贴剂采用环氧树脂胶。优选地，粘贴所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅的粘贴剂可以是502、3M-420、353ND、1C-LV中的一种或多种。优选地，所述光源为宽带光源。本专利技术的另一个方面在于提供一种测量杆件应力的方法，所述方法包括如下步骤：a、对杆件需要粘贴光纤光栅的表面沿光纤光栅中心线呈±45°角的方向用砂纸进行打磨；b、利用脱脂棉、酒精或丙酮对表面进行清洗，粘贴所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅；c、所述宽带光源发射光信号经过所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，采集所述光信号波长漂移信息；d、利用采集到的经过所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅的光信号获取波长漂移信息，得到杆件应力与波长漂移的关系；e、利用步骤d中得到的关系对待测杆件进行测量。本专利技术从结构上消除了杆件应力测量过程中温度对光纤光栅应变测量的交叉串扰，并且补偿了杆件弯矩载荷的影响。光纤光栅布局结构简单、易于操作，解耦方法具有较强的稳定性和抗干扰能力，同时测得的杆件应力结果具有很高的灵敏度。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示意性示出本专利技术光纤光栅测量系统的连接示意图；图2示出了本专利技术光纤光栅组不同光纤光栅布置结构图；图3示出了本专利技术光纤光栅粘贴在杆件上表面的结构图；图4示出了本专利技术光纤光栅粘贴在杆件下表面的结构图；图5示出了本专利技术杆件应力与波长漂移的关系。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。本实施例对本专利技术提供的一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统及测量方法做详细说明，如图1所示本专利技术光纤光栅测量系统的连接示意图，本实施例中用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统包括光源101、信号解调仪104、耦合器102以及光纤光栅组103。其中，光纤光栅组103包括第一光纤光栅103a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d。上述系统对于测量杆件的应力时，将光纤光栅组103粘贴在杆件对杆件应力测量。本实施例中，选用光源101为宽带光源提供光信号，信号调解仪104对采集的光信号进行调解。在另一些实施例中耦合器105可以选择环形器来代替。本实施例第一光纤光栅103a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d优选光谱反射率为90％以上的切趾光纤光栅。如图2所示本专利技术光纤光栅组不同光纤光栅布置结构图，本专利技术通过将光纤光栅组103的第一光纤光栅103a、第二光纤光栅103b、第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d合理布置粘贴杆件201上，对杆件进行测量，具体为：第一光纤光栅103a粘贴在杆件的上表面，其中第一光纤光栅103a的栅区轴向应当与杆件201所受到的应力P的方向一致。第二光纤光栅103b粘贴在杆件201的下表面，其中第二光纤光栅103b的栅区轴向应当与杆件201所受到的应力P的方向一致。上述第一光纤光栅103a与第二光纤光栅b相互对应，也就是说第一光纤光栅103a与第二光纤光栅b在杆件201的上下表面相互对称的位置。第三光纤光栅103c粘贴在杆件201的上表面，并且与第一光纤光栅103a垂直。需要说明的是，这里的垂直粘贴使得第三光纤光栅103c的栅区与第一光纤光栅103a的栅区保持垂直。第四光纤光栅130d战爹在杆件201的下表面，并且与第二光纤光栅103b垂直。需要说明的是，这里的垂直粘贴使得第四光纤光栅103d的栅区与第二光纤光栅103b的栅区保持垂直。如图3所示本专利技术光纤光栅粘贴在杆件上表面的结构图；图4所示本专利技术光纤光栅粘贴在杆件下表面的结构图。第三光纤光栅103c的两侧边以第一光纤光栅103a的中心线103a，为对称轴粘贴在杆件201的上表面。第四光纤光栅103d的两侧边以第二光纤光栅103b的中心线103b，为对称轴粘贴在杆件201的下表面。应当理解的是，根据上述的粘贴方式，第三光纤光栅103c和第四光纤光栅103d在杆件201的上下表面相对应。本专利技术中第一光纤光栅1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统，所述测量系统包括光源、信号解调仪、耦合器以及光纤光栅组，所述光纤光栅组包括第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，其特征在于，所述第一光纤光栅粘贴在杆件的上表面，其中所述第一光纤光栅的栅区轴向与待测应力方向一致；所述第二光纤光栅与所述第一光纤光栅对应的粘贴在所述杆件的下表面，其中所述第二光纤光栅的栅区与待测应力方向一致；所述第三光纤光栅与所述第一光纤光栅垂直，并且所述第三光纤光栅的两侧边以所述第一光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的上表面；所述第四光纤光栅与所述第二光纤光栅垂直，并且所述第四光纤光栅的两侧边以所述第二光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的下表面，其中第四光纤光栅与所述第三光纤光栅相对应；所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅串联连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于杆件应力测量的光纤光栅测量系统，所述测量系统包括光源、信号解调仪、耦合器以及光纤光栅组，所述光纤光栅组包括第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅，其特征在于，所述第一光纤光栅粘贴在杆件的上表面，其中所述第一光纤光栅的栅区轴向与待测应力方向一致；所述第二光纤光栅与所述第一光纤光栅对应的粘贴在所述杆件的下表面，其中所述第二光纤光栅的栅区与待测应力方向一致；所述第三光纤光栅与所述第一光纤光栅垂直，并且所述第三光纤光栅的两侧边以所述第一光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的上表面；所述第四光纤光栅与所述第二光纤光栅垂直，并且所述第四光纤光栅的两侧边以所述第二光纤光栅的中心线为对称轴对称的粘贴在所述杆件的下表面，其中第四光纤光栅与所述第三光纤光栅相对应；所述第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅串联连接。2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，光纤光栅选用光谱反射率为90％以上的切趾光纤光栅。3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，粘贴所述第一光...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，李红，娄小平，董明利，何巍，刘锋，闫光，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11