應力監測裝置制造方法
【專利摘要】一種應力監測裝置，包括光纖光柵、光纖和應變體，在應變體的側壁上固定安裝有覆蓋側壁的保護殼體，保護殼體上開設有出纖孔，環繞出纖孔設置有保護擋板；在保護殼體和應變體側壁之間的布設空間內，光纖的第一端固定在應變體側壁上，沿應變體軸向，在應變體側壁上按一定纏距纏繞光纖并固定，沿光纖的軸向在光纖上設置光纖光柵，光纖的第二端通過出纖孔伸出保護殼體，與寬頻入射光源相連接，光纖光柵解調儀通過光耦合器連接光纖的第二端。可以避免易受電磁干擾、溫漂大、環境適應性差的缺點。還包括一種制造方法。
【專利說明】應力監測裝置【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種測量裝置，特別是涉及一種用于栓系應力的監測裝置。
【背景技術】
[0002]目前的浮空平臺多采用系留纜繩連接地面的錨泊車，完成系留錨泊。系留纜繩中包括的電纜和光纜分別負責從地面向浮空平臺提供電力保障，提供控制信號的上下行傳輸。當浮空平臺在空中工作時，一旦系留纜繩的栓系力下降，會導致浮空平臺掙脫纜繩束縛，造成球體失控損壞、人員傷亡等嚴重事故。因此必須對其系留應力進行實時在線監測，以保障浮空平臺的安全。
[0003]現今系留纜繩和浮空平臺間采用壓電式應力傳感器進行浮空平臺的拉力監測，采用壓電式測量原理，通過對電信號的監測從而確定所受拉力的大小。常規的壓電式應力傳感器在使用過程中存在零點漂移大、溫度漂移大、抗干擾能力差等缺點，其輸出參數往往會隨時間和外界環境變化而產生波動，嚴重影響數據的采集精度和分辨率，相對誤差較大，嚴重時甚至會給出錯誤信號，導致參數檢測異常，系統無法正常工作。
[0004]目前存在一種光纖光柵測量技術,利用布拉格光柵,通過對光柵反射波長的變化實現對被測量應力應變的測量。如果將光纖光柵固定在應變體上，當外加應力通過結構體轉換成應變時，光纖光柵受應變體應力變化影響，反射波長發生漂移，利用寬頻帶入射光和相應的光纖光柵解調設備就可以采集波長變化數據，就有可能實現應力變化的相應線性測量。
[0005]光纖光柵的制 造存在內部寫入法、相位掩膜法等方法，但受受工藝影響，其結構還不能在惡劣的高空系留環境下長期使用。同時光纖光柵在低溫環境下也會出現色散效應，使測量精度下降。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提高一種應力監測裝置，解決無法利用光纖光柵進行有效的應力變化實時監測的技術問題。
[0007]本發明的另一個目的是提供一種制造方法，解決浮空平臺系留纜繩的栓系應力監測裝置易受環境因素影響，無法準確測量的技術問題。
[0008]本發明的應力監測裝置，包括光纖光柵、光纖和應變體，其特征在于:在應變體的側壁上固定安裝有覆蓋側壁的保護殼體，保護殼體上開設有出纖孔，環繞出纖孔設置有保護擋板；在保護殼體和應變體側壁之間的布設空間內，光纖的第一端固定在應變體側壁上，沿應變體軸向，在應變體側壁上按一定纏距纏繞光纖并固定，沿光纖的軸向在光纖上設置光纖光柵，光纖的第二端通過出纖孔伸出保護殼體，與寬頻入射光源相連接，光纖光柵解調儀通過光耦合器連接光纖的第二端。
[0009]所述光纖光柵包括第一測量光纖光柵和第二測量光纖光柵，分別位于應變體軸線兩側對稱的位置。[0010]所述光纖光柵還包括溫度補償光柵，溫度補償光柵，第一測量光纖光柵，第二測量光纖光柵形成串聯形式。
[0011]所述保護殼體上沿軸向開設有一個矩形通孔，保護擋板采用彈性材料緊密嵌入矩形通孔，在保護擋板上開設出纖孔。
[0012]所述應變體采用軸線上開設有通孔的圓柱體，其外形尺寸為(<j560mm±lmm) X(120mm土 lmm)、重量不大于2kg,通孔尺寸為Φ 20_土 1_。
[0013]本發明的應力監測裝置，解決常規電傳感器易受電磁干擾、溫漂大、環境適應性差的缺點。基于光纖傳感技術，可以實現大量程應力測量，其最大應力可達200kN，滿足大型浮空平臺的載荷應力監測要求，同時具有抗電磁干擾、溫度和零點漂移小、環境適應性強的特點，通過采用光纖進行應力傳感，其抗電磁干擾能力大大增強，可以滿足GJB151A-97的要求，不受電磁干擾的影響，同時其環境適應性也大大增強，在平臺機載振動、沖擊、氣壓等綜合環境下均能準確的進行參數的監測。
[0014]創新無源化結構形式，使產品具有抗電干擾性能，能夠在強電磁干擾環境下進行數據的獲取，完全解決了現有電傳感器的易受電磁干擾的難題。
[0015]采用無膠化封裝，創新的使用光纖光柵金屬化工藝結合釬焊嵌入結構體的方式，解決了有膠粘貼工藝帶來的易斷裂、脫落等問題。
[0016]采用特殊封裝工藝，創新的使用預拉工藝解決低溫環境下光纖光柵傳感器易產生啁啾的現象。
[0017]采用高精度應力測量技術，創新的使用串聯溫補光柵和雙光柵均值法，解決了傳感器的溫度對應力測量的影響，減小了偏心載荷對測量精度的影響。
[0018]本發明利用光纖光柵對系留纜繩及組件所受的應力進行測量，當平臺在高空隨氣流波動而造成系留纜繩及組件所受應力的變化，通過對其應力的變化可以獲得平臺工作的安全系數，當應力超出系留纜繩及組件的承受能力會及時報警，從而確保浮空平臺的安全可靠。
[0019]本發明解決了原有的壓電式傳感器抗干擾能力差、環境適應性差、溫漂大需多次校準等缺點，具有量程大、精度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、耐候性、傳輸距離遠、溫漂小的特點，進一步提高了浮空平臺電磁干擾環境下的工作能力，擴展了浮空平臺的環境適應條件，延長浮空平臺的滯空工作時間，為全天候預警監視提供良好的技術支撐，具有重要的多領域應用意義。
[0020]下面結合附圖對本發明的實施例作進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明應力監測裝置的結構示意圖；
[0022]圖2為本發明應力監測裝置中光纖光柵無膠封裝工藝的流程示意圖；
[0023]圖3為本發明應力監測裝置中光纖光柵的布設方式示意圖。
【具體實施方式】
[0024]如圖1所示，本實施例中包括光纖光柵、光纖01和應變體(承壓體)04，在應變體04的側壁上固定安裝有覆蓋側壁的保護殼體05，保護殼體05上開設有出纖孔06，環繞出纖孔設置有保護擋板；在保護殼體05和應變體04側壁之間的布設空間內，光纖01的第一端固定在應變體側壁上，沿應變體04軸向，在應變體04側壁上按一定纏距纏繞光纖01并固定，沿光纖01的軸向在光纖上設置光纖光柵，光纖01的第二端通過出纖孔06伸出保護殼體05，與寬頻入射光源02相連接，光纖光柵解調儀03通過光耦合器07連接光纖01的第二端。
[0025]為了適應現有系留結構空間與系留纜繩配合，應變體04采用軸線上開設有通孔的圓柱體，其外形尺寸為(Φ60ι?πι±1πιπι) X (120mm± lmm)、組件重量不大于2kg,通孔尺寸為 Φ20_±1_。
[0026]為了確保振動、沖擊等機械性能作用時不會產生開裂等現象，進一步增強產品的可靠性、耐機械性能，可以在保護殼體05上沿軸向開設有一個矩形通孔，保護擋板采用彈性材料緊密嵌入矩形通孔，在保護擋板上開設出纖孔06。
[0027]光纖光柵解調儀03 (光纖光柵解調器)位于地面錨泊車內，用于實現光纖光柵信號的解調處理，并將測量的應力信號提供上位系統，用于實時顯示及預警。與光纖連接的傳輸光纜采用非金屬材料加強保護，選用普通軟光纜即可，用于實現作為傳感器的光纖光柵與空中平臺上的光分支器連接。本實施例解決了傳統結構帶來的電磁干擾性能差的問題，項利用光纖的絕緣抗干擾特性，實現了應力監測裝置無源結構。
[0028]使用膠水封裝在光纖上的光纖光柵，由于封裝形式受高空環境溫度變化影響較大，造成較長使用時間后封裝膠水穩定性下降，會造成應力監測裝置可靠性降低，使用壽命縮短。
[0029]如圖2所示，本實施例中光纖光柵的封裝采用了如下步驟:
[0030]首先，利用準分子激光器通過相位掩模板在光纖上刻制短距的光纖布拉格光柵，刻制的光柵波長為1525nm?1565nm,帶寬< 0.2nm,光柵柵區長度< 5mm,刻制好的光柵經過高壓載氫、高溫退火工藝，提高光柵的穩定性；
[0031]其次，對光纖光柵進行表面金屬化，利用化學鍍結合電鍍的方法在光纖光柵表面鍍銅，步驟包括:去保護層，除油，粗化，活化，化學鍍鎳，電鍍銅；
[0032]然后，利用釬焊方式將光纖上金屬化的光纖光柵與應變體04焊接成一體。具體步驟包括:
[0033]選用Sn-4Ag_3Zn 釬料；
[0034]加熱使釬料均勻涂敷到應變體04側壁和金屬化的光纖光柵上；
[0035]釬料熔化凝固即可。
[0036]為了進一步消除低溫變化時入射光波長的啁啾現象，對光纖光柵施加預拉伸。具體步驟包括:
[0037]將光纖光柵置于應變體04側壁貼覆預拉；
[0038]固定后再進行加熱，釬料熔化凝固即可。
[0039]施加預拉之后的光纖光柵，其收縮會使光纖光柵向短波長方向移動，只要保證預拉的波長范圍能夠滿足光纖光柵受收縮效應影響的范圍，則入射光波不會出現啁啾現象。這樣就避免了光波色散造成的反射中心波長精度下降。
[0040]如圖3所示，本實施例中，為了實現高精度應變測量，在纏繞應變體04的光纖01上，設置第一測量光纖光柵08和第二測量光纖光柵09，分別位于應變體04軸線兩側對稱的位置，進一步消除偏心受力過程中，應力造成的受力不均勻現象，實現測量的精度要求，形成雙光柵均值法減小偏心載荷計算誤差。
[0041]在制作過程中，將兩根光纖光柵串聯起來的方法，是在應變體04側壁上敷設好第一測量光纖光柵08之后，通過纏繞光纖01，將第二測量光纖光柵09敷設在應變體04中心軸線另一側的應變體04側壁上，通過對對稱側壁表面所受應力的變化，可以避免測量計算時偏心受力誤差的出現，在實際測試過程中也發現偏心現象確實存在，如果不通過雙光柵測量的話，將會極大的影響系統的精度。
[0042]同時還在纏繞應變體04的光纖01上，設置溫度補償光柵10。
[0043]傳統的溫度減敏方式采用熱膨脹系數小且對溫度不敏感的材料對光柵進行封裝，在很大程度上可以改善溫度對應力測量精確性的影響。但這種封裝將會對應力的測量選材造成一定的局限性，且并不能從根本上去除溫度的影響，只是降低溫度的影響因子，勢必還會對應力的測量數據造成一定的干擾。基于此，我們擬采用附加溫度補償光柵進行溫度測量，作為應力測量過程中溫度影響的消除方式。實現應力測量過程中的溫度補償。
[0044]溫度補償光柵10,第一測量光纖光柵08,第二測量光纖光柵09形成串聯形式。
[0045]本實施例本發明通過設計合理的無源化承壓體結構，使之滿足在電磁干擾情況下的應力測量，實時的感知承壓體所承受的應力。通過在承壓體內部的對稱面上分別封裝光纖光柵，能夠實現對應力偏心載荷的剔除，確保傳感器測量的精度。在工藝上，通過對光纖光柵封裝進行預拉，避免光纖光柵在環境波動情況下產生啁啾現象，使產品能夠滿足指標要求的環境適應性能，達到較高的可靠性要求。
[0046]以上所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明權利要求書確定的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種應力監測裝置，包括光纖光柵、光纖(Ol)和應變體(04)，其特征在于:在應變體(04)的側壁上固定安裝有覆蓋側壁的保護殼體(05)，保護殼體(05)上開設有出纖孔(06)，環繞出纖孔設置有保護擋板；在保護殼體(05)和應變體(04)側壁之間的布設空間內，光纖(01)的第一端固定在應變體側壁上，沿應變體(04)軸向，在應變體(04)側壁上按一定纏距纏繞光纖(01)并固定,沿光纖(01)的軸向在光纖上設置光纖光柵,光纖(01)的第二端通過出纖孔(06)伸出保護殼體(05)，與寬頻入射光源(02)相連接，光纖光柵解調儀(03)通過光耦合器(07 )連接光纖(OI)的第二端。
2.根據權利要求1所述的應力監測裝置，其特征在于:所述光纖光柵包括第一測量光纖光柵(08)和第二測量光纖光柵(09),分別位于應變體(04)軸線兩側對稱的位置。
3.根據權利要求2所述的應力監測裝置，其特征在于:所述光纖光柵還包括溫度補償光柵(10),溫度補償光柵(10),第一測量光纖光柵(08),第二測量光纖光柵(09)形成串聯形式。
4.根據權利要求3所述的應力監測裝置，其特征在于:所述保護殼體(05)上沿軸向開設有一個矩形通孔，保護擋板采用彈性材料緊密嵌入矩形通孔，在保護擋板上開設出纖孔(06)。
5.根據權利要求4所述的應力監測裝置，其特征在于:所述應變體(04)采用軸線上開設有通孔的圓柱體，其外形尺寸為(Φ 60mm± lmm) X (120mm± 1mm)、重量不大于2kg,通孔尺寸為
【文檔編號】G01L1/24GK203772461SQ201420087557
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月27日 優先權日:2014年2月27日
【發明者】陸兆輝 申請人:中國電子科技集團公司第八研究所