[发明专利]光学应变仪

说明书

本公开提出了一种方法，所述方法通过使用被称为光学应变仪的薄的多层组件的光学装置来远程测量测试材料的应变响应，该光学应变仪通过内置在组件中的一对粘合贴片直接附接在测试试样上。凭借两个压力激活的粘合贴片通过仅仅将其压到试样上来快速且容易地附接光学应变仪组件。测试试样通常不需要表面制备。粘贴在试样表面上的两个贴片之间的空间间距通过当在测试试样上施加负载时测量此间距(△L)的应力诱导变化来建立用于计算应变的初始标距(L)。

背景技术

本申请根据美国法典第35篇第119(e)条要求提交于2014年6月27日的美国临时专利申请第62/018,071号的优先权，该申请的公开内容以引用方式并入本文中以用于所有目的，并且作为其一部分。

技术领域

本公开涉及一种方法，所述方法通过使用薄的多层组件的光学方法远程测量测试材料的应变响应。

现有技术描述

基于PCT/US10/148921，2012年7月12日公开了题为“远程位移传感器，包括光学应变仪及其组件和系统”的美国专利公开号2012/0176629A1。该专利申请的发明人与本申请相同，该专利申请公开了一种如光学应变仪的远程位移传感器，该远程位移传感器使用由图案(例如，但不限于，莫尔条纹)实施的光学放大器来计算位置或标距的变化。在用莫尔条纹作为应变仪实施的实施例中，设置了两个箔层，下箔层具有参考或静态莫尔条纹，所述参考或静态莫尔条纹由第一图案和第二图案的叠加生成，所述第一图案具有在第一基本频率的平行线并且所述第二图案具有在第二基本频率的平行线。下箔层进一步包括具有在第一基本频率的平行线的第一图案的第一部分，而上层提供具有在第二基本频率的平行线的第二图案的第二部分。箔的叠加导致第一部分和第二部分叠加，从而引起与参考图案相同波长的莫尔条纹。然而，响应于根据试样应变产生的标距运动，两个箔与平行线垂直的相对运动在交叠图案中引起比相对运动大的相位变化。相机或其他光学装置获取光学应变仪的图像，并且通过快速傅立叶变换或类似算法来处理所得的图像以确定相位变化，从而计算标距的变化，并且因此计算所得的应变。

尽管此申请很好地适应其预期目的，但是还需要对此公开进行改进。

另外，相对于其他夹式引伸计，复合材料非常坚硬，并且在拉伸试验中容易爆炸性地断裂。这限制了夹式引伸计的使用，因为断裂的力通常会损坏夹式引伸计。这些类型的引伸计很昂贵，成本高达上千美金，并且因此不意图作为一次性使用装置。成本常常超过50,000美元的非接触式光学引伸计通常无法测量应力达到确定这些刚性材料的正确模量所需的精度。测量复合材料的模量通常要求在很低的应变水平下小于20微应变单位的应变精度误差(每百万20份标距变化)，通常在0.1％-0.6％的应变范围内。这等同于50毫米的标距下的亚微米位移测量精度。

因此复合材料行业依靠标准粘贴应变仪以达到必要的应变精度，并且在可接受的成本内作为一次性使用装置。粘贴应变仪由一片约10mm×10mm(通常使用集成电路级微光刻精度)精确蚀刻的薄金属箔组成，该金属箔通过环氧树脂粘贴在试样表面的表面上。它通过随着应变仪受压而产生微小的电阻变化来测量应变。为了测量这些精细的电阻变化，将其电连接到外部桥放大电路中。在粘贴金属箔之前，试样表面必须通过以下方式特殊地制备机加工精确平坦的表面，抛光，并且然后使用化学浴来去除残留碎屑。

对每个被测试的试样，粘贴应变仪的过程通常如下：机加工，抛光并清洁试样的表面；化学浴(通常2次化学浴)；非常小心地定位箔应变片，其中对准非常关键，因为其有效长度短；准备并且在装置上涂覆均匀的一层环氧树脂并等待干燥；在装置的金属垫上焊接焊丝，并且当其安装在负载框架上时将试样连接至外部电桥电路。

这些步骤对每次测试意味着相当长的安装劳动时间。另外，裸箔应变仪的成本范围可能相当大。统计地，制备步骤可潜在地损坏试样材料，因为例如使用的化学品的可能影响和对样品的切割和敲击。