[发明专利]一种基于光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及到材料科学和光电子信息科学技术领域，具体涉及利用光纤传感器测量阻尼材料振动吸收机械能转变为热能的装置及方法。

背景技术

目前，机械振动随处可见，其广泛存在于国民生活生产的各个方面，大到飞机、导弹、火箭、神舟飞船等，小到汽车、船舶、机械等交通工具，强烈的振动会影响仪器仪表的工作准确性和稳定性，严重的还会因疲劳破坏而缩短结构的寿命或因共振而损坏。同时由于振动产生的噪声更是危害环境和人类健康。因此，减振降噪是一个急需解决的问题。

人们研究出多种减振降噪的方法，其中阻尼技术是控制振动的有效方法。阻尼材料是一种能吸收振动机械能，并将它转化为热能、电能、磁能或其它形式的能量而损耗掉的一种功能材料。它利用阻尼材料在变形时把动能变成热能的原理降低结构的共振振幅，增加疲劳寿命和降低机构噪声。阻尼材料在振动时由于不停地将机械能转化为热能，阻尼材料的温度会上升，相比初始振动时会产生一个温度差。在单位时间内，阻尼性能越好的材料，在相同的振动条件下，其吸收机械能的能力越强，则其振动转换成热能的能量也越多，并且阻尼材料在振动初始至一定时间之后，其温度差值也会越大；若材料的阻尼性能差，则在单位时间内振动的机械能转化为热能的能量少，阻尼材料的温度差值也会小。

对阻尼材料振动阻尼性能的研究目前有三种常用方法：一是动态力学热分析法，使用粘弹谱仪DMA获取材料的储能模量和损耗模量，进而计算出材料的损耗因子；二是悬臂梁法；三是振动时间衰减法。这三种方法均为在实验状态下对阻尼材料阻尼性能的测试，在应用中还有很多实际工程应用要求需进行考虑。

光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而发展起来的新型传感技术，其是利用光纤对某些特定的物理量敏感特性，将外界物理量转换成可以直接测量的信号技术。由于光纤不仅可以作为光波的传播媒介，而且由于光波在光纤传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素(如温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等)的作用而直接或间接发生变化，从而也可以将其用作传感元件来探测各种物理量。光纤传感器有其独特的优点：高灵敏度、耐腐蚀、体积小、抗电磁干扰、可弯曲、结构简单以及与光纤传感线路相容等。其应用范围相当广泛，如在医学方面、流体温度及压力测量、电力系统检测、建筑桥梁、航空航天等等。

光纤温度传感器可分为分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器、基于弯曲损耗的光纤温度传感器等。光纤光栅温度传感器是根据光纤光栅反射波长会随温度的变化而产生“波长移位”的原理制成的。它的传感信号为波长调制，使其测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗的探测器老化等因素的影响，很容易将其埋入材料中对其内部的温度进行高分辨率和大范围地测量。

现有的将光纤传感器应用于阻尼材料耗能机理测量方面的专利基本没有。现有中国专利CN2763785Y文献“一种光纤光栅温度传感器的封装结构”，采取的是将整个结构封装在金属管内，通过密封圈和密封栓封装，封装结构较为复杂；中国专利CN101545791A文献“光纤传感器及其在折射率及应变测量中的应用”，特别适用于聚合物的固化过程监控。中国专利102680140A文献“一种基于光纤光栅温度传感器的依然易爆物品温度检测方法”，将光纤传感器粘贴于易燃易爆物品关键位置，通过光纤光栅温度的改变量得到易燃易爆物品的改变量。目前还没有关于将光纤传感器应用于阻尼材料性能研究的应用。

发明内容

本发明的目的之一在于：克服已有的技术局限，将光纤传感器引入阻尼材料研究应用领域，提供一种新的测量阻尼材料阻尼性能的方法，为阻尼材料阻尼机理的研究提供了一种全新的研究思路，采用了新的测量技术手段，直接定量测定阻尼材料振动耗能大小，为阻尼材料阻尼性能的研究提供直接依据。本发明可以实现对材料阻尼性能的实时测量。

本发明的目的之一在于：提供一种测量阻尼材料在振动过程中产生热量大小的装置，该装置通过光纤传感器直接测量阻尼材料振动后所产生的温度差值，判断材料的阻尼性能，在一定时间内，所测得差值越大，阻尼性能越好；差值越小，阻尼性能越差。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的光纤传感器测量阻尼材料耗能的装置，包括测量部分、远程控制电脑和辅助装置部分，所述测量部分中的光纤解调仪通过传输光纤与远程控制电脑连接；所述辅助装置部分由辅助金属夹具和振动驱动仪组成，辅助金属夹具的夹头夹持住阻尼材料的一端，振动驱动仪装在阻尼材料粘贴铁片的一端，驱动悬臂梁振动。