[实用新型]一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置

说明书

本实用新型公开了一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，整个装置由激光器、光纤环形器、光纤涂层测厚传感头、光电探测器和中控单元构成；当光纤涂层测厚传感头垂直贴合被测钢表面时，PZT发出的单频超声波在被测涂层上下表面发生两次反射，获得两路不同声压的超声波，导致基于光纤简支梁结构形成的F‑P腔干涉传感器的输出光强发生变化，通过光电探测器监测光强的变化可以反推出涂层厚度；本实用新型的优点在于：利用了光纤干涉传感器的高精度和超声波穿透性强的特点，克服了传统测厚的低精度和光纤传感器无法用于非透明涂层厚度测量的缺点。

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域和涂层厚度测量领域，具体涉及一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置。

背景技术

钢表面的涂层有着多种不同的作用，比如防火，抗腐蚀等，钢表面的涂层性能随着其厚度增加而提升，但两者并不是绝对的线性关系，而是存在一个极限值，超过这个极限值，涂层厚度再增加钢结构的性能几乎保持不变，但厚度过小又起不到应有的保护作用，所以钢表面涂层厚度的测量对提高钢结构的整体性能有着至关重要的作用。

传统涂层测厚仪对工件涂层厚度的测量多采用超声波、磁性及涡流等电子测量方式，这些设备存在结构较复杂、测量精度较低、抗电磁干扰弱，测量范围较小等缺陷。随着光纤传感技术的快速发展，基于干涉原理的光纤F-P传感器由于其体积小、精度高、响应速度快等优点使得其在涂层测厚方面得到了高度关注。

实用新型内容

针对传统钢表面厚度测量的缺陷及光纤F-P结构的优点，本实用新型提供了一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，采用光纤F-P传感器作为超声波接收器，以输出光谱强度随超声波强度的变化而高灵敏变化的特征，对钢表面的涂层厚度进行精确的测量。

本实用新型通过以下技术方案实现：

一种基于光纤简支梁结构的钢表面涂层厚度测量装置，由激光器(1)、中控单元(2)、光纤环形器(3)、光电探测器(4)、光纤涂层测厚传感头(5)组成；其特征在于：光纤涂层测厚传感头(5)包括有超声波发生器(6)、光纤F-P传感器(7)；激光器(1)的输出端与光纤环形器(3)的输入端相连，光纤环形器(3)的第一输出端与光纤涂层测厚传感头(5)的输入端相连，光纤环形器(3)的第二输出端与光电探测器(4)的输入端相连，光电探测器(4)的输出端与中控单元(2)的输入端相连。

所述光纤涂层测厚传感头(5)内的超声波发生器(6)与光纤F-P传感器(7)并列且端面在同一水平面内。

所述光纤F-P传感器(7)用作超声波的接收装置，其由单模光纤(7-1)、陶瓷套圈(7-2)和弹性薄膜(7-3)组成，弹性薄膜(7-3)厚度不超过0.13μm且两端固定于陶瓷套圈(7-2)形成简支梁结构。

所述超声波发生器(6)发射单频纵波，其发射的超声波频率由被测试件的涂层材料性质决定，可以根据被测试件进行超声波频率的调节。

所述光纤F-P传感器(7)的弹性薄膜(7-3)选用低杨氏模量的薄膜，例如PDMS薄膜或者硅膜等。

本实用新型的工作原理是：

当超声波在钢表面被测的涂层中传播时，超声波的能量会由于扩散、吸收散射等因素发生衰减，其声压的变化量ΔP可表示为：

式中：P_h为距声源2h处的声压，P₀为初始声压，α为衰减系数，h为涂层厚度。

当经过涂层衰减后的超声波作用于光纤F-P传感器时，其中的简支梁结构膜片在超声波声压的作用下发生形变，其形变量δ与声压变化量ΔP的关系表示如下：