[发明专利]应力监测装置及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量装置及方法，特别是涉及一种用于栓系应力的监测装置及方法。

背景技术

目前的浮空平台多采用系留缆绳连接地面的锚泊车，完成系留锚泊。系留缆绳中包括的电缆和光缆分别负责从地面向浮空平台提供电力保障，提供控制信号的上下行传输。当浮空平台在空中工作时，一旦系留缆绳的栓系力下降，会导致浮空平台挣脱缆绳束缚，造成球体失控损坏、人员伤亡等严重事故。因此必须对其系留应力进行实时在线监测，以保障浮空平台的安全。

现今系留缆绳和浮空平台间采用压电式应力传感器进行浮空平台的拉力监测，采用压电式测量原理，通过对电信号的监测从而确定所受拉力的大小。常规的压电式应力传感器在使用过程中存在零点漂移大、温度漂移大、抗干扰能力差等缺点，其输出参数往往会随时间和外界环境变化而产生波动，严重影响数据的采集精度和分辨率，相对误差较大，严重时甚至会给出错误信号，导致参数检测异常，系统无法正常工作。

目前存在一种光纤光栅测量技术，利用布拉格光栅，通过对光栅反射波长的变化实现对被测量应力应变的测量。如果将光纤光栅固定在应变体上，当外加应力通过结构体转换成应变时，光纤光栅受应变体应力变化影响，反射波长发生漂移，利用宽频带入射光和相应的光纤光栅解调设备就可以采集波长变化数据，就有可能实现应力变化的相应线性测量。

光纤光栅的制造存在内部写入法、相位掩膜法等方法，但受受工艺影响，其结构还不能在恶劣的高空系留环境下长期使用。同时光纤光栅在低温环境下也会出现色散效应，使测量精度下降。

发明内容

本发明的目的是提高一种应力监测装置，解决无法利用光纤光栅进行有效的应力变化实时监测的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种制造方法，解决浮空平台系留缆绳的栓系应力监测装置易受环境因素影响，无法准确测量的技术问题。

本发明的应力监测装置，包括光纤光栅、光纤和应变体，其特征在于：在应变体的侧壁上固定安装有覆盖侧壁的保护壳体，保护壳体上开设有出纤孔，环绕出纤孔设置有保护挡板；在保护壳体和应变体侧壁之间的布设空间内，光纤的第一端固定在应变体侧壁上，沿应变体轴向，在应变体侧壁上按一定缠距缠绕光纤并固定，沿光纤的轴向在光纤上设置光纤光栅，光纤的第二端通过出纤孔伸出保护壳体，与宽频入射光源相连接，光纤光栅解调仪通过光耦合器连接光纤的第二端。

所述光纤光栅包括第一测量光纤光栅和第二测量光纤光栅，分别位于应变体轴线两侧对称的位置。

所述光纤光栅还包括温度补偿光栅，温度补偿光栅，第一测量光纤光栅，第二测量光纤光栅形成串联形式。

所述保护壳体上沿轴向开设有一个矩形通孔，保护挡板采用弹性材料紧密嵌入矩形通孔，在保护挡板上开设出纤孔。

所述应变体采用轴线上开设有通孔的圆柱体，其外形尺寸为（φ60mm±1mm）×（120mm±1mm）、重量不大于2kg，通孔尺寸为φ20mm±1mm。

所述应力监测装置的制造方法，包括以下步骤：

首先，在光纤上制作布拉格光栅；

其次，提高光栅稳定性；

其次，光栅表面金属化；

其次，光栅与应变体焊接。

所述提高光栅稳定性通过高压载氢、高温退火工艺。

所述光栅表面金属化通过化学镀结合电镀的方法在光纤光栅表面镀铜。

所述光栅与应变体焊接中包括将光纤光栅置于应变体侧壁贴覆预拉。

所述与应变体焊接的光栅包括形成串联形式的第一测量光纤光栅、第二测量光纤光栅和温度补偿光栅，在应变体侧壁上敷设好第一测量光纤光栅之后，通过缠绕光纤，将第二测量光纤光栅敷设在应变体中心轴线另一侧的应变体侧壁上。

本发明的应力监测装置，解决常规电传感器易受电磁干扰、温漂大、环境适应性差的缺点。基于光纤传感技术，可以实现大量程应力测量，其最大应力可达200kN，满足大型浮空平台的载荷应力监测要求，同时具有抗电磁干扰、温度和零点漂移小、环境适应性强的特点，通过采用光纤进行应力传感，其抗电磁干扰能力大大增强，可以满足GJB151A-97的要求，不受电磁干扰的影响，同时其环境适应性也大大增强，在平台机载振动、冲击、气压等综合环境下均能准确的进行参数的监测。

创新无源化结构形式，使产品具有抗电干扰性能，能够在强电磁干扰环境下进行数据的获取，完全解决了现有电传感器的易受电磁干扰的难题。

采用无胶化封装，创新的使用光纤光栅金属化工艺结合钎焊嵌入结构体的方式，解决了有胶粘贴工艺带来的易断裂、脱落等问题。