一种光纤环式残余应力测试系统及残余应力测试方法技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤环式残余应力测试系统，包括若干光纤传感器、传输光纤、解调装置及数据处理装置；若干光纤传感器通过传输光纤串联并绕制成圆形构成光纤传感器环，光纤传感器环固定于待测材料表面并通过传输光纤接入解调装置，解调装置与数据处理装置电连接；光纤传感器用于测试钻孔前后其所在测点的波长信号，并将测得的波长信号通过传输光纤传输至解调装置，解调装置用于解调并记录光纤传感器环上所有光纤传感器测得的波长信号并输出至数据处理装置，数据处理装置用于对解调装置输出的数据进行数据处理及分析。本发明专利技术的系统可有效降低钻孔法测试时应变传感器的安装难度，减少操作带来的误差影响，提高了测试精度。

An optical fiber ring type residual stress testing system and method

【技术实现步骤摘要】
一种光纤环式残余应力测试系统及残余应力测试方法
本专利技术涉及残余应力测试
，特别涉及一种光纤环式残余应力测试系统及残余应力测试方法。
技术介绍
残余应力是指产生应力的各种外部因素(外力、温度变化、加工处理过程等)去除后，在材料内部依然存在的应力。残余应力会造成初始损伤进一步演化，降低材料的力学性能。在持续的载荷作用下，各种形式的损伤会进一步生长，最终导致材料破坏。目前残余应力测试方法按照是否破坏被测构件，可将其分为有损测试法和无损测试法两大类。有损测试法即去将具有残余应力构件的一部分去除或分离，使内应力释放，通过测量其应变变化来求出残余应力。有损测试法常用的方法有剥层法、取条法、钻孔法、切槽法等，在钻孔法中可利用盲孔法、浅盲孔法来减小钻孔对构件造成的损伤。无损检测法是利用材料物理性质的变化或晶体结构参数的变化测量残余应力。钻孔法优势在于，与其他残余应力测量技术相比，钻孔法具有测试范围广，测试精度高，测试步骤简单等特点。现有钻孔法多采用电阻应变计的方法，测试孔周围的径向应变，通过三个传感器的应变信号解出孔周围的最大主应力作为其残余应力。其缺点在于：在实际贴片时，很容易角度倾斜，从而导致应变计的轴线并不在以钻孔孔心为圆心的半径上，这造成测试结果与实际结果有很大误差，因此导致钻孔法测试完毕后，想提高精度必须要对应变计进行实际贴片偏差角度的测量后再带入纠正这种偏差的公式进行换算。这一方面增加了钻孔法工艺的难度和复杂度，另一方面也降低了测试精度。其次，若放置多个传感器对测试结果进行效验时，多个电阻应变计接线不便，且可放置数量受到传感器尺寸的限制，因此也无法对材料内应力的整体分布进行测试。光纤传感器具有体积小，易复用，能够进行准分布测试等诸多优势，可以监测整条光纤上的应变或温度信息。采用光纤环式应变花用于钻孔法测试，沿其周向可布置大量的应变测点达到对孔周围一定距离所有方向应变/应力情况的准分布测试，且采用多个测点计算主应力可以互相校正以提高测试精度。其分布式测量优势可以对材料内应力的整体分布进行测试评估。光纤环式应变花的形状也减少了传统方式在粘贴应变计过程中带来的误差，从而提高了测试精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是基于上述
技术介绍
，提供一种光纤环式残余应力测试系统及残余应力测试方法，可有效降低钻孔法测试时应变传感器的安装难度，减少操作带来的误差影响，提高了测试精度。为了达到上述的技术效果，本专利技术采取以下技术方案：一种光纤环式残余应力测试系统，包括若干光纤传感器、传输光纤、解调装置及数据处理装置；若干所述光纤传感器通过传输光纤串联并绕制成圆形构成光纤传感器环，所述光纤传感器环固定于待测材料表面并通过传输光纤接入解调装置，所述解调装置与数据处理装置电连接；所述光纤传感器用于测试钻孔前后其所在测点的波长信号，并将测得的波长信号通过传输光纤传输至解调装置，所述解调装置用于解调并记录光纤传感器环上所有光纤传感器测得的波长信号并输出至数据处理装置，所述数据处理装置用于对解调装置输出的数据进行数据处理及分析；本专利技术的光纤环式残余应力测试系统在使用时可选用自带光源的解调装置或配合耦合器及宽谱光源共同作用，若需配合耦合器及宽谱光源时，则还需将耦合器和宽谱光源、解调装置及光纤传感器环进行连接，则使用时，先由光源输出光至待测材料及光纤传感器，由光纤传感器环上各测点的光纤传感器分别对相应测点在待测材料钻孔前后的波长进行检测并传回至解调装置，解调装置对收到的数据进行解调及记录，再将数据传输至数据处理装置进行具体的计算处理，从而得出最终的该待测材料表面的残余应力；则在本专利技术的光纤环式残余应力测试系统中，多个光纤传感器可直接串联在一根光纤上，则最少只用一根传输光纤即可连入解调装置，而普通电阻应变计在钻孔法测试时至少需三个传输信号的接头，因此采用本专利技术可减少装置间的连接难度；同时，利用光纤传感器的特性布置多测点进行分布式测量，可读取各组测点信号并互相校准结果，从而提高了测试精度，可得到光纤传感器环上多个位置的应变信息，最终得到孔周围更为全面的内应力释放信息。进一步地，所述光纤传感器为光纤光栅传感器或啁啾光栅传感器，实际中也可选用其他具有应变敏感性的光纤传感器。进一步地，所述光纤传感器环的直径大于15mm，实际中，光纤传感器环的直径具体是根据钻的大小及测试位置决定。进一步地，所述光纤传感器环采用胶粘剂粘接或点焊的方式固定于待测材料表面。进一步地，所述胶粘剂为速干胶或环氧树脂胶。进一步地，所述光纤传感器环上的相邻光纤传感器间隔距离相同。同时，本专利技术还公开了一种残余应力测试方法，由上述的一种光纤环式残余应力测试系统实现，包括以下步骤：A.在待测材料表面中心处标记钻孔圆心，并以此标记作为光纤传感器环的圆心设定光纤传感器环的安装位置；B.将若干光纤传感器通过传输光纤串联并绕制成圆形构成光纤传感器环；并将光纤传感器环固定于步骤A中设定的位置处；C.完成光纤传感器环与解调装置的连接，及解调装置与数据处理装置的连接；D.在钻孔前由光纤传感器环测试钻孔前各测点的波长信号并将测得的信号数据通过传输光纤传输至解调装置进行解调及记录；E.沿标记的钻孔圆心处进行钻孔，直至钻出指定大小及深度的小孔，其中，钻孔的半径小于光纤传感器环的半径；F.完成钻孔后待各光纤传感器测得的数据稳定后由解调装置记录及保存数据；G.解调装置将记录的钻孔前后各测点对应的数据传输至数据处理装置进行分析及处理；H.数据处理装置通过基于Kirsch理论的钻孔测试计算方法计算待测材料的主应力大小和方向。进一步地，所述步骤H具体包括：H1.计算测点1钻孔后的切向应力改变量σt、径向应力改变量为σr；其中，σ1为待测材料表面的最大主应力，单位：MPa；σ2为待测材料表面的最小主应力，单位：MPa；r为光纤传感器环的半径，单位：mm；a为钻孔的半径；为最大主应力σ1所在直线与测点1的光纤传感器在光纤传感器环上的半径之间的夹角；H2.计算该测点由于钻孔导致的应变释放量εt；其中，E为材料弹性模量；μ为材料泊松比；H3.将(1)，(2)式代入(3)式中，可得下式：同时，应变释放量εt可通过以下公式求得：εt＝(λ1-λ2)*k；(5)其中，λ1为测点1钻孔前光纤传感器测得的波长数据；λ2为测点2钻孔后光纤传感器测得的波长数据；k为测点1的光纤传感器的应变灵敏度；H4.选取另外2个测点即测点2及测点3按照步骤H1至H3，得到测点2由于钻孔导致的应变释放量的求取表达式ε2及测点3由于钻孔导致的应变释放量的求取表达式ε3；其中，为最大主应力σ1所在直线与测点2的光纤传感器在光纤传感器环上的半径之间的夹角，为最大主应力σ1所在直线与测点3的光纤传感器在光纤传感器环上的半径之间的夹角，且选取的测点1、测点2、测点3中任意两个光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤环式残余应力测试系统，其特征在于，包括若干光纤传感器、传输光纤、解调装置及数据处理装置；若干所述光纤传感器通过传输光纤串联并绕制成圆形构成光纤传感器环，所述光纤传感器环固定于待测材料表面并通过传输光纤接入解调装置，所述解调装置与数据处理装置电连接；/n所述光纤传感器用于测试钻孔前后其所在测点的波长信号，并将测得的波长信号通过传输光纤传输至解调装置，所述解调装置用于解调并记录光纤传感器环上所有光纤传感器测得的波长信号并输出至数据处理装置，所述数据处理装置用于对解调装置输出的数据进行数据处理及分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤环式残余应力测试系统，其特征在于，包括若干光纤传感器、传输光纤、解调装置及数据处理装置；若干所述光纤传感器通过传输光纤串联并绕制成圆形构成光纤传感器环，所述光纤传感器环固定于待测材料表面并通过传输光纤接入解调装置，所述解调装置与数据处理装置电连接；
所述光纤传感器用于测试钻孔前后其所在测点的波长信号，并将测得的波长信号通过传输光纤传输至解调装置，所述解调装置用于解调并记录光纤传感器环上所有光纤传感器测得的波长信号并输出至数据处理装置，所述数据处理装置用于对解调装置输出的数据进行数据处理及分析。


2.根据权利要求1所述的一种光纤环式残余应力测试系统，其特征在于，所述光纤传感器为光纤光栅传感器或啁啾光栅传感器。


3.根据权利要求1所述的一种光纤环式残余应力测试系统，其特征在于，所述光纤传感器环的直径大于15mm。


4.根据权利要求1所述的一种光纤环式残余应力测试系统，其特征在于，所述光纤传感器环采用胶粘剂粘接或点焊的方式固定于待测材料表面。


5.根据权利要求4所述的一种光纤环式残余应力测试系统，其特征在于，所述胶粘剂为速干胶或环氧树脂胶。


6.根据权利要求1所述的一种光纤环式残余应力测试系统，其特征在于，所述光纤传感器环上的相邻光纤传感器间隔距离相同。


7.一种残余应力测试方法，其特征在于，由权利要求1至6中任一所述的一种光纤环式残余应力测试系统实现，包括以下步骤：
A.在待测材料表面中心处标记钻孔圆心，并以此标记作为光纤传感器环的圆心设定光纤传感器环的安装位置；
B.将若干光纤传感器通过传输光纤串联并绕制成圆形构成光纤传感器环；并将光纤传感器环固定于步骤A中设定的位置处；
C.完成光纤传感器环与解调装置的连接，及解调装置与数据处理装置的连接；
D.在钻孔前由光纤传感器环测试钻孔前各测点的波长信号并将测得的信号数据通过传输光纤传输至解调装置进行解调及记录；
E.沿标记的钻孔圆心处进行钻孔，直至钻出指定大小及深度的小孔，其中，钻孔的半径小于光纤传感器环的半径；
F.完成钻孔后待各光纤传感器测得的数据稳定后由解调装置记录及保存数据；
G.解调装置将记录的钻孔前后...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐尧，陶杰，李卓枢，肖盼，田野，张伟斌，张建中，杨占锋，李丽，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：四川;51