高精度光纖壓力傳感器件標定裝置及標定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖壓力傳感器件標定裝置，尤其涉及一種為獲取光子晶體光纖壓力傳感器件輸出特征光譜和壓力標準值對應(yīng)關(guān)系而設(shè)計的高精度光纖壓力傳感器件標定裝置及標定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在兵器工程、航空航天領(lǐng)域，層間壓力是需要在線監(jiān)測的重要數(shù)據(jù)之一，但是某些試驗件內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分緊湊，使用傳統(tǒng)的壓力傳感器難以實現(xiàn)這類狹小空間內(nèi)的層間壓力監(jiān)測，特別是在易燃易爆的場所，可靠的檢測技術(shù)對確保人員和產(chǎn)品安全意義重大。尤其對于預(yù)緊組合結(jié)構(gòu)件，是一種具有幾種不同材質(zhì)及不規(guī)則幾何形狀的部件組合在一起的緊密結(jié)構(gòu)，部件間間隙只有幾百微米，在某些應(yīng)力集中的地方夾一層如海綿橡膠、膠帶等緩沖墊層材料。這種結(jié)構(gòu)裝配時在外部施加一個預(yù)緊力，此預(yù)緊力傳遞到內(nèi)部組件上形成壓力，用于防止其部組件出現(xiàn)滑移、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等現(xiàn)象，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)件性能下降，并且預(yù)緊結(jié)構(gòu)部組件上下件之間間隙小，普通壓力傳感器無法安裝和測量，所以這種特殊結(jié)構(gòu)件的預(yù)緊力監(jiān)測是個工程難題。
[0003]相比普通電子類傳感器，光纖類傳感器具有尺寸小、精度高、本質(zhì)安全等優(yōu)越性能，在以上特殊的場合具有獨特的優(yōu)勢。目前光纖壓力傳感技術(shù)大部分研宄都基于法布里珀羅干涉儀(FPI)或光纖光柵(FBG)式，兩者都能獲得光纖軸向壓力或應(yīng)力變化，但當需要橫向壓力信息時，一般要通過設(shè)計特殊的結(jié)構(gòu)，無疑很大程度上增加了探頭體積，且很難實現(xiàn)高精度或大壓力測量，為此我們研宄了基于保偏光子晶體光纖的橫向壓力檢測技術(shù)。保偏光子晶體光纖是近年來出現(xiàn)的一種新型材料，相比傳統(tǒng)保偏光纖具有更高的壓力敏感性，它的出現(xiàn)為層間壓力檢測技術(shù)提供了一條嶄新的途徑，更加有利于提高測試精度。在光子晶體光纖壓力檢測技術(shù)中傳感探頭的標定技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一，其準確性直接影響著測量精度。這是因為光纖類傳感器屬于非標產(chǎn)品，沒有現(xiàn)成的國家或行業(yè)標準可以參考，更加缺乏合適的標定裝置，所以針對它的專用標定裝置和標定方法的研宄具有重要意義。
[0004]傳感器的標定，就是通過實驗建立傳感器輸入量和輸出量之間的關(guān)系，同時也確定出不同使用條件下的誤差關(guān)系。壓力傳感器的靜態(tài)標定，主要指通過一系列的標定曲線得到靜態(tài)特性指標，如非線性、遲滯、重復(fù)性和精度、靈敏度等。從計量學(xué)的角度看，測量誤差具有相當嚴格的定義，它表征了測量壓力與實際壓力之間的差異，一般無法直接獲得實際壓力，但可以通過采用適當?shù)膲毫藴始右怨烙嫞ǔ２捎镁缺缺粶y設(shè)備高的儀器作為測量標準，所以高精度的標定裝置對評估傳感器靜態(tài)指標有重要意義。
[0005]光纖類壓力傳感器一般與光譜采集分析儀器配套使用，探頭所受壓力信號通過光譜采集分析儀器轉(zhuǎn)換成光譜信號，所以光纖類傳感器的標定即是通過標定裝置找到外界壓力值與光譜信號的對應(yīng)關(guān)系。以光子晶體光纖壓力傳感器為例，光譜分析采集儀主要由壓力敏感單元、光纖激光器、光耦合器、光電探測器及計算機五部分組成。激光器發(fā)出的光經(jīng)過2X2光纖耦合器以兩個相反方向進入壓力敏感單元，壓力敏感單元與耦合器形成Sagnac干涉環(huán)，兩路光信號在耦合器處形成干涉光譜，通過耦合器輸出給光電探測器，由計算機記錄并分析Sagnac干涉環(huán)輸出光譜的特征峰值的波長偏移值，從而獲得施加在傳感單元上的壓力。壓力敏感單元是由保偏光子晶體光纖制成，其內(nèi)部是一種特殊的多孔結(jié)構(gòu)，由大小不一且按特定規(guī)則排列的氣孔組成。
[0006]光子晶體光纖敏感單元傳感原理是，光束從兩個相反方向通過Sagnac環(huán)，在沒有引入外界因素干擾時，兩束光之間是固定相位差。但是當敏感單元橫向受壓后，在光纖截面內(nèi)會產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，等效至X、y兩個主軸方向上，導(dǎo)致光纖中對應(yīng)方向折射率變化，其相位差將發(fā)生變化。透射干涉譜在相位差變化影響下，干涉谷值尖峰會向某一方向移動，通過尋找波長值移動與標準壓力的關(guān)系，即可實現(xiàn)對壓力的測量。
[0007]通過標定實驗數(shù)據(jù)可以獲得標準壓力與輸出干涉譜峰值偏移量之間的對應(yīng)關(guān)系，從而分析出傳感單元特性。已有的光纖標定實驗裝置有兩種，一種是采用高精度材料實驗機進行壓力加載，將材料試驗機的加載載荷數(shù)據(jù)作為標準壓力值，其優(yōu)點是:量程大，可連續(xù)加載，具有力控和位控兩種加載控制方式，所以可進行壓力加載和松弛實驗，其力控的精度是0.5% F.S，位移控制精度1% F.S。缺點是:組織實驗繁瑣，實驗次數(shù)有限，開支較大，加載裝置需要設(shè)計專用工裝夾具才能進行微細光纖傳感器的標定實驗。這類裝置采用液壓控制載荷大小，傳遞到上加載面給傳感器施加壓力。傳感器粘貼在安裝面上，安裝面與臺體間采用碗狀工裝夾具連接，雖然可以微調(diào)安裝面平行度以確保垂直加載，但當被測傳感器沒安裝于加載面中心線上，由于傳感器的引入使安裝面出現(xiàn)傾斜，安裝面一端翹起頂?shù)郊虞d面上，以至于加載于傳感器上的力與實際加載力存在偏差；另一種是我們設(shè)計的砝碼式靜態(tài)加載裝置，設(shè)計了導(dǎo)向裝置確保加載頭垂直于安裝平面加載，缺點是加工精度對加載頭的導(dǎo)向性能影響大，且只能加載固定載荷，標定樣本數(shù)受到砝碼總量限制，更無法檢測材料松弛效應(yīng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供一種高精度光纖壓力傳感器件標定裝置及標定方法，這種標定裝置可實現(xiàn)光纖壓力傳感器標定所需標準壓力值的加載和檢測，還可檢測粘彈體材料松弛效應(yīng)。
[0009]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)上述目的:
[0010]一種高精度光纖壓力傳感器件標定裝置，包括支撐框架、加載體、安裝夾具和傳感器，所述支撐框架包括底座、框架上平板、支撐桿和調(diào)節(jié)墊塊，橫向的所述底座和橫向的所述框架上平板之間通過豎向的所述支撐桿連接，橫向的所述調(diào)節(jié)墊塊安裝于所述底座上并位于中部位置；所述加載體包括加載桿、上調(diào)節(jié)螺母、下調(diào)節(jié)螺母、導(dǎo)向桿、加載板和直線軸承，豎向的所述加載桿穿過框架上平板并通過所述上調(diào)節(jié)螺母和所述下調(diào)節(jié)螺母安裝于所述框架上平板的中部位置，所述上調(diào)節(jié)螺母和所述下調(diào)節(jié)螺母分別位于所述框架上平板的上方和下方，豎向的所述導(dǎo)向桿的上段通過豎向的所述直線軸承安裝于所述框架上平板上并能上下移動，所述直線軸承穿過所述框架上平板，所述導(dǎo)向桿的下端與橫向的所述加載板的上面連接，所述加載板位于所述調(diào)節(jié)墊塊的上方；所述安裝夾具安裝于所述調(diào)節(jié)墊塊與所述加載板之間并用于安裝被測光纖壓力傳感器件；所述傳感器包括一只力傳感器和四只位移傳感器，所述力傳感器的上端與所述加載桿的下端連接，所述力傳感器的下端安裝在單耳片上，所述單耳片通過插銷與雙耳片連接，所述單耳片和所述雙耳片之間可以繞所述插銷擺動，所述雙耳片安裝于所述加載板的上面，四只所述位移傳感器的下端分別安裝于所述調(diào)節(jié)墊塊上并位于靠近四角處，四只所述位移傳感器的上端分別通過加長桿與所述加載板的下面連接。I只力傳感器用于對加載載荷實時測量，4只位移傳感器用于對裝置加載板的平行度進行檢測以確保垂直加載；上述被測光纖壓力傳感器件一般也稱為被測試件。
[0011]為了具有更好的穩(wěn)定性，所述支撐桿為四個且分別安裝于所述底座上靠近四角處。
[0012]作為優(yōu)選，所述框架上平板的兩端寬度大于其中部寬度形成“工”字型收腰結(jié)構(gòu)，這樣不但減輕整體重量，還減少加載時由于其遮擋造成的操作不便，所述導(dǎo)向桿為兩個且對稱分布于所述加載桿的兩側(cè)。
[0013]根據(jù)實際需要，所述安裝夾具為曲面夾具或平面夾具，當所述安裝夾具為曲面夾具時，所述曲面夾具包括凸底座和凹蓋板，所述凸底座安裝于所述調(diào)節(jié)墊塊的上面，所述凹蓋板安裝于所述加載板的下面；當所述安裝夾具為平面夾具時