专利名称：一种联接结合面微动位移的测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种利用激光的光纤端面自反射干涉原理，测量联接结合面的微小振动位移的测量装置和测量方法，适用于工程结构中联接环节的联接状态监测。
背景技术：
联结环节广泛存在于各种工程结构之中。复杂振动环境下的长期工作，常常造成联结状态的改变，任其发展就将可能导致联结失效，甚至酿成重大事故。因而，直接测量振动环境中联接结合面的相对微幅振动响应信号，并进行有效的分析处理，对工程结构的健康运行，预防联接失效具有重要意义。正常联接状态下结合面的相对位移极小，仅有数纳米(接近失效状态时该位移可增加到数微米)。一般的位移测量方法难以对其进行动态测量，更何况结合面还是处于封闭状态，这更增加了直接测量的困难。在目前的联接状态监测中，普遍采用普通振动测量方法测量联接环节附近的振动信号，间接获得联接状态信息的方法进行联接状态的监测。此类测量方法不可避免地受到结构中与联接状态无关的其他因素的影响。
发明内容
本发明的发明目的在于:针对上述存在的问题，提供一种利用激光的光纤端面自反射干涉原理，测量联接结合面的微小振动位移的测量装置及其测量方法，实现复杂振动环境下联接结合面微幅振动位移的直接精确测量，适用于工程结构中重要联接环节的实时监控，预防因联接失效而引发的恶性事故；该测量装置及其测量方法，测量精度高，对环境的适应能力强，能在高压、高温、腐蚀等恶劣环境中工作，特别是在微小动态位移测量中还具有动态范围宽、反应灵敏等优势，非常适合于联接结合面接触状态的动态监测。本发明采用的技术方案如下:
本发明的联接结合面微动位移的测量装置，包括激光器，所述激光器通过光纤连接有若干分支器，每个分支器都通过光纤与环形器连接，所述环形器通过光纤分别连接有激光探测器和测量头，其中测量头置于测量孔内联接结合面一侧的零件上，在测量孔内联接结合面的另一侧的零件上设有反光头，所述测量头与反光头相互配对。与现有技术相比，本发明中的激光器主要用于产生测量所需的单色激光；若干个分支器，主要用于等分激光器发出的激光为若干路入射激光，可同时多路监测多处联接环节；每一路入射激光经过光纤连接到环形器，环形器主要阻止激光逆向传播，避免干扰激光器工作；每一路入射激光离开环形器之后，经过光纤连接到的测量头，测量头置于测量孔内联接结合面一侧的零件上，使一部分入射激光由测量头的端面反射，形成了第一路反射激光；其中测量头与反光头相互配对，使另一部分入射激光射出光纤，照射的反光头上，反光头再一次进入光纤，形成第二路反射激光，该反光头设置于测量孔内联接结合面的另一侧的零件上，当联接环节的结合面相对振动，产生微动位移时，第二路反射激光与第一路反射激光的相位差会随着振动位移而变化，两路反射激光离开专用测量头，经过原来的光纤传至环形器，再经环形器上连接的激光探测器传出，将其干涉信号转换为电信号，滤波并放大之后输出，供进一步采集、分析和显示。本发明的测量联接结合面的微小振动位移的测量装置，利用激光的光纤端面自反射干涉原理，实现复杂振动环境下联接结合面微幅振动位移的直接精确测量，适用于工程结构中重要联接环节的实时监控，预防因联接失效而引发的恶性事故；该测量装置，测量精度高，对环境的适应能力强，能在高压、高温、腐蚀等恶劣环境中工作，特别是在微小动态位移测量中还具有动态范围宽、反应灵敏等优势，非常适合于联接结合面接触状态的动态监测。本发明直接探测结合面的相对位移，避免了其他间接物理量进行状态监测所带来的干扰因素。本发明的联接结合面微动位移的测量装置，所述测量头包括可固定于检测孔内的测量头壳体，在测量头壳体中设有金属光纤插针和自聚焦透镜，所述自聚焦透镜位于测量头的前端端部处，所述金属光纤插针中心穿有引出尾纤。与现有技术相比，本发明中的测量头由测量头壳体、自聚焦透镜和金属光纤插针三部分粘接而成，测量头壳体起着固定自聚焦透镜和金属光纤插针的作用；自聚焦透镜能将从光纤来的入射光线变成较大光束的平行光，并照射到反光头的反光面，同时，能接收反光面的反射光线，并将其耦合入光纤，起着增强信号强度的作用。本发明的联接结合面微动位移的测量装置，所述反光头被微调螺钉限于测量孔内，所述微调螺钉连接于测量孔的内壁上，所述反光头采用不锈钢材料制成，其中反光头的反光面粗糙度小于0.4微米。与现有技术相比，本发明中的反光头，本微调螺钉限定于测量孔内，金属反光头用不锈钢制成，其反光面粗糙度Ra〈0.4微米，保证测量精度，由螺纹联接于被测的联接零件上；微调螺钉的作用是通过预紧力微调反光头的位置，保证位移的测量处在线性度良好的测量范围。本发明的联接结合面微动位移的测量方法，包括以下步骤:
步骤1、激光器发出激光，经过光纤连接的分支器等分为若干路入射激光；
步骤2、各路入射激光分别经光纤传至各个环形器；
步骤3、各路入射激光从环形器经光纤传递至测量头，测量头通过螺纹固定于测量孔内联接结合面一侧的零件上，其中一部分入射激光被测量头的自聚焦透镜反射形成第一路反射激光，并经光纤返回环形器；
步骤4、另外部分的入射激光射出光纤，经自聚焦透镜照射于反射头的反光面上被反射，其中反射头被微调螺钉固定于测量孔内联接结合面另一侧的零件上，反射后的激光再次经自聚焦透镜进入光纤形成第二路反射激光，并经光纤返回环形器；
步骤5、第一路反射激光和第二路反射激光分别传至环形器，并通过光纤传入激光探测器，激光探测器将激光干涉信号转换为电信号，并经滤波处理后输出。与现有技术相比，本发明基于激光光纤干涉的联接结合面微动位移进行测量，其测量精度高，对环境的适应能力强，能在高压、高温、腐蚀等恶劣环境中工作，特别是在微小动态位移测量中还具有动态范围宽、反应灵敏等优势，非常适合于联接结合面接触状态的动态监测；实现复杂振动环境下联接结合面微幅振动位移的直接精确测量，适用于工程结构中重要联接环节的实时监控，预防因联接失效而引发的恶性事故，除了能直接测量结合面相对位移外，还具有探测灵敏度闻、动态范围大等优点。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:
1、本发明的联接结合面微动位移的测量装置，结构简单，操作简便，使用便捷，成本低廉，便于构建和生产，测量精度高，具有较高的可靠性；
2、本发明的联接结合面微动位移的测量装置，直接探测结合面的相对位移，避免了用其他间接物理量进行状态监测所带来的干扰因素。3、本发明的联接结合面微动位移的测量方法，测量精度高，对环境的适应能力强，能在高压、高温、腐蚀等恶劣环境中工作，特别是在微小动态位移测量中还具有动态范围宽、反应灵敏等优势，非常适合于联接结合面接触状态的动态监测。
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
图1是本发明的测量装置的结构示意 图2是本发明在联接结合面测量时的结构示意图。图中标记:1-激光器、2-分支器、3-环形器、4-测量头、5-反光头、6_激光探测器、7-联接结合面、8-微调螺钉、9-反光头反光面、4-1-测量头壳体、4-2-金属光纤插针、4-3-自聚焦透镜、4-4-引出尾纤。
具体实施例方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。如图1和图2所示，本发明的联接结合面微动位移的测量装置，包括激光器1，所述激光器I通过光纤连接有若干分支器2，每个分支器2都通过光纤与环形器3连接，所述环形器3通过光纤分别连接有激光探测器6和测量头4，其中测量头4置于测量孔内联接结合面7 —侧的零件上，其中所述测量头4包括可固定于检测孔内的测量头壳体4-1，在测量头壳体4-1中设有金属光纤插针4-2和自聚焦透镜4-3，所述自聚焦透镜4-3位于测量头4的前端端部处，所述金属光纤插针4-2中心穿有引出尾纤4-4，测量头壳体4-1起着固定自聚焦透镜4-3和金属光纤插针4-2的作用；自聚焦透镜4-3能将从光纤来的入射光线变成较大光束的平行光，并照射到反光头5的反光面9，同时，能接收反光面5的反射光线，并将其耦合入光纤，起着增强信号强度的作用。在测量孔内联接结合面7的另一侧的零件上设有反光头5，其中所述反光头5被微调螺钉8限于测量孔内，所述微调螺钉8连接于测量孔的内壁上，所述反光头5采用不锈钢材料制成，其中反光头5的反光面9粗糙度小于0.4微米，微调螺钉8的作用是通过预紧力微调反光头5的位置，保证位移的测量处在线性度良好的测量范围。所述测量头4与反光头5相互配对。本发明的联接结合面微动位移的测量方法，包括以下步骤:
步骤1、激光器I发出单色激光，经过光纤连接的分支器2等分为若干路入射激光，用于多路测量装置同时监测多处联接环节；
步骤2、各路入射激光分别经光纤传至各个环形器3，也即经单模光纤进入能阻止激光逆向传播的环形器3，环形器3的作用是阻止激光逆向传播，避免干扰激光器工作；
步骤3、各路入射激光从环形器3经光纤传递至测量头4，测量头4通过螺纹固定于测量孔内联接结合面7 —侧的零件上，其中一部分入射激光被测量头4的自聚焦透镜4-3反射形成第一路反射激光，并经光纤返回环形器3 ；
步骤4、另外部分的入射激光射出光纤，经自聚焦透镜4-3照射于反射头5的反光面9上被反射，其中反射头5被微调螺钉8固定于测量孔内联接结合面7另一侧的零件上，反射后的激光再次经自聚焦透镜4-3进入光纤形成第二路反射激光，并经光纤返回环形器3 ;当联接结合面7相对振动时，第二路反射激光与第一路的反射激光的相位差会随着振动位移而变化，体现出了联接结合面微动位移量，使得检测精度高。步骤5、第一路反射激光和第 二路反射激光分别传至环形器3，并通过光纤传入激光探测器6，激光探测器6将激光干涉信号转换为电信号，并经滤波处理后输出。本发明对典型的法兰盘螺纹联接进行实验数据为:
1.钢制法兰盘直接Φ200mm，法兰盘厚度6mm，10.9级联接螺栓8 M6，额定预紧力矩10Nm，法兰体质量5.5Kg ；
2.振动环境为:简谐激励振动频率500Hz，振动加速度有效值5g；
3.当预紧力矩大于5Nm时，本发明测不到结合面的振动；当预紧力矩在l-5Nm之间时，联接结合面7相对位移的振幅随预紧力矩减小呈线性增加至0.15微米，小于4Nm时联接结合面7的相对位移的急剧增加，且信号极不规则。本发明的测量联接结合面的微小振动位移的测量装置及其测量方法，利用激光的光纤端面自反射干涉原理，实现复杂振动环境下联接结合面微幅振动位移的直接精确测量，适用于工程结构中重要联接环节的实时监控，预防因联接失效而引发的恶性事故；该测量装置及其测量方法，测量精度高，对环境的适应能力强，能在高压、高温、腐蚀等恶劣环境中工作，特别是在微小动态位移测量中还具有动态范围宽、反应灵敏等优势，非常适合于联接结合面接触状态的动态监测。本发明并不局限于前述的具体实施方式
。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合
权利要求
1.一种联接结合面微动位移的测量装置，其特征在于:它包括激光器(I)，所述激光器(I)通过光纤连接有若干分支器(2 )，每个分支器(2 )都通过光纤与环形器(3 )连接，所述环形器(3)通过光纤分别连接有激光探测器(6)和测量头(4)，其中测量头(4)置于测量孔内联接结合面(7) —侧的零件上，在测量孔内联接结合面(7)的另一侧的零件上设有反光头(5)，所述测量头(4)与反光头(5)相互配对。
2.如权利要求1所述的联接结合面微动位移的测量装置，其特征在于:所述测量头(4)包括可固定于检测孔内的测量头壳体(4-1)，在测量头壳体(4-1)中设有金属光纤插针(4-2 )和自聚焦透镜(4-3 )，所述自聚焦透镜(4-3 )位于测量头(4 )的前端端部处，所述金属光纤插针(4-2)中心穿有引出尾纤(4-4)。
3.如权利要求1或2所述的联接结合面微动位移的测量装置，其特征在于:所述反光头(5)被微调螺钉(8)限于测量孔内，所述微调螺钉(8)连接于测量孔的内壁上，所述反光头(5)采用不锈钢材料制成，其中反光头(5)的反光面(9)粗糙度小于0.4微米。
4.一种权利要求3所述的联接结合面微动位移的测量装置的测量方法，其特征在于:它包括以下步骤: 步骤1、激光器(I)发出激光，经过光纤连接的分支器(2)等分为若干路入射激光； 步骤2、各路入射激光分别经光纤传至各个环形器(3)； 步骤3、各路入射激光从环形器(3)经光纤传递至测量头(4)，测量头(4)通过螺纹固定于测量孔内联接结合面(7)—侧的零件上，其中一部分入射激光被测量头(4)的自聚焦透镜(4-3)反射形成第一路反射激光，并经光纤返回环形器(3)； 步骤4、另外部分的入射激光射出光纤，经自聚焦透镜(4-3)照射于反射头(5)的反光面(9)上被反射，其中反射头(5)被微调螺钉(8)固定于测量孔内联接结合面(7)另一侧的零件上，反射后的激光再次经自聚焦透镜(4-3 )进入光纤形成第二路反射激光，并经光纤返回环形器(3); 步骤5、第一路反射激光和第二路反射激光分别传至环形器(3)，并通过光纤传入激光探测器(6)，激光探测器(6)将激光干涉信号转换为电信号，并经滤波处理后输出。
全文摘要
本发明公开了一种联接结合面微动位移的测量装置及其检测方法，属于联接唯一检测技术领域。本发明的联接结合面微动位移的测量装置，包括激光器，所述激光器通过光纤连接有若干分支器，每个分支器都通过光纤与环形器连接，所述环形器通过光纤分别连接有激光探测器和测量头，其中测量头置于测量孔内联接结合面一侧的零件上，在测量孔内联接结合面的另一侧的零件上设有反光头，所述测量头与反光头相互配对。本发明的联接结合面微动位移的测量装置及其测量方法，直接探测结合面的相对位移，避免了用其他间接物理量进行状态监测所带来的干扰因素，测量精度高，对环境的适应能力强，能在高压、高温、腐蚀等恶劣环境中工作。
文档编号G01B11/02GK103115572SQ201310024260
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者赵登峰, 曾国英, 宋丹路, 熊平, 黄娟 申请人:西南科技大学