一种具有光纤光栅的测量形变结构和方法技术

本发明专利技术公开了一种具有光纤光栅的测量形变结构和方法，测试结构包括多芯光纤、光栅、涂覆层和保护包层；基于光纤光栅测量形变的结构的检测方法，包括获取光栅各测点应变信息、获取光栅各测点位置曲率、获取测试试件实时形变信息；光纤的表面刻写有光栅，并涂覆有涂覆层，包裹在保护包层中；单根光纤上多点刻制光栅可实现单根光纤多点检测，通过多点实时检测，获取应变与曲率信息最终得到测试件变形信息。本发明专利技术公开的使用光纤光栅测量形变的结构和方法，适用于多种类型桥梁、飞机机翼等梁式结构件挠度变形实时检测，结构安装简单操作方便，测试结果好且稳定。

A measuring structure and method with fiber Bragg grating

The present invention discloses a measuring deformation structure and method with fiber Bragg grating. The test structure includes multi core fiber, grating, coating layer and protective coating. Detection method based on Fiber Bragg grating measurement deformation structure, including obtaining the strain information of each measuring point of the grating, obtaining the curvature of the position of each measuring point of the grating, obtaining the test specimen Real time deformation information; the surface of the optical fiber is inscribed with a grating, coated with coating layer, wrapped in the protective coating, and the multi point grating on the single fiber can realize the multi point detection of single fiber. By multi point real-time detection, the strain and curvature information can be obtained to get the deformation information of the test piece. The structure and method of measuring deformation by using fiber Bragg grating in the invention are suitable for real-time detection of deflection and deformation of beam type structure parts of various types of bridges and aircraft wing. The structure is easy to install and easy to operate, and the test results are good and stable.

【技术实现步骤摘要】
一种具有光纤光栅的测量形变结构和方法
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种具有光纤光栅的测量形变结构和方法。
技术介绍
随着科技的不断发展，光纤光栅在航空航天、土木工程、石化工业、电力工业、医学等领域具有巨大的应用潜力。工程应用中，对桥梁、飞机机翼等梁式结构的形变信息进行实时检测至关重要，基于多芯光纤的形变传感测试技术以其轻小型、易于植入结构内部、抗电磁干扰、稳定性好、可行性高等优势成为最具发展潜力的发展方向之一。常规光纤的标量测量手段存在自身局限性，无法真实地反映结构形状的矢量变化。采用多方向布设的常规圆对称光纤来检测不同方向的形状的矢量变化，布设时无法避免光纤发生自身扭转问题，同时受待测结构的应变场—形变模型、温度变化的影响较大，存在测量精度低、布设难度大等问题。多芯光纤是微结构光纤的重要分支，多个纤芯共用一个包层，每个纤芯能够独立低损耗传输光信号。在测试结构变形时，可根据光纤内同一位置光栅测点的波长变化量差异解调重构出测试试件的形变曲线。国外多芯光纤测试结构变形技术已应用于工程实际中，LunaInnovations公司和NASA合作开发新型的光纤三维形状传感系统，在圆截面多芯光纤上利用光纤光栅阵列，实现了不规则弯曲、空间多方向弯曲等复杂形状的解调和重构，但解调处理和测试系统相对复杂。测试中采用的多芯光纤大多数为圆形截面，在安装时很难避免多芯光纤截面不发生扭转变形，对于不需要实时测量空间三个维度形变信息的工程梁式结构来说，测试成本昂贵，安装和操作复杂。国内在基于多芯光纤的形状传感技术研究方面还处于起步阶段，在测试结构形变方面应用则少之较少，在测试结构和测试方法上仍需进一步研究。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有基于光纤光栅传感器检测结构形变技术的结构复杂、安装铺设不方便、测试准确度受铺设工艺影响较大和成本昂贵等问题，提出了一种结构简单、铺设方便和检测方法高效便捷的具有光纤光栅的测量形变结构和方法。本专利技术测试结构成本低，能实时检测和反馈梁式结构的形变信息。本专利技术的技术解决方案是：一种具有光纤光栅的测量形变结构，包括光纤、光栅、保护包层；光纤表面刻写光栅，2N根刻写有光栅的光纤固定在保护包层内，N为正整数。所述保护包层的横截面为正多边形；2N根光纤以保护包层的中性层为对称面分两层布设，且光纤相互平行。所述光纤表面等间距刻制多个光栅；所述光纤表面光栅和光栅的间距等于1/20～1/5倍待测量件长度，最小间距大于10mm。所述刻写有光栅的光纤的外表面还有涂覆层，涂覆层的材料为聚酰亚胺，涂覆层的厚度范围为5μm～40μm；所述保护包层的材料为聚酰亚胺或高强度环氧树脂。一种利用上述的具有光纤光栅的测量形变结构进行形变测量的方法，包括步骤如下：1)将所述测量形变结构与待测量件使用粘接剂固定，使用跳线连接测量形变结构和光纤光栅解调仪终端；2)获取测量形变结构的应变信息；3)根据测量形变结构的应变信息，获得曲率函数；4)根据获得的曲率函数，采用曲线重构方法获取测试件的形变挠曲线函数。所述的获取测量形变结构应变信息的方法为：通过光纤光栅解调仪解调测量形变结构的光栅中心波长变化量，根据波长变化量与测量形变结构光栅轴向应变的关系，获得测量形变结构的应变信息。所述获得曲率函数的具体方法为：1)根据测量形变结构的应变信息，获得测量形变结构光栅的曲率；2)对测量形变结构光栅的曲率进行拟合，获得曲率函数。所述测量形变结构的光纤数量2N为4；所述光栅的曲率K公式具体为：其中，ε1,ε2,ε3,ε4分别为四根光纤上每个光栅的应变信息，d为上下两层光纤的间距。所述的获取测量形变结构的形变挠曲线函数的方法具体为：根据待测量件的边界条件和连续性条件，积分求解拟合获得待测量件的形变挠曲线函数；所述形变挠曲线函数的具体公式为：v(x)＝∫∫k(x)dx2+C1x+C2，其中，v(x)为待测量件形变挠曲线函数，k(x)为拟合得到的曲率函数，C1,C2为常数，根据边界条件和连续性条件获得。所述粘结剂为氰基丙烯酸酯或环氧树脂。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术的基于光纤光栅传感器检测结构形变结构，采用保护包层把几根光纤固定在一起封装制作而成，结构简单，对栅区保护效果好，可直接根据所测应变准确计算曲率半径，测试结果稳定；(2)本专利技术的基于光纤光栅传感器检测结构形变结构，方便直接粘接或布设在待测结构上，粘接时光纤位置相对待测试件固定，避免了粘接时因自身扭转而造成的测量误差；(3)本专利技术的基于光纤光栅传感器检测结构形变结构，采用内嵌光纤刻栅方式，整体结构用一个保护包层进行保护，相比目前工程中应用的多位置多传感器布设测形变方案成本降低很多，可进行大跨距连续检测；(4)本专利技术的基于光纤光栅传感器检测结构形变检测方法，根据测试结构内光栅波长变化量差异解调求解试件形变情况，无需在铺设其他辅助传感器或编写复杂解调和重构算法，计算简单高效，结果准确。附图说明图1为本专利技术的具有光纤光栅的测量形变结构透视图；图2为本专利技术的具有光纤光栅的测量形变结构横截面示意图；图3为本专利技术的具有光纤光栅的测量形变结构形变时光纤轴向剖视图；图4为应用本专利技术方法求解得到的待测量件形变挠曲线。具体实施方式下面将结合附图和具体实施例对本专利技术公开的一种具有光纤光栅的测量形变的结构和方法进一步详细的说明。如图1所示，本专利技术公开的一种具有光纤光栅的测量形变结构，包括光纤2、光栅3、涂覆层4、保护包层1；光纤2的表面等间距刻写光栅3，光纤2表面光栅3和光栅3的间距等于1/20～1/5倍待测量件长度，最小间距大于10mm，刻写有光栅3的光纤2的外表面还有涂覆层4；光纤2及光栅3固定在保护包层1内部。如图2所示，涂覆层4的材料为聚酰亚胺，弹性模量大于1GPa；涂覆层4的厚度范围为5μm～40μm，本实施例取为30μm；涂覆层4采用光纤涂覆机涂覆在光纤2和刻写好的光栅3的表面，对光纤2和光栅3进行保护，同时提高光纤2的抗拉和抗弯性能。保护包层1的截面为正方形，采用高强度环氧树脂模具封装一体化制作而成，也可选用聚酰亚胺材料，正方形截面边长长度为4mm，正方形截面的保护包层1四个外表面平整度好，可较好的与待测量件表面贴合粘接，提高应变传递效率。同时，方形截面在安装时可大大降低多芯光纤2截面发生扭转变形程度。本实施例的测量形变结构内置四根相同规格光纤，长度为4m，排布为两排，且相互平行布设，保护包层1截面为正方形，正方形边长为2.5mm。光纤2上沿轴向等间距刻写光栅3，相邻两个栅区中心点间距距离为200mm，栅区长度12mm，本试验中共19个监测点。利用本专利技术的具有光纤光栅的测量形变结构进行梁式机翼形变测量的方法，包括步骤如下：1)将测量形变结构的其中一面用环氧树脂将其与待测量件表面沿翼展方向粘接牢靠，且不发生扭转；本实施例中待测量件为梁式机翼，机翼翼展长度为4m，采取一端固支一端自由的约束方式；在梁式机翼的自由一端手动施加载荷，使其产生形变，使用跳线连接测量形变结构和光纤光栅解调仪终端；2)通过光纤光栅解调仪将四根光纤上的光栅FBG1、FBG2、FBG3、FBG4反馈的中心波长变化信息进行解调，实时地获取光栅各测试点的应变信息；3)如图3所示，为本专利技术测量形变结构实施测量梁式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有光纤光栅的测量形变结构，其特征在于：包括光纤(2)、光栅(3)、保护包层(1)；光纤(2)表面刻写光栅(3)，2N根刻写有光栅(3)的光纤(2)固定在保护包层(1)内，N为正整数。

【技术特征摘要】
1.一种具有光纤光栅的测量形变结构，其特征在于：包括光纤(2)、光栅(3)、保护包层(1)；光纤(2)表面刻写光栅(3)，2N根刻写有光栅(3)的光纤(2)固定在保护包层(1)内，N为正整数。2.根据权利要求1所述的一种具有光纤光栅的测量形变结构，其特征在于：所述保护包层(1)的横截面为正多边形；2N根光纤(2)以保护包层(1)的中性层为对称面分两层布设，且光纤(2)相互平行。3.根据权利要求2所述的一种具有光纤光栅的测量形变结构，其特征在于：所述光纤(2)表面等间距刻制多个光栅(3)；所述光纤(2)表面光栅(3)和光栅(3)的间距等于1/20～1/5倍待测量件长度，最小间距大于10mm。4.根据权利要求1-3任一所述的一种具有光纤光栅的测量形变结构，其特征在于：所述刻写有光栅(3)的光纤(2)的外表面还有涂覆层(4)，涂覆层(4)的材料为聚酰亚胺，涂覆层(4)的厚度范围为5μm～40μm；所述保护包层(1)的材料为聚酰亚胺或高强度环氧树脂。5.一种利用权利要求2所述的具有光纤光栅的测量形变结构进行形变测量的方法，其特征在于，包括步骤如下：1)将所述测量形变结构与待测量件使用粘接剂固定，使用跳线连接测量形变结构和光纤光栅解调仪；2)获取测量形变结构的应变信息；3)根据测量形变结构的应变信息，获得...

【专利技术属性】
技术研发人员：王学锋，蓝天，唐才杰，白利强，梅影，崔留住，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11