CN104596436A - 磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置，包括分离式磁吸固定块、光纤夹紧台和预紧力调节装置；分离式磁吸固定块由两块可调式磁吸块组成；可调式磁吸块分为固定端磁吸块和活动端磁吸块，底部均留有光纤穿通孔，固定端磁吸块的光纤穿通孔略小于光纤直径，使得光纤被压紧固定；活动端磁吸块的光纤穿通孔略大于光纤直径，使得光纤能够在活动端磁吸块的穿通孔中自由活动；光纤夹紧台用于夹紧活动端磁吸块伸出的光纤尾纤；预紧力调节装置用于驱动光纤夹紧台沿光纤轴向运动。通过采用本装置和方法，整个光纤光栅传感器安装操作过程由单人独立完成，光纤光栅粘接剂固化过程中，无需人工对光纤光栅持续施加预紧力，降低了操作人员的劳动强度。

Description

磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置及方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置及方法。

背景技术

光纤Bragg光栅作为一种新型的光学传感器件，具有普通光纤传感器灵敏度高、体积小、质量轻、易弯曲、抗腐蚀性好、抗电磁干扰能力强和易于复用等优点，且由于其采用波长调制，传感信号不会因光强损耗而失真，是近年来在光纤传感领域发展得最为迅速的一种传感器件。光纤Bragg光栅中心波长能够直接受应变的调制，并有着良好的线性响应，是十分理想的应变测量元件。如今，基于光纤Bragg光栅的应变测量技术已被广泛应用到各种实际工程领域中。

目前，国内外利用光纤光栅进行物体表面应变测量的技术方法主要有两种：一种将光纤光栅粘贴在刻有小槽的基片上，通过基片将结构的应变传递到光栅上，如美国MOI公司推出了一种采用树脂薄片封装的光纤光栅应变传感器（来源“http：//www.micronopics.com.cn/sensors.htm”）,于秀娟等人开发了一种基于钛合金基片封装的光纤光栅应变传感器（参考文献“钛合金片封装光纤光栅传感器的应变和温度传感特性研究”，来源于期刊《光电子.激光》，2006年，17卷第5期）；另一种则是直接将未经封装的裸光纤光栅用粘接剂粘贴在被测物体表面，这种粘贴方式在科研试验中应用较多，如王为等人将裸光纤光栅直接粘贴在等强度悬臂梁上开展了表面式光纤光栅应变传感器应变传递规律研究（参考文献“表面式光纤光栅传感器应变传递研究”，来源期刊《激光与红外》，2008年，38卷第12期）。然而，无论是将光纤光栅粘贴在基片上或是将其直接粘贴在被测物体表面，目前的粘贴工艺都是手工拉紧光纤光栅，使其贴近待测表面，然后涂粘接剂，直到粘接剂完全固化，整个过程中需要一直手工拉紧光纤光栅，操作难度大，往往需要两个人配合完成，且无法对光纤光栅粘贴时预紧力进行控制，严重影响光纤光栅传感器测量应变时的准确性、重复性以及一致性。目前在接触式应变测量技术领域，应变片电测法中的应变片粘贴已具有一套成熟的粘贴工具与操作规范，而光纤光栅的粘贴还没有一套较好的工具和规范的粘贴方法，因此迫切需要设计一种用于表面应变测量的光纤光栅粘贴工具。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置及方法，整个操作过程可单人独立完成，提高工作效率。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置，其特征在于：它包括分离式磁吸固定块、光纤夹紧台和预紧力调节装置；其中

分离式磁吸固定块由两块可调式磁吸块组成，通过调节磁通将刻有光栅的光纤压在被测物体表面；所述的两个可调式磁吸块分为固定端磁吸块和活动端磁吸块，二者底部均留有光纤穿通孔；固定端磁吸块的光纤穿通孔略小于光纤直径，使得光纤被压紧固定；活动端磁吸块的光纤穿通孔略大于光纤直径，使得光纤能够在活动端的穿通孔中自由活动；

所述的光纤夹紧台用于夹紧活动端磁吸块伸出的光纤尾纤；

所述的预紧力调节装置用于驱动光纤夹紧台沿光纤轴向运动。

按上述装置，所述的光纤夹紧台包括支撑架，支撑架上设有由所述的预紧力调节装置驱动的夹紧台，夹紧台包括2个通过销轴连接的夹紧板，其中一个夹紧板上设有磁铁，另一个夹紧板上设有铁片，通过磁铁和铁片的吸力夹紧尾纤。

按上述装置，所述的预紧力调节装置包括旋转头、棘轮和丝杆，丝杆与所述的光纤夹紧台连接；旋转头的旋转运动通过棘轮传递给丝杆做直线运动，该直线运动即沿光纤轴向运动。

按上述装置，所述的棘轮和丝杆之间设有弹簧，通过调整弹簧力张力控制棘轮能够传递的最大力矩，从而实现预紧力的调节。

一种利用上述磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置实现固定的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、将刻有光栅的光纤平铺在被测物体表面，光栅对准待测点，将固定端磁吸块的光纤穿通孔对准光纤的一端，放置在被测物体表面，调节磁路为连通状态，使得固定端磁吸块吸合，从而固定该固定端磁吸块的光纤穿通孔中的光纤；

S2、将光纤的另一端拉紧，光栅对准待测点，将活动端磁吸块的光纤穿通孔对准光纤，放置在被测物体表面，调节磁路为连通状态，使得活动端磁吸块的光纤穿通孔中的光纤横向位置被固定，但可沿轴向自由滑动；

S3、打开光纤夹紧台，将由活动端磁吸块伸出的光纤的尾纤夹紧；

S4、调节预紧力调节装置，使光纤夹紧台沿着光纤轴向移动，施加预紧力；

S5、当达到预设的预紧力，停止旋转预紧力调节装置，并通过锁紧机构固定；

S6、在光纤光栅处涂粘接剂，直至粘接剂完全固化。

按上述方法，所述的S3中，光纤夹紧台包括支撑架，支撑架上设有由所述的预紧力调节装置驱动的夹紧台，夹紧台包括2个通过销轴连接的夹紧板，其中一个夹紧板上设有磁铁，另一个夹紧板上设有铁片，将尾纤设置在两个夹紧板之间，通过磁铁和铁片的吸力夹紧尾纤。

按上述方法，所述的S4中，预紧力调节装置包括旋转头、棘轮和丝杆，丝杆与所述的光纤夹紧台连接；旋转头的旋转运动通过棘轮传递给丝杆做直线运动，该直线运动即沿光纤轴向运动。

按上述方法，所述的S5中，棘轮和丝杆之间设有弹簧，预紧力的大小由弹簧的刚度和压缩量确定，弹簧的压缩量由端部螺钉调节；当旋装头中的棘轮打滑，则已达到预设的预紧力。

本发明的有益效果为：

1、通过采用本发明装置和方法，整个光纤光栅传感器安装操作过程可单人独立完成，且光纤光栅粘接剂固化过程中，无需人工对光纤光栅持续施加预紧力，降低了操作人员的劳动强度，同时可进行下一光栅的粘贴，提高了工作效率。

2、使用该粘贴工具可以通过棘轮机构中的弹簧刚度和压缩量设置一恒定预紧力，在利用光纤光栅针对同一测试件进行多次表面应变测量，或是针对不同的测试物体进行表面应变测量时，保持光纤光栅粘贴预紧力相同，提高了基于光纤光栅的物体表面应变测量的准确性、重复性以及一致性。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为光纤夹紧台的夹紧台右剖视图。

图4为预紧力调节装置示意图。

图5为预紧力调节装置的局部内部结构示意图。

图中：1-预紧力调节装置，2-光纤，3-第一支撑架，4-轴承，5-光纤夹紧台，6-轴承, 7-第二支撑架，8-被测物体，9-活动端磁吸块，10-光栅，11-固定端磁吸块，12-丝杠，13-第一导杆，14-第二导杆，15-锁紧机构，16-上夹紧板，17-紧固螺钉, 18-磁铁，19-销轴，20-下夹紧板，21-旋转头，22-调整螺钉，23-棘轮，24-弹簧，25-旋杆，26-铁片。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

图1为本发明一实施例的结构示意图，图2为图1的俯视图，它包括分离式磁吸固定块、光纤夹紧台5和预紧力调节装置1；其中分离式磁吸固定块由两块可调式磁吸块组成，通过调节磁通将刻有光栅10的光纤2压在被测物体8表面；所述的两个可调式磁吸块分为固定端磁吸块11和活动端磁吸块9，二者底部均留有光纤穿通孔，固定端磁吸块的光纤穿通孔略小于光纤直径（固定端磁吸块11的光纤穿通孔孔径大小使得光纤2被利用摩擦力压紧固定），使得光纤被压紧固定；活动端磁吸块9的光纤穿通孔略大于光纤直径（光纤2在活动端磁吸块9的光纤穿通孔中自由活动，在施加预紧力时起导向作用），使得光纤能够在活动端的穿通孔中自由活动；光纤夹紧台5用于夹紧活动端磁吸块9伸出的光纤2的尾纤；预紧力调节装置1用于驱动光纤夹紧台5沿光纤2轴向运动。

光纤夹紧台5包括支撑架（本实施例中包括第一支撑架3和第二支撑架7），支撑架上设有由所述的预紧力调节装置驱动的夹紧台，夹紧台如图3所示，包括2个通过销轴19连接的夹紧板，本实施例为上夹紧板16和下夹紧板20，其中下夹紧板20上设有磁铁18，上夹紧板16上设有铁片26，铁片26通过紧固螺钉17固定在上夹紧板16上，通过磁铁18和铁片26的吸力夹紧尾纤。另外在下夹紧板20底部开有螺纹通孔和光滑通孔。

预紧力调节装置1如图4和图5所示，包括旋转头21、棘轮23和丝杆12，丝杆12与所述的光纤夹紧台5连接；旋转头21的旋转运动通过棘轮23传递给丝杆12做直线运动，该直线运动即沿光纤轴向运动。棘轮23和丝杆12之间设有弹簧24，预紧力的大小由弹簧24的刚度和压缩量确定，弹簧24的压缩量由调整螺钉22进行调节。光纤达到预设的预紧力后，所述的丝杠12由锁紧机构15进行固定。

一种利用上述磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置实现的固定方法，包括以下步骤：

S1、将刻有光栅10的光纤2平铺在被测物体8表面，光栅10对准待测点，将固定端11底部的光纤穿通孔对准光栅10一端的光纤，放置在被测物体8表面，调节磁路为连通状态，使得固定端磁吸块吸合，从而固定该固定端磁吸块的光纤穿通孔中的光纤；

S2、将光栅10另一端的光纤稍微拉紧，光栅10对准待测点，将活动端磁吸块9底部的光纤穿通孔对准光纤，放置在被测物体8表面，调节磁路为连通状态，这样该处光纤的横向位置被固定，但可沿轴向自由滑动；

S3、打开光纤夹紧台5的上夹紧板16，将由活动端磁吸块9伸出的光纤2放置在下夹紧板20的凹槽中，闭合上夹紧板16，压紧光纤2；

S4、调节预紧力调节装置1的旋转头21，使光纤夹紧台5沿着第一、第二导杆13、14移动，施加预紧力；此处设置第一、第二导杆13、14的目的为确定光纤的轴向方向；

S5、当棘轮（也可采用摩擦片替代）23打滑，则说明已达到预设的预紧力，停止调节旋转头5并扳动锁紧机构15固定旋杆25；

S6、在光栅10处涂粘接剂，直至粘接剂完全固化。

由于采用分离式可调节磁吸块将光栅10的两端紧压在被测物体8的表面，使得光栅10能够紧贴被测物体8表面，减小或消除了光栅10与被测物体8表面之间的胶层的应变传递损失，同时施加预紧力后再进行光栅10的粘接固化，保持了光纤光栅的张紧状态，两者均大大提高了表面应变测量时的应变传递效率。另外整个操作过程可单人独立完成，且光纤光栅粘接剂固化过程中，无需人工对光纤光栅持续施加预紧力，降低了操作人员的劳动强度，同时可进行下一光栅的粘贴，提高了工作效率。

由于分离式可调节磁吸块的底部光纤穿通孔的尺寸是固定的，所以每次光纤光栅粘贴时，与被测物体表面之间的距离是一定的；另外，旋转头21通过一对棘轮（或摩擦片）23将旋转运动传递给带有丝杠12的旋杆25，带动光纤夹紧台5沿着第一、第二导杆13、14移动，施加预紧力，随着旋转头21的旋转，预紧力不断增大，当预紧力达到某一值时，旋转头21内的弹簧24施加在一对棘轮（或摩擦片）23上的压力不足以使其保持啮合（或静摩擦），从而棘轮（或摩擦片）23开始打滑，预紧力保持一恒定值。恒定预紧力的大小可以通过改变弹簧24的刚度或者通过调节调整螺钉22来改变弹簧24的压缩量来进行设置。一旦弹簧24的刚度和压缩量确定，最后施加在光纤光栅的预紧力就为一定值。综上，使用该工具，在利用光纤光栅针对同一测试件进行多次表面应变测量，或是针对不同的测试物体进行表面应变测量时，保持光纤光栅与被测物体表面的距离一定和光纤光栅粘贴预紧力一定，提高了基于光纤光栅的物体表面应变测量的准确性、重复性以及一致性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置，其特征在于：它包括分离式磁吸固定块、光纤夹紧台和预紧力调节装置；其中

分离式磁吸固定块由两块可调式磁吸块组成，通过调节磁通将刻有光栅的光纤压在被测物体表面；所述的两个可调式磁吸块分为固定端磁吸块和活动端磁吸块，二者底部均留有光纤穿通孔；固定端磁吸块的光纤穿通孔略小于光纤直径，使得光纤被压紧固定；活动端磁吸块的光纤穿通孔略大于光纤直径，使得光纤能够在活动端的穿通孔中自由活动；

所述的光纤夹紧台用于夹紧活动端磁吸块伸出的光纤尾纤；

所述的预紧力调节装置用于驱动光纤夹紧台沿光纤轴向运动。

2.根据权利要求1所述的磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置，其特征在于：所述的光纤夹紧台包括支撑架，支撑架上设有由所述的预紧力调节装置驱动的夹紧台，夹紧台包括2个通过销轴连接的夹紧板，其中一个夹紧板上设有磁铁，另一个夹紧板上设有铁片，通过磁铁和铁片的吸力夹紧尾纤。

3.根据权利要求1或2所述的磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置，其特征在于：所述的预紧力调节装置包括旋转头、棘轮和丝杆，丝杆与所述的光纤夹紧台连接；旋转头的旋转运动通过棘轮传递给丝杆做直线运动，该直线运动即沿光纤轴向运动。

4.根据权利要求3所述的磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置，其特征在于：所述的棘轮和丝杆之间设有弹簧。

5.一种权利要求1所述的磁吸式光纤光栅应变传感器粘贴固定装置实现的固定方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、将刻有光栅的光纤平铺在被测物体表面，光栅对准待测点，将固定端磁吸块的光纤穿通孔对准光纤的一端，放置在被测物体表面，调节磁路为连通状态，使得活动端磁吸块吸合，从而固定该固定端磁吸块的光纤穿通孔中的光纤；

S2、将光纤的另一端拉紧，光栅对准待测点，将活动端磁吸块的光纤穿通孔对准光纤，放置在被测物体表面，调节磁路为连通状态，使得活动端磁吸块的光纤穿通孔中的光纤横向位置被固定，但可沿轴向自由滑动；

S3、打开光纤夹紧台，将由活动端磁吸块伸出的光纤的尾纤夹紧；

S4、调节预紧力调节装置，使光纤夹紧台沿着光纤轴向移动，施加预紧力；

S5、当达到预设的预紧力，停止旋转预紧力调节装置，并通过锁紧机构固定；

S6、在光纤光栅处涂粘接剂，直至粘接剂完全固化。

6.根据权利要求5所述的固定方法，其特征在于：所述的S3中，光纤夹紧台包括支撑架，支撑架上设有由所述的预紧力调节装置驱动的夹紧台，夹紧台包括2个通过销轴连接的夹紧板，其中一个夹紧板上设有磁铁，另一个夹紧板上设有铁片，将尾纤设置在两个夹紧板之间，通过磁铁和铁片的吸力夹紧尾纤。

7.根据权利要求5所述的固定方法，其特征在于：所述的S4中，预紧力调节装置包括旋转头、棘轮和丝杆，丝杆与所述的光纤夹紧台连接；旋转头的旋转运动通过棘轮传递给丝杆做直线运动，该直线运动即沿光纤轴向运动。

8.根据权利要求7所述的固定方法，其特征在于：所述的S5中，棘轮和丝杆之间设有弹簧，预紧力的大小由弹簧的刚度和压缩量确定，弹簧的压缩量由螺钉调节；当旋装头中的棘轮打滑，则已达到预设的预紧力。