專利名稱：一種光纖光柵應變靈敏度的校準裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵應變靈敏度的校準裝置和方法，屬于計量測試與校準技術領域。
背景技術：
光纖布拉格光柵(Fiber Brag Grating)簡稱光纖光柵，是一種光纖傳感器，具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、波分復用等優(yōu)點，已經越來越廣泛的應用于大型結構健康監(jiān)測和智能復合材料等領域。在結構健康監(jiān)測領域，光纖光柵傳感器主要用于應變參數的監(jiān)測。目前，通常采用金屬封裝后的光纖光柵傳感器粘貼或焊接在結構的表面，或直接采用光纖光柵埋植于復合材料對結構的應變狀態(tài)進行監(jiān)測。但目前此兩種方式的應變測量靈敏度只能按供貨商提供的系數或理論值，屬通用系數，精確度低。目前沒有一種即可靠又精確的標定方法對光纖光柵的應變靈敏度進行標定和校準，以保證光纖光柵傳感器測試數據的準確性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準的問題，提供一種光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準裝置和方法。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準裝置和方法，該裝置包括第一傳感器夾持裝置、第二傳感器夾持裝置、氣浮導軌動圈、氣浮導軌、激光干涉儀、干涉儀支架、隔振平臺、微位移驅動器、力傳感器、夾持裝置支架、光纖光柵解調裝置；連接關系:光纖光柵解調裝置、夾持裝置支架、微位移驅動器、氣浮導軌和干涉儀支架分別依次放置于隔振平臺上，并保證夾持裝置支架、微位移驅動器、氣浮導軌和干涉儀支架的中心在一個豎直平面內；第一傳感器夾持裝置固定在夾持裝置支架上；第二傳感器夾持裝置固定在氣浮導軌動圈上；氣浮導軌的導軌部分穿過氣浮導軌動圈，通氣時，氣浮導軌動圈相對于氣浮導軌懸浮，此時需保證第一傳感器夾持裝置和第二傳感器夾持裝置位于同一條水平線上；氣浮導軌動圈通過力傳感器與微位移驅動器相連；激光干涉儀固定在干涉儀支架上；待測的光纖光柵傳感器通過第一傳感器夾持裝置和第二傳感器夾持裝置連接并固定；待測的光纖光柵傳感器未被夾持的一端通過光纖跳線連接到光纖光柵解調裝置上；通過微位移驅動裝置，驅動力傳感器和氣浮導軌動圈，從而帶動第二傳感器夾持裝置與第一傳感器夾持裝置發(fā)生相對運動，使光纖光柵傳感器發(fā)生相應的拉伸或壓縮變形；通過激光干涉儀測量第二傳感器夾持裝置和第一傳感器夾持裝置間的長度變化量，即光纖光柵傳感器的變形，通過長度變化量與長度的比值對光纖光柵傳感器的應變靈敏度進行測試，并通過與出廠值的比較對光纖光柵傳感器的應變靈敏度進行校準。所述的傳感器夾持裝置和傳感器夾持裝置根據傳感器外形定制，以保證傳感器能較好的被固定；
所述激光干涉儀發(fā)出的光束應與第一傳感器夾持裝置和第二傳感器夾持裝置構成的直線平行，必要時可加入折射鏡、反射鏡對光束進行處理。本發(fā)明同時提供一種采用上述裝置實現(xiàn)的光纖光柵應變靈敏度的校準方法，具體步驟如下:步驟一、對氣浮導軌通氣，使氣浮導軌動圈無摩擦懸浮于氣浮導軌上；步驟二、通過微位移驅動器、驅動力傳感器和氣浮導軌動圈調整第二傳感器夾持裝置與第一傳感器夾持裝置的距離為固定值L ;將光纖光柵傳感器的一端安裝于第一傳感器夾持裝置和第二傳感器夾持裝置之間，另一端通過光纖跳線連接到光纖光柵解調裝置上；根據校準范圍的不同，施加相應的預緊力；步驟三、通過微位移驅動裝置，驅動力傳感器和氣浮導軌動圈，從而帶動第二傳感器夾持裝置與第一傳 感器夾持裝置發(fā)生相對運動，使光纖光柵傳感器發(fā)生相應的拉伸或壓縮變形；步驟四、通過激光干涉儀測量第二傳感器夾持裝置和第一傳感器夾持裝置的相對位移，即光纖光柵傳感器的變形量△ L，通過公式Δ = 測量出待測傳感器的應變變化量Δ ε ；步驟五、同時通過光纖光柵解調裝置讀取光纖光柵傳感器的波長變化量Λ λ，則被校的光纖光柵傳感器應變靈敏度為P = Λ λ/Λ ε。步驟六、將測得的光纖光柵傳感器的靈敏度P與標稱靈敏度相比較，達到對光纖光柵傳感器應變靈敏度校準的目的。有益效果1、本發(fā)明的一種光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準裝置和方法，從應變的定義出發(fā)，通過激光干涉測量方法測量光纖光柵傳感器長度變化量與初始長度的比值，解決了光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準的問題；本發(fā)明采用氣浮導軌對光纖光柵傳感器進行直接拉伸壓縮，克服了摩擦阻力，采用激光干涉測量系統(tǒng)對光纖光柵傳感器的應變進行測量，不依托于任何試件，直接溯源到其本身產生的應變，避免了膠貼安裝對光纖光柵傳感器校準結果的影響，能夠精確地對光纖光柵傳感器進行校準；2、本發(fā)明的一種光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準裝置和方法，采用激光干涉儀測量長度變化量AL，將其值直接溯源到激光波長，提高了測量精度；3、本發(fā)明的一種光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準裝置和方法，采用直接拉伸的方式對光纖光柵傳感器的應變靈敏度進行校準，屬無損校準，校準后的傳感器可繼續(xù)使用，避免了粘貼式校準無法重復使用，只能抽樣校準的缺點。


圖1為本發(fā)明的光纖光柵應變靈敏度的校準裝置圖； 圖中，1-第一傳感器夾持裝置、2-光纖光柵傳感器、3-第二傳感器夾持裝置、4-氣浮導軌動圈、5-氣浮導軌、6-激光干涉測量系統(tǒng)、7-干涉儀支架、8-隔振平臺、9-微位移驅動器、10-力傳感器、11-夾持裝置支架、12-光纖光柵解調裝置。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。實施例1本發(fā)明的光纖光柵應變靈敏度校準裝置，包括第一傳感器夾持裝置1、第二傳感器夾持裝置3、光纖光柵傳感器2、氣浮導軌動圈4、氣浮導軌5、激光干涉測量系統(tǒng)6、干涉儀支架7、隔振平臺8、微位移驅動器9、力傳感器10、夾持裝置支架11、光纖光柵解調裝置12，如圖1所示。所述的光纖光柵傳感器選用型號為FS3100的金屬基底光纖光柵應變傳感器；所述的光纖光柵解調裝置的型號為FI220。連接關系:光纖光柵解調裝置12、夾持裝置支架11、微位移驅動器9、氣浮導軌5和干涉儀支架7分別依次放置于隔振平臺8上，并保證夾持裝置支架11、微位移驅動器9、氣浮導軌5和干涉儀支架7的中心在同一豎直平面內；第一傳感器夾持裝置I固定在夾持裝置支架11上；第二傳感器夾持裝置3固定在氣浮導軌動圈4上；氣浮導軌5的導軌部分穿過氣浮導軌動圈4，通氣時，氣浮導軌動圈4相對于氣浮導軌5懸浮，此時需保證第一傳感器夾持裝置I和第二傳感器夾持裝置3位于同一條水平線上；氣浮導軌動圈4通過力傳感器10與微位移驅動器9相連；激光干涉儀6固定在干涉儀支架7上；待測的光纖光柵傳感器2通過第一傳感器夾持裝置I和第二傳感器夾持裝置3連接并固定；待測的光纖光柵傳感器2未被夾持的一端通過光纖跳線連接到光纖光柵解調裝置12上；通過微位移驅動裝置9，驅動力傳感器10和氣浮導軌動圈4，從而帶動第二傳感器夾持裝置3與第一傳感器夾持裝置I發(fā)生相對運動，使光纖光柵傳感器2發(fā)生相應的拉伸或壓縮變形；通過激光干涉儀6測量第二傳感器夾持裝置3和第一傳感器夾持裝置I間的長度變化量，即光纖光柵傳感器2的變形，通過長度變化量與長度的比值對光纖光柵傳感器2的應變靈敏度進行測試，并通過與出廠值的比較對光纖光柵傳感器2的應變靈敏度進行校準。所述激光干涉儀6發(fā)出的光束應與第一傳感器夾持裝置I和第二傳感器夾持裝置3構成的直線平行。微位移驅動裝置9、氣浮導軌5、激光干涉測量系統(tǒng)6均安裝于隔振平臺之上，采用的隔振平臺為大理石平臺。該例中氣浮導軌5的移動有效范圍300_，導軌直線度優(yōu)于
0.2um/100mm,負載大于 10kg。微位移驅動裝置9通過驅動力傳感器10和氣浮導軌的動圈4對光纖光柵傳感器進行拉伸壓縮。光纖光柵傳感器2安裝于傳感器夾持裝置1、3上，并通過接頭連接于光纖光柵解調裝置12。本發(fā)明采用光纖光柵應變傳感器應變靈敏度校準裝置對光纖光柵的應變靈敏度進行校準。本實施例中的光纖光柵應變靈敏度的校準方法，包括下列步驟:步驟一、對氣浮導軌通氣，使氣浮導軌動圈4無摩擦懸浮于氣浮導軌5上；步驟二、通過微位移驅動器9調整第二傳感器夾持裝置3與第一傳感器夾持裝置I的距離為固定值L = 24_，將光纖光柵傳感器2安裝于第一傳感器夾持裝置I和第二傳感器夾持裝置3之間，施加3N的預緊力；
步驟三、通過微位移驅動裝置9，驅動力傳感器10和氣浮導軌動圈4，從而帶動第二傳感器夾持裝置3與第一傳感器夾持裝置I發(fā)生相對運動，使光纖光柵傳感器2發(fā)生相應的拉伸變形；步驟四、通過激光干涉測量系統(tǒng)6測量光纖夾持裝置3與光纖夾持裝置I的相對位移，即光纖光柵傳感器2的變形量AL = 0.03019mm,通過公式
權利要求
1.一種光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準裝置和方法，其特征在于:包括第一傳感器夾持裝置(I)、第二傳感器夾持裝置(3)、氣浮導軌動圈4、氣浮導軌(5)、激光干涉儀(6)、干涉儀支架(7)、隔振平臺(8)、微位移驅動器(9)、力傳感器(10)、夾持裝置支架(11)、光纖光柵解調裝置(12)； 光纖光柵解調裝置(12)、夾持裝置支架(11)、微位移驅動器(9)、氣浮導軌(5)和干涉儀支架(7)分別依次放置于隔振平臺(8)上；第一傳感器夾持裝置(I)固定在夾持裝置支架(11)上；第二傳感器夾持裝置(3)固定在氣浮導軌動圈(4)上；氣浮導軌(5)的導軌部分穿過氣浮導軌動圈(4)，通氣時，氣浮導軌動圈(4)相對于氣浮導軌(5)懸浮，此時需保證第一傳感器夾持裝置(I)和第二傳感器夾持裝置(3)位于同一條水平線上；氣浮導軌動圈(4)通過力傳感器(10)與微位移驅動器(9)相連；激光干涉儀￠)固定在干涉儀支架(7)上；待測的光纖光柵傳感器(2)通過第一傳感器夾持裝置(I)和第二傳感器夾持裝置(3)連接并固定；待測的光纖光柵傳感器(2)未被夾持的一端通過光纖跳線連接到光纖光柵解調裝置(12)上。
2.如權利要求1所述的一種光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準裝置和方法，其特征在于:所述夾持裝置支架(11)、微位移驅動器(9)、氣浮導軌(5)和干涉儀支架(7)的中心需在一個豎直平面內。
3.如權利要求1所述的一種光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準裝置和方法，其特征在于:所述的傳感器夾持裝置(I)和傳感器夾持裝置(3)根據傳感器外形定制，以保證傳感器能較好的被固定。
4.如權利要求1所述的一種光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準裝置和方法，其特征在于:所述激光干涉儀(6)發(fā)出的光束應與第一傳感器夾持裝置(I)和第二傳感器夾持裝置(3)構成的直線平行，必要時可加入折射鏡、反射鏡對光束進行處理。
5.一種采用上述裝置實現(xiàn)的光纖光柵應變靈敏度的校準方法，具體步驟如下: 步驟一、對氣浮導軌(5)通氣，使氣浮導軌動圈(4)無摩擦懸浮于氣浮導軌(5)上； 步驟二、通過微位移驅動器(9)、驅動力傳感器(10)和氣浮導軌動圈(4)調整第二傳感器夾持裝置(3)與第一傳感器夾持裝置(I)的距離為固定值L ;將光纖光柵傳感器(2)的一端安裝于第一傳感器夾持裝置(I)和第二傳感器夾持裝置(3)之間，另一端通過光纖跳線連接到光纖光柵解調裝置(12)上；根據校準范圍的不同，施加相應的預緊力； 步驟三、通過微位移驅動裝置(9)，驅動力傳感器(10)和氣浮導軌動圈(4)，從而帶動第二傳感器夾持裝置(3)與第一傳感器夾持裝置(I)發(fā)生相對運動，使光纖光柵傳感器(2)發(fā)生相應的拉伸或壓縮變形； 步驟四、通過激光干涉儀(6)測量第二傳感器夾持裝置3和第一傳感器夾持裝置(I)的相對位移，即光纖光柵傳感器⑵的變形量AL，通過公式^ = f測量出待測傳感器的應變變化量Λ ε ； 步驟五、同時通過光纖光柵解調裝置(12)讀取光纖光柵傳感器2的波長變化量Λ λ，則被校的光纖光柵傳感器(2)應變靈敏度為P = Δ λ/Δ ε ； 步驟六、將測得的光纖光柵傳感器(2)的靈敏度P與標稱靈敏度相比較，達到對光纖光柵傳感器應變靈敏度校準的目的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器應變靈敏度的校準裝置和方法，該裝置包括傳感器夾持裝置、氣浮導軌、激光干涉測量系統(tǒng)、光纖光柵解調裝置等。所述的光纖光柵傳感器通過兩個傳感器夾持裝置固定，通過微位移驅動裝置驅動安裝在氣浮導軌動圈上的傳感器夾持裝置，使傳感器產生拉或壓應變，通過激光干涉測量系統(tǒng)測量傳感器長度變化量，由光纖光柵解調裝置讀出的光纖光柵傳感器波長變化量與該應變比較，可實現(xiàn)光纖光柵傳感器的應變靈敏度校準。本發(fā)明采用氣浮導軌對光纖光柵的拉壓過程進行了導向，采用激光干涉測量系統(tǒng)對光纖光柵傳感器的長度變化量進行測量，精確地對光纖光柵傳感器進行無損校準。
文檔編號G01B11/16GK103105138SQ201310005749
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權日2013年1月8日
發(fā)明者宋昊, 薛景鋒, 鄭明慧, 趙印明, 郭偉, 王文娟, 張慧君 申請人:中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術研究所