一种测量结构双向应变梯度场的方法、传感器及应用技术

本发明专利技术涉及工程力学领域，公开了一种测量结构双向应变梯度场的方法、传感器及应用，其中，传感器包括柔性基体，以及嵌设在柔性基体内的相互垂直的两组光纤对；每组光纤包括若干光纤对；组内的光纤对相互平行，光纤对包含一对相互平行的第一光纤和第二光纤，光纤对所在平面与两组光纤对所成平面相互垂直；在测量构件的应变梯度时，柔性基体贴合在构件上，且光纤对所在平面垂直于构件的中性层。本发明专利技术利用分布式光纤传感技术，可以提高应变数据的测量能力，降低应变数据的测量成本。

【技术实现步骤摘要】
一种测量结构双向应变梯度场的方法、传感器及应用
本专利技术涉及工程力学领域，尤其涉及一种测量结构双向应变梯度场的方法、传感器及应用。
技术介绍
传统测量应变梯度的方法通常使用应变片、双层弯曲应变片、光纤光栅等实现。例如，将多个应变片粘贴至构件的不同位置(如板壳构件的上下表面)，分别测量不同位置的应变数据。然而，这种测量方式具有多项缺点。其一，该测量方法不适用于封闭结构(如箱形梁、筒仓、燃料罐等)和三维实体结构(如混凝土块、发动机等)沿厚度方向的应变梯度的测量。这是因为测量人员往往无法进入封闭结构和三维实体结构内部粘贴应变片。其二，测试点数量少，且较为分散，无法计算构件的沿某个方向的轴向应变梯度和位移。其三，对于大型构件，需要布置多个测量点，需要使用大量的应变片及相应的应变数据采集仪，测量成本和数据处理成本高昂。其四，无法测量存在集中应变(应力)集的数据。
技术实现思路
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种测量结构双向应变梯度场的方法、传感器及应用，利用分布式光纤传感技术，以提高应变梯度的测量能力，降低应变梯度的测量成本。本专利技术的第一方面，提供一种双向应变传感器，包括柔性基体，以及嵌设在所述柔性基体内的相互垂直的两组光纤对，每组光纤对包括两根相互平行的第一光纤和第二光纤，第一组光纤对所在平面与第二组光纤对所在平面相互垂直；在测量构件的应变梯度时，所述柔性基体贴合在所述构件上，且所述光纤对所在平面垂直于所述构件的中性层。本专利技术的第二方面，提供一种应变梯度场测量方法，包括：在板壳结构上设置如上述的光纤对；通过第一光纤测量第一应变数据，通过第二光纤测量第二应变数据；根据所述第一应变数据和所述第二应变数据确定某应变对的应变梯度。本专利技术的第三方面，提供一种应变梯度场测量方法，包括：在薄板构件或薄壳构件上设置若干如上述应变传感器，其中，所述应变传感器包括沿x方向设置的第一组平行的应变传感器和沿y方向设置的第二组平行的应变传感器，所述x方向与所述y方向相互垂直；通过所述第一组平行的应变传感器测量x方向应变数据，通过所述第二组平行的应变传感器测量y方向应变数据；根据所述x方向应变数据和所述y方向应变数据确定所述薄板构件或所述薄壳构件沿厚度方向的应变梯度场。本专利技术的第四方面，提供了上述应变传感器在测量构件局部应变数据方面的应用。本专利技术的第五方面，提供了一个或多个存储有计算机可读指令的可读存储介质，所述计算机可读指令被一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上述应变梯度场测量方法。本专利技术涉及的各个方案，可以提高应变梯度的测量能力，降低应变梯度的测量成本。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一实施例中应变传感器的结构示意简图；图2是本专利技术一实施例中应变传感器测量板壳构件应变梯度的示意图；图3是本专利技术一实施例中板壳构件不同状况下截面应力分布图；图4为本专利技术一实施例中板壳构件发生弯曲变形的示意图；图5a为双向应变梯度场传感器设置在薄板构件时的示意图；图5b为应变传感器设置在薄板构件时的侧面示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例一如图1所示，提供一种双向应变传感器，包括柔性基体03，以及嵌设在所述柔性基体03内的相互垂直的两组光纤对；每组光纤包括若干光纤对；组内的光纤对相互平行，所述光纤对包含一对相互平行的第一光纤01和第二光纤02，光纤对所在平面与两组光纤对所成平面相互垂直；在测量构件的应变梯度时，所述柔性基体03贴合在所述构件上，且所述光纤对所在平面垂直于所述构件的中性层。本实施例提供的双向应变传感器，可替代现有的应变片，用于测量构件的双向应变数据。具体的，双向应变传感器包括柔性基体03，以及嵌设在所述柔性基体03内的相互垂直的两组光纤对。其中，光纤对为平行设置的第一光纤01和第二光纤02。柔性基体03可由柔性材料制得。示意性的，柔性基体03的选材可以是PVC(聚氯乙烯)、环氧树脂等。而第一光纤01和第二光纤02可以是芯径、材质相同的光纤。此处，以第一光纤01为例，第一光纤01可以选用多层同轴光纤。该光纤具有纤芯、包裹层、涂覆层、保护套等结构。此类型的光纤利用光的全反射原理，保证光波只在纤芯内传播，实现光波沿光纤轴向传导。当光纤外部的温度、压力等参数发生变化时，光纤内传输的光波的振幅、相位、偏振态、波长等特征参数会随之发生改变，即发生散射频移现象，普通光波转变为被调制的信号光。也就是说，当第一光纤01受到力的作用时，光纤内的光信号会发生变化，形成包含光纤受力信息的信号光。信号光经传输光纤(与第一光纤01连接的光纤)输送到信号处理模块，经分析后可以获得整段第一光纤01上多个检测点的第一应变数据。在此处，信号处理模块可以使用OFDR(光频域反射)技术。同样的，也可以通过第二光纤02探测到与第一光纤01存在差异的第二应变数据。双向应变传感器沿第一光纤01的延展方向可形成多个间距很小的测量点。相邻测量点之间的间距可以低至毫米级。在一示例中，若将双向应变传感器置于三维笛卡尔坐标系中，在三维笛卡尔坐标系中，O为原点，x、y、z轴两两垂直，若两组光纤对所成平面为平面xOy(如图5a所示的截面)，光纤对所在平面可以是平面xOz或yOz(如图5b所示的截面)。第一光纤01和第二光纤02通过柔性基体03连接，可以指第一光纤01和第二光纤02之间隔着柔性基体03。这样可以使第一光纤01和第二光纤02保持一定的间距，同时构件受力时，部分力可以通过柔性基体03传导至第二光纤02(在此处，默认第一光纤01与构件比较接近，甚至与构件直接接触，而第二光纤02则处于远离构件的一侧)。第一光纤01和第二光纤02之间的间距可以根据实际需要进行设置(即生产不同型号的应变传感器，对应不同的间距)。平行设置的第一光纤01和第二光纤02，指的是在未受到外界力的作用下，第一光纤01和第二光纤02基本保持平行(即处于平行状态)。当存在外界力作用时，第一光纤01与第二光纤02的受力程度可能存在差异，发生的形变也可能存在差异，此时，第一光纤01和第二光纤02与平行状态存在一定程度的偏离。在测量构件的应变数据时，光纤对所在平面垂直于构件的中性层。在此处，中性层指的是，构件在弯曲过程中，外层受拉伸，内层受挤压，在其断面上的既不受拉，又不受压的过渡层。中性层的应力几乎等于零。在本实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双向应变传感器，其特征在于，包括柔性基体，以及嵌设在所述柔性基体内的相互垂直的两组光纤对；每组光纤包括若干光纤对；组内的光纤对相互平行，所述光纤对包含一对相互平行的第一光纤和第二光纤，光纤对所在平面与两组光纤对所成平面相互垂直；/n在测量构件的应变梯度时，所述柔性基体贴合在所述构件上，且所述光纤对所在平面垂直于所述构件的中性层。/n

【技术特征摘要】
1.一种双向应变传感器，其特征在于，包括柔性基体，以及嵌设在所述柔性基体内的相互垂直的两组光纤对；每组光纤包括若干光纤对；组内的光纤对相互平行，所述光纤对包含一对相互平行的第一光纤和第二光纤，光纤对所在平面与两组光纤对所成平面相互垂直；
在测量构件的应变梯度时，所述柔性基体贴合在所述构件上，且所述光纤对所在平面垂直于所述构件的中性层。


2.如权利要求1所述双向应变传感器，其特征在于，所述柔性基体的弹性模量小于或等于所述构件的弹性模量的二十分之一，确保双向应变传感器与被测物体完全贴合，且基本不影响被测物体的刚度。


3.一种双向应变梯度场测量方法，其特征在于，包括：
在板壳结构上设置如权利要求1或2所述的两组光纤对；
通过第一光纤测量第一应变数据，通过第二光纤测量第二应变数据；
根据所述第一应变数据和所述第二应变数据确定某应变对的应变梯度。


4.如权利要求3所述的双向应变梯度场测量方法，其特征在于，所述应变梯度属于弯曲变形、拉伸-弯曲变形或压缩-弯曲变形的应变梯度。


5.如权利要求3所述的双向应变梯度场测量方法，其特征在于，所述第一应变数据包括所述第一光纤在指定位置的应变；所述第二应变数据包括所述第二光纤在指定位置的应变；
所述根据所述第一应变数据和所述第二应变数据确定所述某应变对的第一表面和第二表面的应变，包括：
通过第二表面应变计算公式处理所述第一应变数据和所述第二应变数据，确定所述某应变对的第二表面在所述指定位置的应变，所述第二表面应变计算公式为：



其中，εd2为所述某应变对的第二表面在指定位置的应变；ε1为所述第一光纤在所述指定位置的应变；ε2为所述第二光纤在所述指定位置的应变；a1为所述某应变对的第二表面在所述指定位置与所述第一光纤的距离，所述第二表...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建飞，吴嘉瑜，邵理阳，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东;44