[发明专利]表贴式光纤光栅应变传感器测量误差的补偿方法有效

专利信息
申请号: 201911280303.2 申请日: 2019-12-13
公开(公告)号: CN110823120B 公开(公告)日: 2020-08-14
发明(设计)人: 刘巍;冯荻;梁冰;刘坤;姜昕彤;周孟德;贾振元 申请(专利权)人: 大连理工大学
主分类号: G01B11/16 分类号: G01B11/16
代理公司: 大连理工大学专利中心 21200 代理人: 关慧贞
地址: 116024 辽*** 国省代码: 辽宁;21
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摘要:
搜索关键词: 表贴式 光纤 光栅 应变 传感器 测量误差 补偿 方法
【权利要求书】:

1.一种表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿方法,其特征是,该方法先设计表贴式光纤光栅应变传感器支座,再在构件上安装表贴式光纤光栅应变传感器后,利用高精度钩码对构件进行加载;同时,采用应变解调仪以及电脑服务器对应变传感器测量的波长变化值进行解调处理,获取测点的应变;然后,建立相应的表贴式光纤光栅应变传感器应变测量误差补偿模型,对多个测点的测量应变进行补偿;最终,利用有限元模型对补偿效果进行验证,实现基于表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿过程;方法的具体步骤如下:

第一步 表贴式光纤光栅应变传感器支座的设计

首先确定光纤光栅传感器(B)的长度及直径,然后对光纤光栅传感器支座(A)进行配套设计,光纤光栅传感器支座(A)有两个,结构完全一样;光纤光栅传感器支座(A)外观及体积的设计,可根据使用需要进行更改;支座(A)下底面与被测构件(D)粘贴的面上加工有储胶槽(C),储胶槽(C)长与宽可依据粘贴面积大小进行配套设计,高度不应高于2mm,避免粘贴时胶水的过量溢出;最后,将光纤光栅传感器(B)安装到光纤光栅传感器两个支座(A)上,用胶水将装有光纤光栅传感器(B)的支座粘贴到被测构件(2)上;

第二步 组装表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿实验系统,进行载荷作用下构件应变测量;

首先根据被测构件(2)的结构参数,将固定装置(1)安装在实验平台上;然后将被测构件(2)安装在固定装置(1)对应位置处,根据被测构件(2)实际受力情况,将高精度钩码(4)安装在被测构件(2)的对应位置上,并使高精度钩码(4)处于稳定不摆动状态;再将光纤光栅传感器(3)与应变解调仪(6)连接,将应变解调仪(6)与电脑服务器(5)连接;待上述系统稳定后,利用应变传感器(3)采集构件型面多点的应变值,最后利用脑服务器(5)进行数据采集及处理;

第三步 建立表贴式光纤光栅应变传感器应变测量误差补偿模型

根据材料力学梁结构承受弯曲载荷的微分方程:

其中,x为被测构件长度方向坐标,w为测点处的挠度,M为被测构件所受弯曲载荷,E为材料弹性模量,I为x位置处梁截面的惯性矩;

假设在x位置被测构件表面到其中性面的距离为y,则其表面应力σ(x)与载荷关系为:

从被测构件表面上截取相距为dx的一段,根据平面假设,变形前相距为dx的2个横截面,变形后各自绕中性面相对旋转角度dθ,并仍保持为平面,使得距中性层为w的一段长度l变为:

l=(ρ+w)dθ (3)

其中,ρ为中性面的曲率半径;由于距中性层为w的一段在变形前的原长为ρdθ,根据应变的定义,求得距中性层为w的这一段微小长度的应变为:

设被测构件厚度为h,被测构件弯曲曲率半径为R,传感器支座由其圆形孔圆心到粘贴表面的高度为h1,传感器应变测量值为εFBG,被测构件测点应变真值εS,补偿系数α,则在传感器粘贴在弯曲构件的伸展表面上时,补偿系数为:

传感器粘贴在弯曲构件的压缩表面上时,补偿系数为:

对于不同的测量工作情况,选择相应的参数带入(5)(6)式中,即可求出相应的应变补偿系数,对传感器的测量应变进行误差补偿;

通过上述步骤最终完成基于表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿。

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