多分量光纤天平及其测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种多分量光纤天平及其测量方法，用于解决现有光纤天平实用性差的技术问题。技术方案是多分量光纤天平包括天平主体、槽口、光纤光栅应变计、线槽、支杆端和固定端。所述的固定端安装在测量平台上，天平主体靠近固定端和支杆端部位沿圆周方向各开一个正方形槽，正方形槽个有四个槽口，槽口对称设置，每个槽口中心粘贴一根光纤光栅应变计。测量时，光纤光栅应变计将接收到的光信号转化为波长值显示在计算机上，施加升力、俯仰力矩、侧力、偏航力矩，对受载荷后光纤光栅应变计反射波中心波长进行测量，进而计算出载荷与中心波长偏移量之间的关系，实用性强。
【专利说明】
多分量光纤天平及其测量方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光纤天平，具体是一种多分量光纤天平，还涉及这种多分量光纤 天平的测量方法。
【背景技术】
[0002] 风洞天平是测量风洞中作用在模型上的空气动力和力矩的设备，是风洞试验中最 重要的测量装置。
[0003] 文献"一种用于风洞试验测量的光纤天平，授权公告号是CN203658011U的中国实 用新型专利"公开了一种用于风洞试验测量的光纤天平，该光纤天平采用在悬臂梁根部上 下对称开槽并在槽口处粘贴光纤应变计来测量应变，与传统的应变天平相比，采用此方法， 天平输出灵敏度提高一倍。此专利公开的只是一种单分量光纤天平，而在真实的风洞实验 中，模型受到的载荷作用一般是多分量的，因此单分量光纤天平在风洞试验中应用性并不 强。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有光纤天平实用性差的不足，本发明提供一种多分量光纤天平及其测 量方法。多分量光纤天平包括天平主体、槽口、光纤光栅应变计、线槽、支杆端和固定端。所 述的固定端安装在测量平台上，天平主体靠近固定端和支杆端部位沿圆周方向各开一个正 方形槽，正方形槽个有四个槽口，槽口对称设置，每个槽口中心粘贴一根光纤光栅应变计。 测量时，光纤光栅应变计将接收到的光信号转化为波长值显示在计算机上，施加升力、俯仰 力矩、侧力、偏航力矩，对受载荷后光纤光栅应变计反射波中心波长进行测量，进而计算出 载荷与中心波长偏移量之间的关系，实用性强。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种多分量光纤天平，其特点是:包 括天平主体1、槽口 2、光纤光栅应变计3、线槽4、支杆端5和固定端6。所述的固定端6通过固 定装置安装在测量平台上，天平主体1靠近固定端6和支杆端5部位沿圆周方向各开一个正 方形槽，正方形槽有四个槽□ 2，两端共八个槽□ 2，槽口 2对称设置，尺寸相同，每个槽口 2中 心粘贴一根光纤光栅应变计3,共八根光纤光栅应变计3,光纤光栅应变计3引线由线槽4引 出。
[0006] 槽口 2宽度优选10mm，深度优选3mm。
[0007] -种上述多分量光纤天平的测量方法，其特点是包括以下步骤：
[0008] 步骤一、将多分量光纤天平固定端固定在测量平台上，支杆端用于精校载荷加载。 [0009]步骤二、将光纤光栅应变计一端自由放置，另一端与光纤跳线通过光纤熔接机熔 合在一起，光纤跳线起到对光信号的传输，并且输入到终端光纤解调仪的作用。光纤光栅解 调仪内置激光光源，光源发出宽谱光，由光纤跳线、光纤尾纤传至光栅栅区，满足布拉格公 式条件的波长的光被反射回来，经光纤尾纤、光纤跳线传至光纤光栅解调仪，光纤光栅解调 仪将接收到的光信号反应为波长值显示在计算机面板上。
[0010] 步骤三、在未加砝码时，测得光纤原始波长。
[0011] 步骤四、在加载砝码时，天平主体受力产生形变，各个槽口产生相应的应变，槽口 与平面相比变形量增大且与所加载荷值成正比，应变影响光栅周期发生变化，进而对满足 布拉格公式条件的反射波的中心波长产生影响，数值变化显示在光纤光栅解调仪对应通 道。精校实验中采用正交多元加载方法，将天平每个分量的校准载荷等间距分成九个加载 点，各组重复三次以上。
[0012] 步骤五、记录光纤光栅解调仪所测量的波长值，利用最小二乘的数学拟合原理求 解天平校准公式中的系数，得出载荷与中心波长偏移量之间的关系，根据输出波长值求出 波长偏移量，进而求得模型所受载荷。
[0013] 天平校准公式具体计算过程如下：
[0014] 将八根光纤进行组合式测量：
[0016] 参考应变天平校准公式，对于本天平，校准公式如下：
[0017]
[0018] 式中，ylk是施加的标准载荷，A A为输出信号值增量，eik是残余误差。i取1-4,代表 4个分量，k代表第k个加载点。
[0019] 将(2)式简写为：
[0020]
[0021]设yik的估值为&，则 [0022]
[0024] 各个系数匕值用最小二乘法求得，即使其残差平方和
[0025]
[0026]为最小。由数学分析极值原理得知，要使Q值达到最小，各个匕值必须满足其残差 平方和Q对各匕的偏导数都为零，SP
[0028] (6)式经整理写成下列矩阵形式：
[0031]
，其中叫是系数矩阵的逆阵元素，即（叫）=(叫)-、(10)
[0032]由矩阵(8)求出1^-1314后，即求出了一个分量的全部校准系数，其他几个分量的校 准系数也由上述公式求出。
[0033]所述的光纤原始波长是1550nm〇
[0034] 本发明的有益效果是:本发明多分量光纤天平包括天平主体、槽口、光纤光栅应变 计、线槽、支杆端和固定端。所述的固定端安装在测量平台上，天平主体靠近固定端和支杆 端部位沿圆周方向各开一个正方形槽，正方形槽个有四个槽口，槽口对称设置，每个槽口中 心粘贴一根光纤光栅应变计。测量时，光纤光栅应变计将接收到的光信号转化为波长值显 示在计算机上，施加升力、俯仰力矩、侧力、偏航力矩，对受载荷后光纤光栅应变计反射波中 心波长进行测量，进而计算出载荷与中心波长偏移量之间的关系，实用性强。
[0035] 以下结合附图和实施例详细说明本发明。
【附图说明】
[0036] 图1是本发明多分量光纤天平的结构示意图。
[0037]图中，1-天平主体，2-槽口，3-光纤光栅应变计，4-线槽，5-支杆端，6-固定端。
【具体实施方式】
[0038]以下实施例参照图1。
[0039] 实施例1。本发明多分量光纤天平包括天平主体1、槽口 2、光纤光栅应变计3、线槽 4、支杆端5和固定端6。所述的固定端6通过固定装置安装在测量平台上，天平主体1靠近固 定端6和支杆端5部位沿圆周方向各开一个正方形槽，正方形槽有四个槽口 2，两端共八个槽 口 2，槽口 2对称设置，尺寸相同，槽口宽度为10mm，深度3mm。每个槽口 2中心粘贴一根光纤光 栅应变计3，共八根光纤光栅应变计3，光纤光栅应变计3引线由线槽4引出，槽口 2长度不小 于光纤光栅的栅区长度。然后对光纤进行预拉伸，其目的是为测量正负法向力产生的拉伸 与压缩应变。
[0040] 实施例2。实施例1所述的多分量光纤天平的测量方法具体步骤如下：
[0041] 步骤1.将光纤天平固定端固定在测量平台上，支杆端用于精校载荷加载。
[0042] 步骤2.将光纤光栅应变计一端自由放置，另一端与光纤跳线通过光纤熔接机熔合 在一起，光纤跳线起到对光信号的传输，并且输入到终端光纤解调仪的作用。光纤光栅解调 仪内置激光光源，光源发出宽谱光，由光纤跳线、光纤尾纤传至光栅栅区，满足布拉格公式 条件的波长的光被反射回来，经光纤尾纤、光纤跳线传至光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪 将接收到的光信号反应为波长值显示在计算机面板上。
[0043] 步骤3.在未加砝码时，测得光纤原始波长，本发明专利选择的是中心波长为 1550nm的光纤光栅。
[0044] 步骤4.加载砝码时，天平主体受力产生形变，各个槽口会产生相应的应变，槽口与 平面相比变形量增大且与所加载荷值成正比，应变影响光栅周期发生变化，进而对满足布 拉格公式条件的反射波的中心波长产生影响，数值变化显示在光纤光栅解调仪对应通道。 精校实验中采用正交多元加载方法，将天平每个分量的校准载荷(设计量程的90%_110%) 等间距分成9个加载点，各组重复3次以上。
[0045] 步骤5.记录光纤光栅解调仪所测量的波长值，利用最小二乘的数学拟合原理求解 天平校准公式中的系数，得出载荷与中心波长偏移量之间的关系，在应用中就可根据输出 波长值求出波长偏移量，进而求得模型所受载荷。
[0046] 步骤5.1.天平校准公式具体计算过程如下：
[0047]将8根光纤进行组合式测量：
[0048]
[0049] 参考应变天平校准公式，对于本天平，校准公式如下：
[0051] yik是施加的标准载荷，△ X为输出信号值增量，也就是中心波长偏移量，eik是残余 误差。i取1 一4，代表4个分量，k代表第k个加载点。
[0052] 将(2)式简写为：
[0057]各个系数匕值可用最小二乘法求得，即使其残差平方和
[0059]为最小。由数学分析极值原理可知，要使Q值达到最小，各个匕值必须满足其残差 平方和Q对各h的偏导数都为零，SP
[0061 ] (6)式经整理写成下列矩阵形式：
[0064；
，其中叫是系数矩阵的逆阵元素，即（叫）=(叫)-、(10)
[0065]由矩阵(8)求出1^-1314后，即求出了一个分量的全部校准系数，其他几个分量的校 准系数也由上述公式求出。
【主权项】
1. 一种多分量光纤天平，其特征在于：包括天平主体（1)、槽口（2)、光纤光栅应变计 (3)、线槽(4)、支杆端(5)和固定端(6);所述的固定端6通过固定装置安装在测量平台上，天 平主体（1)靠近固定端(6)和支杆端(5)部位沿圆周方向各开一个正方形槽，正方形槽有四 个槽口（2)，两端共八个槽口（2)，槽口（2)对称设置，尺寸相同，每个槽口（2)中心粘贴一根 光纤光栅应变计(3 )，共八根光纤光栅应变计(3 )，光纤光栅应变计(3)引线由线槽(4)引出。2. 根据权利要求1所述的多分量光纤天平，其特征在于:槽口 2宽度优选10mm，深度优选 3mm 〇3. -种权利要求1所述多分量光纤天平的测量方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤一、将多分量光纤天平固定端固定在测量平台上，支杆端用于精校载荷加载； 步骤二、将光纤光栅应变计一端自由放置，另一端与光纤跳线通过光纤熔接机熔合在 一起，光纤跳线起到对光信号的传输，并且输入到终端光纤解调仪的作用;光纤光栅解调仪 内置激光光源，光源发出宽谱光，由光纤跳线、光纤尾纤传至光栅栅区，满足布拉格公式条 件的波长的光被反射回来，经光纤尾纤、光纤跳线传至光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪将 接收到的光信号反应为波长值显示在计算机面板上； 步骤三、在未加砝码时，测得光纤原始波长； 步骤四、在加载砝码时，天平主体受力产生形变，各个槽口产生相应的应变，槽口与平 面相比变形量增大且与所加载荷值成正比，应变影响光栅周期发生变化，进而对满足布拉 格公式条件的反射波的中心波长产生影响，数值变化显示在光纤光栅解调仪对应通道;精 校实验中采用正交多元加载方法，将天平每个分量的校准载荷等间距分成九个加载点，各 组重复二次以上； 步骤五、记录光纤光栅解调仪所测量的波长值，利用最小二乘的数学拟合原理求解天 平校准公式中的系数，得出载荷与中心波长偏移量之间的关系，根据输出波长值求出波长 偏移量，进而求得模型所受载荷； 天平校准公式具体计算过程如下： 将八根光纤进行组合式测量： ~ + A-Ay - A/ij - A^. -.A為. （1) 参考应变天平校准公式，对于本天平，校准公式如下：式中，ylk是施加的标准载荷，AA为输出信号值增量，eik是残余误差;i取1-4,代表4个分 量，k代表第k个加载点； 将(2)式简写为： }'n =^+Z>；X2+^X3+ ……+ 沁尤13 + 4W+ % ( 3 ) 设ylk的估值为^，则各个系数h值用最小二乘法求得，即使其残差平方和为最小；由数学分析极值原理得知，要使Q值达到最小，各个h值必须满足其残差平方和 Q对各h的偏导数都为零，BP(6)式经整理写成下列矩阵形式：实中ClJ是系数矩阵的逆阵元素，即（叫）=(叫广S (10) 由矩阵(8)求出匕-1314后，即求出了一个分量的全部校准系数，其他几个分量的校准系 数也由上述公式求出。4.根据权利要求3所述的多分量光纤天平的测量方法，其特征在于:所述的光纤原始波 长是 1550nm。
【文档编号】G01L11/02GK106053010SQ201610555793
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】王勇, 解亚军, 高永卫, 焦予秦, 惠增宏, 邓磊, 白静
【申请人】西北工业大学