[发明专利]一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置及方法，该发明装置主要由光纤光栅、粘贴胶、固定螺栓、金属弹性体组成。对光纤光栅施加一定大小预紧力后，再通过粘贴胶将其两端固定在弹性体的应变感应部分；弹性体由螺栓四角固定在曲率待测结构件侧面上。当待测结构件受到外界载荷产生弯曲变形时，弹性体感受应变并通过自身增敏结构将应变放大传递至光纤光栅，两根光纤光栅分别测量所处位置的应变，同时可以通过差分补偿消除外界环境因素对应变测量的影响，提高测量准确度，最后通过解调光纤光栅反射波长变化得到应变，从而根据此装置测量理论得到结构件曲率。

技术领域

本发明属于结构件表面曲率测量技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置及方法。

背景技术

在现代工业制造领域，例如重型数控机床这样的大型设备在机械加工方面有着至关重要的作用，各类大型零件等高端装备的加工是决定国家航空航天、能源石化及其他高端制造业的关键核心装备，其技术水平是衡量一个国家工业现代化发展水平和综合经济实力的重要标志。因此各种设备上的结构件因变形所造成的直接和间接经济损失及其对整个社会的影响是巨大的，也是难以精确估算的。大型结构件的变形往往伴都会随着表面曲率的变化，曲率是一个容易被忽略而且难以直接测量的物理量。因此，曲率的实时监测在现代机械精密加工领域具有重要意义。

机械设备在加工过程中，由于运行环境复杂，制造工序繁多等原因，立柱、滑枕、龙门等结构很容易在运行过程中产生变形导致表面线性度降低。这些都是经常出现的问题，难以被察觉，却不容忽视的现象。由上面的原因可知一种直观实时地检测结构件表面曲率的工具是必须的。

现今结构件变形曲率检测需广泛用于汽轮机、大型核电泵、船用螺旋桨、大飞机机翼等零件加工设备变形监测领域，对关键结构件损伤修复和再利用起着关键作用，确保加工系统稳定的同时保证加工精确度。虽然以往的结构件曲率测量方式例如应变片电测法、立体视觉测量、光弹性法虽然都可以通过测量应变或建立坐标系间接得到曲率，但是它们使用方法繁琐且难以在车间等复杂环境条件下开展测量。能用于复杂环境测量曲率的方式也会影响重型机床等设备的正常运行，其采集的数据具有不确定性引起误差，而精度高的例如三坐标测量法、图像处理技术也会大大降低加工效率。因此开发一种能够实时监测结构件变形曲率、适应复杂加工环境、不影响整个设备运行进度的曲率测量装置十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置及方法，，可以利用自身弹性体的特定结构与光纤光栅结合测得结构件表面曲率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先提供一种基于光纤光栅与弹性体的弯曲曲率测量装置，包括光纤光栅、金属弹性体，2个光纤光栅通过粘贴胶固定在金属弹性体上，金属弹性体采用上、下对称的V形结构，不仅符合待测结构件的弯曲变形规律，并且可以根据结构件变形产生合理的应变场。每根光纤光栅的两个固定端采用悬臂梁式的结构，可以根据结构件的变形程度改变悬臂梁长度尺寸，在放大了待测应变的同时，保证了测量的准确性。金属弹性体中间刚度低于两侧的固定部分，使得变形应变更高效地传递到光纤光栅上面。金属弹性体的四角采用螺栓固定在待测结构件上，光纤光栅的输出端接入解调仪，解调仪的工作范围在光纤光栅波长变化范围内，实现曲率测量。

相比于其他构造结构件表面曲线、数学取极限、图像处理等测量方法，此金属弹性体设计为上、下两根光栅分布式测量不同位置的应变，在其测量原理中不仅避免了寻找结构件中性层这一困难步骤，同时通过差分补偿的方式抵消了环境因素的影响，大大简化了曲率的测量方式，减小了曲率测量对位置要求的局限性，提高了测量精确度。光纤光栅在弹性体上的固定位置相对于弹性体在待测结构件上的固定位置。可以实现应变增敏放大功能。弹性体中间的连接结构符合结构件弯曲变形规律。光纤光栅可根据其性能适时更换。弹性体感受应变并通过自身增敏结构将应变放大传递至光纤光栅，两根光纤光栅分别测量所处位置的应变。弹性体上用于固定光纤光栅的凸出端可以根据实际应变放大要求改变其长度尺寸。