利用光纤光栅测量材料应变的系统及测量方法

1.本发明涉及光纤光栅应用技术领域，尤其涉及一种利用光纤光栅测量材料应变的系统及测量方法。


背景技术：

2.光纤布拉格传感器是利用光纤布拉格光栅(简称：fbg)作敏感元件的功能型光纤传感器，当光栅所在环境的温度或者应力发生变化时，将导致光栅周期及纤芯折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅中心波长发生波动，通过检测布拉格波长偏移的情况，即可以获得待测材料温度、应力变化的情况。由于体积小、准确度高、抗电磁干扰等特点，光纤布拉格传感器被用于超导磁体，对系统的结构状态实时监测。
3.而目前的在超低温环境下测量材料应变一般选用液氮等低温液体冷源来控制实验条件，采用低温液体冷源无法控制环境的升降温速率，且实验操作复杂，造成低温液体原材料大量浪费等问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种利用光纤光栅测量材料应变的系统及测量方法，用以解决现有技术中过分依赖低温液体冷源导致的无法控制环境的升降温速率，且实验操作复杂，造成低温液体原材料大量浪费的缺陷。
5.本发明实施例提供一种利用光纤光栅测量材料应变的系统，包括：制冷装置、罩体、测试台、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器和光纤光栅解调仪，所述罩体罩设于所述制冷装置和所述测试台的外侧，所述测试台设置于所述制冷装置的冷头上，在所述测试台内部设置有用于放置所述光纤光栅温度传感器的光纤窄缝，所述光纤光栅解调仪分别与所述光纤光栅应变传感器、所述光纤光栅温度传感器连接，用于采集所述光纤光栅应变传感器和所述光纤光栅温度传感器在温度变化下的光纤反射波长。
6.其中，所述罩体包括真空罩和屏蔽罩，所述真空罩罩设于所述屏蔽罩的外侧，所述屏蔽罩罩设于所述制冷装置的一级冷头上。
7.其中，在所述真空罩上设置真空泵接口。
8.其中，所述测试台包括传热法兰、传热柱、传热台和传热盖板，所述传热盖板设于所述传热台的顶部，所述光纤窄缝位于所述传热台的顶面，所述传热台依次通过所述传热柱和所述传热法兰连接于所述制冷装置的二级冷头上。
9.其中，还包括加热片，所述加热片与所述制冷装置的二级冷头连接，所述加热片围设于相邻所述传热柱之间。
10.其中，还包括光纤馈通件，所述光纤馈通件贯通于所述罩体，用于将光纤光栅应变传感器的尾栅和光纤光栅温度传感器的尾栅通向所述光纤光栅解调仪。
11.其中，还包括光纤盲板和光纤接头，所述光纤接头安装于所述罩体的外侧，所述光纤盲板设置于所述光纤接头的端部，所述光纤馈通件安装于所述光纤盲板上。
12.根据本发明实施例另一方面提供的一种利用光纤光栅测量材料应变的系统的测量方法，包括：
13.s1、将光纤光栅温度传感器放置于光纤窄缝中，将低温温度计放置于测试台上，启动制冷装置并在预设温度区间进行测量，得到光纤光栅温度传感器的第一温度-波长曲线；
14.s2、标定光纤光栅温度传感器得到热光系数；
15.s3、将光纤光栅应变传感器埋设于待测材料中，并将待测材料放置于测试台上，将光纤光栅温度传感器放置于光纤窄缝中，启动制冷装置并在预设温度区间进行测量，得到光纤光栅应变传感器的第二温度-波长曲线；
16.s4、通过第一温度-波长曲线和第二温度-波长曲线计算待测材料在预设温度区间的应变变化。
17.其中，待测材料的应变计算公式为：
[0018][0019]
其中，ε为待测材料的应变，pe为已知的有效弹光系数，λ为由光纤光栅应变传感器测得的反射波长，δλ为反射波长变化量，即对应温度变化量的反射波长变化量，δt为光纤光栅温度传感器测得的温度变化，通过标定光纤光栅温度传感器得到。
[0020]
本发明实施例提供的利用光纤光栅测量材料应变的系统及测量方法，通过制冷装置提供可调的低温测量环境，通过光纤光栅解调仪监测光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器在温度变化下的光纤反射波长，剔除光纤光栅由于温度变化导致的波长变化影响，由光纤光栅应变传感器监测到的波长变化和光纤光栅温度传感器监测到的温度变化通过公式计算可得到待测材料在低温环境下的应变变化。采用本发明的利用光纤光栅测量材料应变的系统，可控制待测材料的升降温速率，可解决现有技术中光纤光栅在低温下测量材料应变时对低温液体冷源的过分依赖，简化实验操作，避免低温液体原材料大量浪费的问题。
附图说明
[0021]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0022]
图1是本发明实施例提供的一种利用光纤光栅测量材料应变的系统的结构示意图；
[0023]
图2是本发明实施例测试台的结构示意图；
[0024]
图3是本发明实施例光纤馈通件、光纤盲板和光纤接头的结构示意图。
[0025]
附图标记：
[0026]
1：制冷装置；2：测试台；201：传热法兰；202：传热柱；203：传热台；204：传热盖板；301：真空罩；302：屏蔽罩；4：真空泵接口；5：加热片；6：光纤馈通件；7：光纤盲板；8：光纤接头；9：光纤窄缝。
具体实施方式
[0027]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是点连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0029]
下面结合图1-图3描述本发明实施例的一种利用光纤光栅测量材料应变的系统，包括：制冷装置1、罩体、测试台2、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器和光纤光栅解调仪，罩体罩设于制冷装置1和测试台2的外侧，测试台2设置于制冷装置1的冷头上，在测试台2内部设置有用于放置光纤光栅温度传感器的光纤窄缝9，光纤光栅解调仪分别与光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器连接，用于采集光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器在温度变化下的光纤反射波长。
[0030]
具体地，在本实施例中，制冷装置1采用制冷机，为测试环境提供冷源，罩体提供了封闭空间，减少热量损失，保证测试环境的温度稳定。测试台2主要用于放置待测材料、光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，在测试过程中，可将光纤光栅温度传感器放置在光纤窄缝9中，光纤光栅应变传感器埋设于待测材料中，将待测材料放置于测试台2的顶面上。由于光纤布拉格光栅的特性，导致其反射波长变化的因素有温度和应变，因此，在本实施例中需要剔除将由温度变化所导致的波长变化影响，可采用控制变量法，控制在相同的预设温度区间，分别采集光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器的波长变化，光纤光栅温度传感器在预设温度下得到温度与波长的关系曲线，即得到光纤布拉格光栅仅在温度变化下的波长变化，光纤光栅应变传感器在预设温度下和待测材料的应力作用下得到温度与波长的关系曲线，即得到光纤布拉格光栅在温度变化和应力共同作用下的波长变化，将两个曲线结合计算得到待测材料的应变变化。应当理解的是，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器均为同规格的光纤布拉格光栅。
[0031]
进一步地，计算过程如下：
[0032]
现有光纤光栅的计算模型如下：
[0033]
光纤光栅反射波长有：λb＝2nλ
ꢀꢀꢀ
(2-1)
[0034]
其中，n为光栅的有效折射率，λ为光纤光栅栅距。光纤光栅应变传感器中心反射波长主要受弹光效应及热光效应影响，其反射波长变化分数为：
[0035][0036]
其中，δλ为波长变化量，δl为光纤光栅轴向长度变化量，δn为有效折射率变化量，pe为有效弹光系数。常温下和与温度变化量成正比。
[0037]
又
[0038]
α为基体材料热膨胀系数，ξ为热光系数，常温下均为常数。
[0039]
将α，ξ代入式(2-2)，有：
[0040][0041]
在常温下，式(2-3)中的第一项远小于第二项，可以忽略不计，式(2-3)可以写为：
[0042][0043]
即可得到光纤光栅温度传感器的计算模型
[0044][0045]
对于光纤光栅应变传感器，其光纤光栅长度变化率又代入式(2-2)，得
[0046][0047]
即可得到光纤光栅应变传感器的计算模型：
[0048][0049]
其中式(2-7)中，ε为待测材料的应变，pe为已知的有效弹光系数，λ为由光纤光栅应变传感器测得的反射波长，δλ为反射波长变化量，即对应温度变化量的反射波长变化量，δt为光纤光栅温度传感器测得的温度变化，通过标定光纤光栅温度传感器得到。
[0050]
本发明实施例提供的利用光纤光栅测量材料应变的系统及测量方法，通过制冷装置1提供可调的低温测量环境，通过光纤光栅解调仪监测光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器在温度变化下的光纤反射波长，剔除光纤光栅由于温度变化导致的波长变化影响，由光纤光栅应变传感器监测到的波长变化和光纤光栅温度传感器监测到的温度变化通过公式计算可得到待测材料在低温环境下的应变变化。采用本发明的利用光纤光栅测量材料应变的系统，可控制待测材料的升降温速率，可解决现有技术中光纤光栅在低温下测量材料应变时对低温液体冷源的过分依赖，简化实验操作，避免低温液体原材料大量浪费的问题。
[0051]
在其中一个实施例中，罩体包括真空罩301和屏蔽罩302，真空罩301罩设于屏蔽罩302的外侧，屏蔽罩302罩设于制冷装置1的一级冷头上。在本实施例中，真空罩301安装于整个系统的底座上，为系统提供真空环境，屏蔽罩302安装于制冷机的一级冷头上，减小系统的辐射换热。
[0052]
在其中一个实施例中，在真空罩301上设置真空泵接口4。在本实施例中，可通过真
空罩301上的真空泵接口4接入真空泵，将真空罩301内抽真空。
[0053]
在其中一个实施例中，测试台2包括传热法兰201、传热柱202、传热台203和传热盖板204，传热盖板204设于传热台203的顶部，光纤窄缝9位于传热台203的顶面，传热台203依次通过传热柱202和传热法兰201连接于制冷装置1的二级冷头上。在本实施例中，传热法兰201、传热柱202、传热台203和传热盖板204均具有优异的传热导热功能，将制冷剂的热量传递给待测材料。优选地，传热盖板204可选材质为铜。传热法兰201上设置有螺纹孔，通过螺栓将传热法兰201与二级冷头连接。光纤窄缝9为多条，在本实施例中，光纤窄缝9为四条，宽度约为0.3mm，深度约为0.5mm，将光纤光栅温度传感器放入至光纤窄缝9中后，利用高真空润滑脂填满，并插入铜片固定其位置。
[0054]
在其中一个实施例中，利用光纤光栅测量材料应变的系统还包括加热片5，加热片5与制冷装置1的二级冷头连接，加热片5围设于相邻传热柱202之间，通过安装在加热柱上的加热片5输入热量，使待测材料在待测温区均匀的升温和降温。
[0055]
在其中一个实施例中，利用光纤光栅测量材料应变的系统还包括光纤馈通件6，光纤馈通件6贯通于罩体，用于将光纤光栅应变传感器的尾栅和光纤光栅温度传感器的尾栅分别通向光纤光栅解调仪。在本实施例中，通过光纤馈通件6可将光纤光栅的尾栅引出系统，通过光纤光栅解调仪测得反射波长。
[0056]
在其中一个实施例中，利用光纤光栅测量材料应变的系统还包括光纤盲板7和光纤接头8，光纤接头8安装于罩体的外侧，光纤盲板7设置于光纤接头8的端部，光纤馈通件6安装于光纤盲板7上。在本实施例中，在真空罩301的外侧安装光纤接头8，光纤接头8的端部用于安装光纤盲板7，光纤馈通件6安装在光纤盲板7上。
[0057]
根据本发明实施例还提供了一种利用光纤光栅测量材料应变的系统的测量方法，包括：
[0058]
s1、将光纤光栅温度传感器放置于光纤窄缝9中，将低温温度计放置于测试台2上，启动制冷装置1并在预设温度区间进行测量，得到光纤光栅温度传感器的第一温度-波长曲线。s1步骤用于测定光纤光栅温度传感器在温度变化下对应的波长变化，其中低温温度计用于测量光纤光栅温度传感器所处环境的温度变化。
[0059]
s2、标定光纤光栅温度传感器得到热光系数。步骤s2中得到待测材料的应变计算公式中的
[0060]
s3、将光纤光栅应变传感器埋设于待测材料中，并将待测材料放置于测试台2上，将光纤光栅温度传感器放置于光纤窄缝9中，启动制冷装置1并在预设温度区间进行测量，得到光纤光栅应变传感器的第二温度-波长曲线。为了保证控制变量的准确，步骤s3中的预设温度区间与步骤s1中的温度区间一致，均为4.2k-300k之间，光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器中采用的光纤光栅为同一规格。通过光纤光栅温度传感器得到应变计算公式中的δt，通过光纤光栅应变传感器得到在温度变化下和待测待料应力作用下的波长，即应变计算公式中的λ。
[0061]
s4、通过第一温度-波长曲线和第二温度-波长曲线计算待测材料在预设温度区间的应变变化。s4步骤中，将光纤光栅应变传感器监测到的波长变化剔除温度变化所导致的变化，该温度变化的影响可由步骤s1中得到，进而得到待测材料的应变变化。
[0062]
依据上述步骤，待测材料的应变计算公式为：
[0063][0064]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。