CN117928366A - 一种适合微小钢构件变形测试的可拆卸和安装便利的柔性磁吸式fbg传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种适合微小钢构件变形测试的可拆卸和安装便利的柔性磁吸式FBG传感器设计方法，属于结构健康监测技术中先进工程化光纤传感器件研发领域。利用柔性硅橡胶粘液将透明硅橡胶圆柱体封装的FBG传感器浇筑在含中空层的片状硅橡胶基底层上，中空层用于放置可插取式柔性磁铁片，以提供磁力作用将柔性硅橡胶封装FBG传感器吸附在被测钢构件表面，即柔性磁吸式FBG传感器。测试完成后，通过磁力控制开关使磁力消失，硅橡胶封装的薄片状FBG传感器将自行脱离被测结构，实现传感器的便利拆除和回收再利用。
Description
技术领域
本发明属于结构健康监测和先进工程化光纤传感器件研发领域，涉及到的是一种适合微小钢构件变形测试的可拆卸和安装便利的柔性磁吸式FBG传感器。
背景技术
近年来，全球轨道交通装备市场总体呈现较强的增长态势。我国居于全球轨道交通装备领域第一方阵，现已建立较为完备的制造体系，整体发展态势较好。
可能由于高度阀国产化后性能存在细微变化，导致高度阀容易磨损卡滞。亦或是安装问题较多以及高度阀连杆球头质量问题导致高度阀存在非工作方向异常外力，导致其偏磨，进而造成异常磨损。这种故障可能会对轨道交通安全造成严重的危害。首先，高度阀卡滞故障会导致机车无法正常制动或释放制动，这会影响到轨道交通的安全运营。在高速列车等需要高精度制动的场合，如果高度阀无法正常工作，可能会导致机车制动失灵或制动不足，从而引发交通事故，对乘客和行人的生命财产造成严重威胁。其次，高度阀卡滞故障还可能导致机车的能效下降和维护成本增加。如果高度阀无法正常工作，会导致机车的制动能力下降，从而增加机车的能耗和运营成本。此外，如果高度阀出现故障，需要对机车进行维修或更换，这会增加机车的维护成本和停机时间，影响轨道交通的正常运营。在该背景下，对轨道交通机车高度阀进行实时结构健康监测非常必要。
由于轨道交通机车高度阀中的结构都是细小的机械钢构件，对监测传感器的要求非常高。传统的传感器由于质量、尺寸较大，且容易受到电磁干扰，不仅会对钢构件产生附加质量，影响高度阀的正常运行状态，还会在实际监测中被环境噪声影响，无法保证监测质量。另外，由于城市轨道交通机车运营时间长，检修天窗时间非常有限，往往一天只有4小时左右的检修窗口期，使得传感器的安装、调试和拆卸时间非常紧迫，这无疑加大了高度阀监测的难度。因此，需要研制一套适合微小钢构件变形测试的可拆卸和安装便利的传感器。目前很多加速度传感器都配有磁性底座，可便利地安装在钢结构表面。但是，由于其尺寸和重量较大，很难吸附在细小钢构件上，即使勉强附着，也会因为产生了附加质量而影响结构正常运动状态，导致运营监测中测量数据的可靠性和准确性低。为此，考虑光纤布拉格光栅(FBG)传感器的体积小、质量轻、防火防爆、耐腐蚀、绝对测试、灵敏度高、不受电磁干扰等优势，将其作为高度阀等细微机械钢构件结构监测的首先传感器。当前，FBG传感器在细微机械钢构件(如高度阀连接机构)监测中主要面临的问题为安装困难。例如，高度阀位于轨道交通机车的底部，安装空间狭窄、安装环境较恶劣、作业时间有限，采用常规的胶水粘贴方式会需要较长的安装周期，且较难控制安装质量。
为此，本文提出了一种适合微小钢构件变形测试的可拆卸和安装便利的柔性磁吸式FBG传感器，其核心是将采用柔性硅橡胶封装FBG形成薄片状传感器，同时在内嵌FBG感知元件的片状硅橡胶层底部浇筑中空的柔性硅橡胶基底层，用于放置含有强磁力的柔性磁铁片。利用该磁铁片的吸附力将FBG传感器快速安装在微小机械钢构件表面，钢构件在运动过程中将其作用通过柔性硅橡胶层传递到FBG传感元件上，从而实现快速安装测量。拆除时，将柔性薄磁铁片取出，硅橡胶封装的薄片状FBG传感器将自行脱落，从而实现封装FBG传感元件的回收。在下次测量时，重复上述过程，即可以实现FBG传感器的快速安装、可拆卸、易重复利用，解决微小机械钢构件窗口期测试布设传感器时间紧迫等问题，实现传感资源的高效、低碳和科学应用。
发明内容
本发明目的是提供一种适合微小钢构件变形测试的可拆卸和安装便利的柔性磁吸式FBG传感器设计方法，旨在解决传统方法存在的问题：传感器安装需要通过胶水粘贴到钢构件上，易受温度、粉尘等环境因素影响，且作业时间长、安装质量不易控制；拆除传感器的过程费时费力，且传感器无法重复使用；安装方式复杂导致可测点位有限，安装和拆卸不便，工作效率低下。
本发明的技术方案是：
一种适合微小钢构件变形测试的可拆卸和安装便利的柔性磁吸式FBG传感器设计方法，其实现步骤是：根据被测微小钢构件的几何尺寸和测试需求，设计相应型号的柔性透明硅橡胶圆柱体封装FBG传感器和含中空层的片状硅橡胶基底层，为保证变形能较好传递到感知FBG，基底层平面尺寸应比柔性透明硅橡胶圆柱体封装层长，基底层厚度可由柔性磁铁片和应变传递理论分析综合调控选择；然后利用柔性硅橡胶粘液将透明硅橡胶圆柱体封装的FBG传感器浇筑在含中空层的片状硅橡胶基底层上，中空层用于放置可插取式柔性磁铁片，以提供磁力作用将柔性硅橡胶封装FBG传感器吸附在被测钢构件表面，即柔性磁吸式FBG传感器，其顶面呈弧线型曲面、底面为平面(如附图1)，中空层放置可插取式柔性磁铁片的强磁力由一侧中心的磁力开关控制(如附图2-3)。安装过程中，先将柔性磁铁片***硅橡胶基底层中，且保持磁力处于关闭状态，然后将柔性磁吸式FBG传感器放置在待测微小钢构件的环向或轴向(如附图4)，启动开关，利用柔性磁铁片的磁力作用将柔性硅橡胶封装的薄片状FBG传感器吸附在被测钢构件表面，从而实现传感器的快速安装。测试时，微小机械钢构件的变形和振动将通过柔性硅橡胶薄层传递到FBG感知元件中，由封装影响引入的传递误差可以通过相关标定实验或应变传递理论公式进行修正，从而确保测量的有效性和可靠性及高精度。测试完成后，可以通过磁力控制开关使磁力消失，硅橡胶封装的薄片状FBG传感器将自行脱离被测结构，从而实现传感器的便利拆除和回收再利用。柔性硅橡胶封装的薄片状FBG传感器长期不使用后，可以将柔性磁铁片从中空层取出，分别保存以便高效存储。
所述的柔性磁铁片具备可塑性和柔软性，可以通过磁力作用自适应全截面吸附在微小钢构件的轴向和环向曲面。磁铁片四周倒角呈圆弧型，以确保在变形测量过程中磁铁片对硅橡胶封装层无局部集中力作用，影响片状硅橡胶基底层的协同变形特征。磁铁片提供的磁力大小N根据以下公式进行设计，从而将封装传感器牢固地固定在被测钢构件表面，确保传感器的稳定性和可靠性：
N＝μτA (1)
其中，μ为接触界面摩擦系数；τ为片状硅橡胶基底层与钢构件表面接触的界面最大剪应力，其值可以通过应变传递理论模型的剪应力公式确定；A为片状硅橡胶基底层的横截面积。
所述的柔性透明硅橡胶圆柱体封装层和片状硅橡胶基底层均可以采用SYLGARD184Silicone Elastomer Base和SYLGARD 184Silicone Elastomer CuringAgent按10:1混合固化形成的混合液固化形成的硅胶弹性体，也可用具备等效粘结功能的柔性透明弹性胶体，如quick set epoxy RS132-605。
本发明的效果和益处是：为微小机械钢构件变形和振动测试提供了一种可拆卸和安装便利的柔性磁吸式FBG传感器及其设计方法，解决了微小钢构件轴向和环向变形测试中FBG传感器安装困难、质量难以调控、不易拆卸和资源回收利用等问题，为机械钢构件检测提供了一种灵活性高、适用范围广、可适应微小钢构件的曲面形状测试的传感器，实现FBG传感器可拆卸和重复使用功能，且不会对微小钢构件产生附加影响；利用磁铁片的磁力作用固定传感器，传感器的安装质量易控制，确保监测的准确性和长期稳定性；推进了光纤(含FBG)传感元器件在钢结构变形测试过程中布设、安装、拆卸和循环使用技术的发展。
附图说明
附图1为柔性磁吸式FBG传感器俯视图和剖面图。
附图2为柔性磁吸式FBG传感器侧视图。
附图3为柔性磁铁片结构三维图及磁力控制开关的启动和关闭状态。
附图4为柔性磁吸式FBG传感器测试***示意图
图中：1.FBG；2.柔性透明硅橡胶弹性圆柱体；3.含中空层的片状硅橡胶基底层；4.光纤引线；5.白套管；6.柔性磁铁片；7.磁力开关；8.磁力开启状态；9.磁力关闭状态；10.微小钢构件；11.测量轴向变形的磁吸式FBG传感器；12.测量环向变形的磁吸式FBG传感器；13.光纤跳线；14.FBG解调设备；15.网线；16.可视化数据分析设备
具体实施方式
以下结合技术方案(和附图)详细叙述本发明的具体实施方式。
一种适合微小钢构件变形测试的可拆卸和安装便利的柔性磁吸式FBG传感器，其结构俯视图、剖面图和侧视图分别如附图1-2，柔性磁铁片的结构如附图3，柔性磁吸式FBG传感器测试***示意如附图4。
一种适合微小钢构件变形测试的可拆卸和安装便利的柔性磁吸式FBG传感器，其设计方法和实施方式如下：
根据被测微小钢构件10的几何尺寸和测试需求，设计相应型号的柔性透明硅橡胶弹性圆柱体2封装FBG1传感元件和含中空层的片状硅橡胶基底层3，其中，FBG1两端光纤引线4在伸出柔性透明硅橡胶弹性圆柱体2的两端过渡位置套上白套管5，以保护光纤引线4不被弯折或剪断；根据公式(1)设计柔性磁铁片6的磁力大小、形状及磁力开关7，使其内嵌于片状硅橡胶基底层3的中空位置处，提供磁力作用将柔性硅橡胶封装FBG传感器吸附在被测微小钢构件10表面。安装过程中，先保持磁力开关7的磁力关闭状态9，然后在待测微小钢构件10的环向或轴向分别布置测量轴向变形的磁吸式FBG传感器11和测量环向变形的磁吸式FBG传感器12，最后将磁力开关7旋转到磁力开启状态8，即利用柔性磁铁片6的磁力作用将传感器吸附在被测微小钢构件10表面，从而实现传感器的快速安装。测试时，将传感器通过光纤跳线13连接到FBG解调设备14，并通过网线15连接到可视化数据分析设备16，即可实现测试数据读取和分析。测试完成后，通过控制磁力开关7使磁力消失，传感器将自行脱离被测结构，从而实现传感器的便利拆除和回收再利用。本发明通过柔性磁吸设计实现FBG1传感器的可拆卸、安装便利、易重复利用功能，可应用于微机械***、医疗器械、航空航天等领域的微小钢构件10变形监测。具体实施方式可以根据具体应用需求进行适当的调整和改进。
Claims (1)
1.一种适合微小钢构件变形测试的可拆卸和安装便利的柔性磁吸式FBG传感器，其特征在于：根据被测微小钢构件(10)的几何尺寸和测试需求，设计相应型号的柔性透明硅橡胶弹性圆柱体(2)封装FBG(1)传感元件和含中空层的片状硅橡胶基底层(3)；根据公式(1)设计柔性磁铁片(6)的磁力大小、形状及磁力开关(7)，使其内嵌于片状硅橡胶基底层(3)的中空位置处，提供磁力作用将柔性硅橡胶封装FBG传感器吸附在被测微小钢构件(10)表面。安装时先保持磁力开关(7)的磁力关闭状态(9)，分别布置测量轴向变形的磁吸式FBG传感器(11)和测量环向变形的磁吸式FBG传感器(12)，后将磁力开关(7)旋转到磁力开启状态(8)，即利用柔性磁铁片(6)的磁力作用将传感器吸附在被测微小钢构件(10)表面，从而实现传感器的快速安装。测试完成后，通过控制磁力开关(7)使磁力消失，传感器将自行脱离被测结构，从而实现传感器的便利拆除和回收再利用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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