【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光纤光栅应变传感，涉及一种用于空间主应变监测的光纤光栅六轴应变传感装置及其多维应变解耦方法。
技术介绍
1、光纤光栅空间应变传感依赖光纤布拉格光栅(fiber bragg grating，fbg)随着外界施加形变而产生的中心波长偏移，根据标定实验得到的fbg中心波长偏移与应变数学关系确定每个传感单元测量的应变值，并基于空间应变方程通过多个方向的应变值计算被测空间的应变分布情况及主应变。目前光纤光栅空间应变传感装置大多利用多个独立fbg应变传感装置组成阵列，在较大空间内测量不同方向的应变，存在测量点分散、体积大、温度补偿不准确的问题。
2、同时，由于传统测量方法受传感装置结构和布设方式的限制，多个方向之间的应变测量会产生互扰的耦合作用，导致严重测量误差等缺点，无法实现对多个方向的准确测量。因此，提供一种用于空间主应变监测的光纤光栅六轴应变传感装置及其多维应变解耦方法，具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光纤光栅六轴应变传感装置，并基于提出的传感装置提出了一种传感装置多维应变解耦装置及方法。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
3、一种用于空间主应变监测的光纤光栅六轴应变传感装置，如图1所示，所述的光纤光栅六轴应变传感装置有六个结构相同的应变传感单元，布置于空间中x、y、z、xy、xz、yz六个方向；同时有一个温度传感单元布置在传感器的底座内部，用于传感器应变测
4、所述的光纤光栅六轴应变传感装置主要由支架1、底座10、布置在六个方向且结构相同的应变传感单元、温度传感单元、光纤5、圆柱形封装结构8、温度fbg9组成，其中，每个应变传感单元包括两个圆盘2、中空圆柱管3、应变fbg4，所述温度传感单元由盖板6、圆柱形空腔7、圆柱形封装结构8组成。除应变fbg4和光纤5外，均是由3d打印一体制造而成，相互之间是一个整体。
5、所述支架1用来支撑空间中x、y、z、xy、xz、yz六个方向的应变传感单元，每个应变传感单元由两个圆盘2、一个中空圆柱管3和被封装在其内的应变fbg4组成。fbg4位于中空圆柱管3的中央，中空圆柱管3两端的应变fbg4通过固定剂与管内壁固定在一起，避免fbg4发生啁啾现象的同时使fbg4在应变测量时能与中空圆柱管3发生同步形变；所述两个圆盘2布置在中空圆柱管3外壁面，中空圆柱管3与两个圆盘2形成类似哑铃的中空结构，圆盘2的作用是在测量过程中防止与被测物发生相对滑动。六个应变传感单元底部固定在底座10上。所述底座10为中空圆柱体结构，其内部嵌套同轴中空圆管，该圆管内设有圆柱形封装结构8和温度fbg9，圆管顶部设有盖板6，盖板中部设有用于通过应变fbg4的通孔，应变fbg4与温度fbg9连接。所述圆柱形封装结构8与盖板6之间存在圆柱形空腔7。
6、七个fbg(包括六个应变fbg4和一个温度fbg9)级联在一起，按照一定的顺序布设在光纤光栅六轴应变传感装置中。首先定义中空圆柱管3靠近底座10的一端为内端，另一端为外端。第一个fbg从yz方向的中空圆柱管3的外端穿入并固定在其内；固定好第一个fbg4后，将从yz外端引出的光纤经过y外端穿入y方向的中空圆柱管3，并将第二个fbg4固定在其内；将从y内端引出的光纤经过xy的内端穿入，并将第三个fbg4固定在其内；将xy外端引出的光纤经过x外端穿入，并将第四个fbg4固定在其内；将从x内端穿出的光纤经过xz的内端穿入，并将第五个fbg4固定在其内；将从xz外端穿出的光纤经过z外端穿入，并将第六个fbg4固定在期内；此时，完成了传感器六个方向应变传感单元的fbg布设。
7、为了剔除测量过程中的温度干扰，在z方向应变传感结构底座10的空腔内布设一个温度fbg9，其只受温度的影响，而不受外界传感装置形变的影响，作为温度传感单元进行温度补偿。温度传感单元设置在底座10中，底座10中有一个圆柱形空腔7。将z内端引出的光纤上的fbg4，穿过圆形带孔的盖板6，再通过固定剂固定到圆柱型封装结构8中。圆柱型封装结构8直径小于空腔7，其中有光纤通过的中空槽。将固定了fbg4的圆柱形封装结构8放置在空腔7中，并通过盖板6将空腔内密封，使空腔内的被封装好的fbg4只受温度影响，不受外力的影响，从而形成传感器的温度传感单元。
8、最终设计的光纤光栅六轴应变传感装置，可以将被测物内部空间中x、y、z、xy、xz、yz六个方向的应变，转换成传感器级联fbg的中心波长值(λfbg)变化，实现测量。其原理为：
9、由于温度和应变对λfbg的影响是独立且线性的(如公式1)，
10、δλfbg＝ktδt+kεδε (1)
11、其中，kt表示fbg的温度系数，kε表示fbg的应变系数，δt和δε分别表示温度和应变的变化量。因此可以根据传感器中温度传感单元的中心波长偏移量计算被测物温度，从而剔除六个方向应变传感单元由温度引起的中心波长偏移，实现对应变测量的温度补偿。根据传感装置中七点级联fbg的中心波长变化，可以得到空间中x、y、z、xy、xz、yz六个方向的应变(εx,εy,εz,εxy,εxz,εyz)，如公式(2)，其中，t0和ε0是温度和应变的初始值。公式(2)为所设计的六轴应变传感装置的数学模型。
12、
13、将传感装置测得的一组六个方向应变值代入到公式(3)中，可以得到表征空间应变的六个应变基本分量(εx、εy、εz、γxy、γyz、γxz)。
14、γxy＝2εxy-εx-εy
15、γyz＝2εyz-εy-εz (3)
16、γzx＝2εzx-εz-εx
17、其中，γxy、γyz、γzx分别表示空间中xy平面、yz平面、zx平面发生的剪切应变。已知这六个应变基本分量，就可以求被测点在任意截面上的正应变和切应变。因此通过上述六个应变分量可以完全确定该点在三维空间中的应变状态。将其代入到空间主应变方程(4)中
18、ε3-i1ε2+i2ε-i3＝0 (4)
19、公式(4)中i1、i2、i3分别为应变张量第一、第二、第三不变量，可由公式(5)计算求出。
20、
21、根据公式(5)求解空间主应变方程(4)，可以得到第一主应变ε1、第二主应变ε2、第三主应变ε3的大小。为了判断主应变的方向，引入主应变方向余弦方程组(6)
22、
23、将ε1、ε2、ε3依次代入公式(6)中的εi，可以计算得到该主应变与x、y、z三个坐标轴夹角的方向余弦值l,m,n，且满足如下关系：
24、l2+m2+n2＝1 (7)
25、根据主应变在坐标轴上的余玄值，根据(7)可以计算其与各坐标轴的角度，θx表示与x轴的夹角度数，θy表示与y轴的夹角度数，θz表示与z轴的夹角度数。根据主应变的大小和方向，可以最终确定本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于空间主应变监测的光纤光栅六轴应变传感装置，其特征在于，所述的光纤光栅六轴应变传感装置有六个结构相同的应变传感单元，布置于空间中X、Y、Z、XY、XZ、YZ六个方向；同时有一个温度传感单元布置在传感器的底座内部，用于传感器应变测量过程中的温度补偿；所述光纤光栅六轴应变传感装置，可以将被测物内部空间中X、Y、Z、XY、XZ、YZ六个方向的应变，转换成传感器级联FBG的中心波长值变化，实现测量。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间主应变监测的光纤光栅六轴应变传感装置，其特征在于，具体如下：
3.根据权利要求2所述的一种用于空间主应变监测的光纤光栅六轴应变传感装置，其特征在于，六个应变FBG(4)和一个温度FBG(9)布设顺序为：
4.根据权利要求2所述的所述的一种用于空间主应变监测的光纤光栅六轴应变传感装置，其特征在于，所述的温度传感单元设置在底座(10)的圆柱形空腔(7)，其具体为：
5.一种用于多维应变解耦的标定装置，其特征在于，所述标定装置用于固定权利要求1-4任一所述的光纤光栅六轴应变传感装置，并对其六个方向的应变传
6.根据权利要求5所述的一种用于多维应变解耦的标定装置，其特征在于，所述的微位移电控箱(12)是整个解耦标定装置的中控部分，可以独立控制各个方向上的夹具(16)移动，夹具(16)可以在微位移电控箱(12)控制下发生压缩或拉伸位移，也可以处于不受力的自由状态；模拟空间中多个方向发生的复杂应变。
7.一种用于多维应变解耦方法，其特征在于，所述的多维应变解耦方法基于权利要求5和6所述的标定装置实现，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种用于空间主应变监测的光纤光栅六轴应变传感装置，其特征在于，所述的光纤光栅六轴应变传感装置有六个结构相同的应变传感单元，布置于空间中x、y、z、xy、xz、yz六个方向；同时有一个温度传感单元布置在传感器的底座内部，用于传感器应变测量过程中的温度补偿；所述光纤光栅六轴应变传感装置，可以将被测物内部空间中x、y、z、xy、xz、yz六个方向的应变，转换成传感器级联fbg的中心波长值变化，实现测量。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间主应变监测的光纤光栅六轴应变传感装置，其特征在于，具体如下：
3.根据权利要求2所述的一种用于空间主应变监测的光纤光栅六轴应变传感装置，其特征在于，六个应变fbg(4)和一个温度fbg(9)布设顺序为：
4.根据权利要求2所述的所述的一种用于空间主应变监...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓霄，贾斌，秦卓科，杜超，张琳，崔丽琴，张丽，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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