一种光纤式测力传感系统及测力方法与流程

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种光纤式测力传感系统及测力方法。

背景技术：

蒸汽发生器的传热管在二次侧的两相流作用下容易发生振动，管束的振动会引起一系列传热管的力学问题。其中最为明显的是在管束和支撑之间有间隙的地方发生微振磨蚀。磨蚀的发生会减薄管成为安全隐患，此种现象对核工业的蒸汽发生器显得更为关注，因为核工业的蒸汽发生器传热管束还具有一回路水的边界作用，管束一旦出现破损，带有放射性的一回路水会泄露进二回路，引起极其严重的泄露事故。因此认识和研究传热管与支撑之间的磨蚀问题显得尤为重要。而要认识和评估传热管和支撑之间的磨蚀问题，需要测量传热管和支撑之间的撞击力。

一般而言蒸汽发生器的传热管和管座之间的间隙很小，只有零点几毫米，管座支撑的厚度也比较小只有几毫米厚，这么小的空间对传感器的安装具有限制。在小空间且不影响液体的流动，要求传感器大小和支座的大小相当，现有的电学原理的力传感器均不满足这一体积要求。要防水，传感器的弹性元件不能做的很小，因此对于安装空间有限的结构来说不容易实施，因此需要研究具有满足安装空间、防水、防电磁干扰的测力传感器。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光纤式测力传感系统及测力方法，解决目前的测力传感器无法适于狭小空间安装，且容易破坏测量对象原有的撞击强度，导致测量精度不高的问题。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案实现：

一种光纤式测力传感系统，包括弹性元件、测力传感器以及光学解调装置，测力传感器固定在弹性元件上，测力传感器与光学解调装置实现信号连接。

在本方案中，摒弃了传统的压力传感器，比如管状变形体应变力式力传感器、石英压力力传感器等，传统的压力传感器均存在体积较大的问题，无法应用于狭小的空间，比如蒸汽发生器的传热管与支撑管座之间的间隙，该间隙只有零点几毫米，支撑管座的厚度也只有几毫米，如此狭小的空间对于传感器的安装来说相当受限。基于此，本发明设计了一种全新的光纤式测力传感系统，具体有弹性元件、测力传感器以及光学解调装置，弹性元件的材质与撞击部位的材质相同，具体到传热管与支撑管座的撞击中，弹性元件的材质与支撑管座的材质相同，测力传感器测量的是传热管与支撑管座之间的撞击力大小，测力传感器将弹性元件产生的应变转换为光信号并输入光学解调装置，光学解调装置得到与撞击力对应的数据信号，通过该数据信号，得到撞击力的数值大小。本发明通过设置弹性元件，很好地实现了狭小空间的撞击力测量，不用改变待测位置原有的结构，安装位置灵活。

进一步地，作为优选技术方案，所述弹性元件的横截面形状为矩形，纵截面形状为梯形。本方案中，采用这种结构的弹性元件，在受到很小的撞击力时就能产生一个弯曲变形，因此，可用于较小的撞击力的测量；再者，当力作用在弹性元件的不同位置时，会导致得到不同的响应，基于此，本方案将弹性元件的形状设计为横截面形状为矩形，纵截面形状为梯形，使得同一作用力在不同位置得到的响应是一致的，从而消除力的作用位置不同而对响应造成的影响，提高测量精度。

进一步地，作为优选技术方案，所述弹性元件的横截面形状为梯形，纵截面形状为矩形。本方案中，采用这种结构的弹性元件，可用于撞击力较大的情况，同时，弹性元件为该种结构时，弹性元件是中心受力，没有作用点的问题，能够很好地模拟出撞击位置的受力情况。

进一步地，作为优选技术方案，所述测力传感器粘接在弹性元件上。粘接能够很好地实现测力传感器的固定，在保证固定可靠的基础上，简化了固定形式，可采用强力胶将测力传感器粘接在弹性元件上。

进一步地，作为优选技术方案，所述测力传感器为光纤珐-珀传感器。光纤珐-珀传感器采用光纤珐-珀技术，对弹性元件受力产生的应变进行精确测量，并输出光信号至光学解调装置，光学解调装置对光信号进行处理并最终转换成力的表示方式，本方案采用光纤珐-珀传感器，只需测量光信号而无需测量电信号，使得本系统具有较好的密封性，同时不受电磁干扰，测量精度高。

一种采用光纤式测力传感系统的测力方法，包括以下步骤：

（a）采用标准力对光纤式测力传感系统进行标定；

（b）经标定后，将弹性元件安装于待测位置，通过光学解调装置，得到待测位置的撞击力大小。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤（a）的具体过程为：

（a11）将光纤珐-珀传感器粘接在弹性元件上，光纤珐-珀传感器通过光纤连接至光学解调装置；

（a12）采用标准力作用于弹性元件，通过光学解调装置得到弹性元件在该标准力下的数据信号，将标准力与光学解调装置得到的数据信号建立对应关系。

进一步地，作为优选技术方案，所述步骤（a）的具体过程为：

在设有标准定力传感器的装置上采用静力的方式对弹性元件进行加载，通过测量输入的力和输出的电压之间的关系进行标定。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过设置弹性元件，并通过测力传感器与光学解调装置，很好地实现了狭小空间的撞击力测量，不用改变待测位置原有的结构，安装位置灵活。

（2）本发明采用光纤珐-珀传感器对撞击力进行测量，只需测量光信号而无需测量电信号，使得本系统具有较好的密封性，同时不受电磁干扰，测量精度高。

附图说明

图1为传热管与支撑管座的位置关系示意图；

图2是光学解调装置的示意图。

图3为图1中A的局部放大图一；

图4为图3的正视图；

图5是图3的仰视图；

图6为图1中A的局部放大图二；

图7是图6的正视图；

图8是图6的仰视图；

图9为标准力与光纤珐-珀传感器输出之间的对应关系图。

图中附图标记对应的名称为：1、弹性元件，2、测力传感器，3、支座，4、光纤，5、支撑管座，6、传热管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，支撑管座5既对传热管6起到支撑作用，同时还要形成流体的流动通道，本发明便固定在图1中的A处，A处位置狭小，传热管6与支撑管座5之间的间隙只有不到1毫米。本实施例的光纤式测力传感系统包括弹性元件1、测力传感器2以及光学解调装置，测力传感器2固定在弹性元件1上，优选的，测力传感器2粘接在弹性元件1上，方便测力传感器2安装的同时，更好地实现对弹性元件1的应变检测，测力传感器2与光学解调装置实现信号连接，测力传感器2将弹性元件1的应变转换为光信号并输入到光学解调装置中，光学解调装置对数据信号进行处理并转换成力，并输出显示，完成撞击力检测、结果输出。光学解调装置将光学信号转换为电信号并可用常规的数据采集系统进行记录分析，如图2所示，包括柱面镜、光楔和CCD，光信号依此经柱面镜、光楔后被CCD元件吸收转化。

如图3至图5所示，具体地，本实施例对弹性元件1的形状做了如下设计：弹性元件1的横截面形状为矩形，纵截面形状为梯形，使用时，较大的一端固定在支撑管座5上，而为了不影响支撑管座本身的结构，同时方便弹性元件的安装，本实施例增加支座3，支座3采用与支撑管座5相同的材质，且支座3采用胶粘的方式固定于支撑管座5上。本实施例的这种弹性元件结构能够在受到很小的撞击力时就能产生一个弯曲变形，可用于较小的撞击力的测量；另外由于本实施例的弹性元件1最大的应变发生在根部，也就是靠近支撑管座5的部分，因此，将弹性元件1设置成纵截面形状为矩形的结构后，能够消除力的作用位置不同而对响应造成的影响，提高测量精度。

优选的，本实施例采用光纤珐-珀传感器作为测力传感器，光纤珐-珀传感器将弹性元件1产生的应变转换为光信号并输入到光学解调装置中，光纤珐-珀传感器由于采用的是光纤珐-珀技术对弹性元件的应变进行测量，测量精度很高。

实施例可通过下面的方法来实现撞击力的测量，具体包括以下步骤：

（a）采用标准力对光纤式测力传感系统进行标定，具体可以分为动态和静态两种，所谓动态，即是采用标准力对弹性元件进行敲击，弹性元件产生应变，光纤珐-珀传感器将弹性元件的应变转换为光信号，光学解调装置对该光信号进行处理，得到跟标准力对应的数据信号；改变标准力的大小，得到不同的数据信号，从而建立标准力与数据信号之间一一对应的关系，完成标定。从图4可以看出，标准力与传感器的输出线性度很好，本实施例的弹性元件设计合理，十分适于狭小空间的撞击力测量。静态则是在设有标准定力传感器的装置上采用静力的方式对弹性元件进行加载，通过测量输入和输出之间的关系进行标定，而输入和输出可分别用激励电压大小和腔长来标定体现；

（b）经标定后，将弹性元件安装于待测位置，具体地，弹性元件安装于支座上，支座通过胶粘的方式固定于支撑管座上，弹性元件与传热管相接触，光纤珐-珀传感器固定在弹性元件与传热管的接触面的背面，即弹性元件位于光纤珐-珀传感器与传热管之间，光纤珐-珀传感器将弹性元件产生的应变转换为光信号并输入到光学解调装置中，光学解调装置一个数据信号，通过步骤（a）得到的标定关系，得出弹性元件受到的撞击力大小。

实施例2：

如图6至图8所示，本实施例与实施例1基本相同，不同的地方是，本实施例的弹性元件1采用了如下设计：弹性元件1的横截面形状为梯形，纵截面形状为矩形。该种结构的弹性元件的最大应变发生在中心位置，也就是说，该弹性元件用于测量的是传热管与弹性元件的中心相撞击的位置，具体到传热管与支撑管座的撞击中，本实施例的弹性元件与支撑管座的结构一致，用于模拟支撑管座，从而能够反映出传热管与支撑管座最真实的撞击力，有利于更好地认识和评估传热管和支撑管座之间的磨蚀问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。