[实用新型]一种采用光纤光栅传感器的薄板形变测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种采用光纤光栅（FBG）传感器的简支薄板形变测量装置，属于光纤传感技术领域。 

背景技术

弹性平板和板状结构在现代工程实践中有着广泛的应用，当平板的宽度与厚度比值在15以上时为薄板，薄板是一种最常见的工程构件形式，例如航天工程中的一些部件是薄板，如火箭尾翼，太阳能翼板等；海上石油平台，水下实验室同样是薄板结构；在建筑工程中，平板结构有门，楼板，平顶，阳台，墙壁，地基等等，另外在交通领域，轮船甲板，火车，汽车底板，飞机场跑道等等场所处处可见薄板。当外力作用在薄板上时，薄板将会发生形变，工程师们常常需要测量或评估薄板的变形，应力和挠度等参数。 

对于薄板的形变测量，最常见的方法是直接采用千分表，但千分表的使用有很多局限性，例如当被测薄板被封闭起来，或者处于极端恶劣的环境下都将无法使用。另一种方法则是建立薄板在可能的横向干扰时弹性力学的数理方程，通过求解该方程来对平板的形变进行评估，实施过程通常是采用有限元分析，但是有限元分析计算较为复杂，计算量大，耗费时间较长。并且，该方法对薄板整体形变的评估是建立在特殊受力假设的基础上，与平板的实际受力情况具有较大差异，因此该方法并不能精确地还原薄板形变的全貌。最后一种方法则是利用传感器，将传感器埋设在薄板的不同检测点，通过传感器测量出相应点的应变和应力信息，其中传感器可以是传统的电阻应变片或是新型的光纤传感器，但是该方法通常只能测量有限的检测点，如需测量全局的信息则需要埋设大量的传感单元，不仅大大增加了成本，甚至可能会对被测主体产生一定的破坏。 

为了解决这一问题，本实用新型提出了一种利用FBG传感器来测量和预测薄板形变的方法并设计了该实用装置。基于FBG传感器的传感过程是通过外界对FBG中心波长的调制来获取信息的一种波长调制型光纤传感器。与传统的电传感器相比，由于它具有抗电磁干扰能力强、抗腐蚀、传感探头结构简单、测量重复性好、便于构成各种形式的光纤传感网络等优点，在石油化工、电力、桥梁及航天等一些特殊或者复杂的应用场合，成为了研究的热点。尤其引人注目的是，FBG微小的尺寸使其特别易于埋入材料本身，在不影响主体性能的情况下可以形成所谓的智能结构。因此，FBG传感器是检测薄板应力的一个良好器件，适合提供实时的结构形变检测。 

发明内容

本实用新型的目的是克服已有技术的不足之处，提供可实现简支薄板形变测量的装置，通过使用轻质化的FBG传感器，从而替代传统的电阻应变片进行薄板受力的测量。该装置适应性更好、体积小、不影响薄板的性能、对电磁干扰免疫，具有长期工作稳定性的优点。 

本实用新型采用的技术方案如下： 

一种采用光纤光栅传感器的薄板形变测量装置，包括高功率宽带光源、光隔离器、光耦合器、光纤F-P可调滤波器、光电探测器、直流偏振电路、带功率输出的加法器和计算机，还包括由5根光纤光栅组成的FBG传感器阵列，其中的4根光纤光栅通过施加预应力的方式分别埋设固定在待测薄板的底部，另外1根光纤光栅通过不施加预应力的方式埋设在待测薄板的中心作为参考；高功率宽带光源通过光隔离器与光耦合器的输入端相连，所述光耦合器的输出端第一路输出到空置端口，再通过折射率匹配液将多余信号吸收掉，第二路输出到FBG传感器阵列中，第三路与光纤F-P可调滤波器连接；所述光纤F-P可调滤波器与光电探测器连接，光电探测器的信号输出到计算机；所述光纤F-P可调滤波器的谐振波长通过驱动电压控制，驱动电压由计算机产生的锯齿波以及直流偏振电路经带功率输出的加法器产生的信号组成。 

所述4根光纤光栅可以呈几何对称的形状分布，采用的光纤光栅的长度小于10mm并大于5mm。 

本实用新型采用FBG传感器的薄板形变测量装置的工作原理是，将4根FBG预先埋设在薄板的固定位置，当薄板受到横向压力的作用后，通过检测4个固定位置处FBG的中心波长偏移量，获得该处的应变和形变的信息，随后利用弹性薄板的受力形变理论，根据集中应力下简支平板的挠度解析解，利用已测得位置的应变信息逆向推断出该解析解的待定参数，最后通过计算该解析表达式获得薄板全局的挠度和应变信息。