CN203658011U - 一种用于风洞试验测量的光纤天平 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于风洞试验测量的光纤天平，包括天平主体、固定端、上下槽口、加载头、光纤光栅应变计，天平主体与固定端为一体结构，固定端通过螺栓安装在测量平台上；天平主体上靠近固定端处开有上槽口和下槽口，上下槽口对称设置，尺寸相同，天平主体的另一端设置有加载头，在加载头上安装悬挂组件用于加载、卸载砝码。光纤光栅应变计沿天平主体轴向分别粘贴在上槽口和下槽口部位，光纤光栅应变计固定后，一端自由放置，另一端连接在光纤解调仪上，对受载荷后上下槽口的位移量进行测量，光纤解调仪将接收到的光信号转换为波长值显示在计算机面板上。采用光纤天平大大提高了风洞试验在小量程气动力作用下的测量精度。

Description

一种用于风洞试验测量的光纤天平

技术领域

本实用新型涉及一种风洞天平，具体的说，涉及一种用于风洞试验测量的光纤天平。

背景技术

风洞天平是在风洞实验中测量力和力矩的传感器。现有公开的文献《风洞天平》中指出:当前的应变天平，均是以电阻应变计为敏感元件。使用时将阻值相近、温度系数效应相近的电阻应变计组成惠斯顿电桥粘贴在被测试件的表面，起到测量作用，其中电阻应变计将被测试件的应变量转换为电阻变化量，惠斯顿电桥将电阻变化量转换为电压信号输出。通过静态校准实验得到输出信号与校准载荷的关系，即通过加载卸载砝码，使得被测试件在载荷的作用下产生变形，其应变与载荷大小成正比。粘贴在被测试件表面的应变片也同时产生变形，使其电阻值发生变化，并由惠斯顿电桥将其转化为电压变化量，从而得到载荷与电压的关系，以便在应用中根据输出电信号求得作用在被测模型上的气动载荷。风洞天平作为直接测量风洞实验中气动载荷的装置，对航空航天飞行器研制过程中了解飞行器性能具有重大意义，需要提高测量过程中传感器的灵敏度。

风洞天平规范中规定，灵敏度用灵敏载荷大小来衡量。灵敏载荷指天平测量元件变化单位度数时所需施加的载荷值。在这里，利用每单位力产生的微应变来衡量其灵敏度的高低。在测力实验中，已有风洞天平结构是在承受应变的梁上粘贴应变片，但由于天平材料刚度大，产生应变值小，在小量程气动力测量方面输出信号小甚至淹没在干扰信号中。因而传统风洞天平在小量程气动力测量实验中存在分辨率不高，灵敏度较弱的问题。

实用新型内容

为了避免现有技术的不足之处，本实用新型提出一种用于风洞试验测量的光纤天平，该光纤天平采用在天平主体靠近固定端处开槽，槽口部位粘贴光纤光栅应变计，对受载荷后槽口的位移量进行测量；采用光纤天平大大提高了风洞试验在小量程气动力作用下的测量精度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:包括光纤光栅应变计、固定端、上槽口、下槽口、天平主体、加载头，天平主体与固定端为一体结构，固定端上有四个均布的通孔，通过螺栓安装在测量平台上；天平主体上靠近固定端部位设有上槽口和下槽口，上下槽口对称设置，尺寸相同，天平主体的另一端有加载头，悬挂组件安装在加载头上用来加载卸载砝码；光纤光栅应变计沿天平主体轴向分别粘贴在上槽口和下槽口部位，光纤光栅应变计固定后，一端自由放置，另一端与光纤解调仪连接，光纤解调仪将接收到的光信号转换为波长值显示在计算机面板上。

上槽口、下槽口和固定端的距离为10mm。

有益效果

本实用新型提出的用于风洞试验测量的光纤天平，在天平静态校准实验中，光纤天平得到为波长与载荷值关系，电阻天平得到为电信号与载荷值的关系，两者均可换算为力与应变的关系，进而对比其灵敏度:对于电阻应变计，应变值可通过测量得到的电压值、供桥电压、应变计灵敏系数计算得出；对于光纤光栅应变计，1pm的波长变化量对应着1.2με，可通过测量波长的变化值得到相应应变值。实验中光纤光栅应变计与电阻应变计相比，光纤光栅应变计输出灵敏度提高一倍，电阻应变计为15με/N，光纤应变计为32με/N，在相同载荷下增大了产生的应变值。

本实用新型在小量程范围作用载荷相同时，光纤光栅应变计输出为电阻应变计输出的一倍，输出信号大，容易满足仪器最小分辨率，而且不易淹没在噪声中；采用光纤天平大大提高了风洞试验在小量程气动力作用下的测量精度。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本实用新型一种用于风洞试验测量的光纤天平作进一步详细说明。

图1为本实用新型光纤天平示意图。

图2为本实用新型光纤天平安装示意图。

图中:

1.光纤光栅应变计  2.固定端  3.上槽口  4.下槽口  5.天平主体6.加载头  7.悬挂组件  8.光纤解调仪  9.计算机  10.测量平台

具体实施方式

本实施例是一种用于风洞试验测量的光纤天平。

参阅图1、图2，本实用新型光纤天平由光纤光栅应变计1、固定端2、上槽口3、下槽口4、天平主体5、加载头6组成。天平主体5与固定端2为一体结构，固定端尺寸为长120mm，宽90mm，高22mm，固定端上有四个均布的通孔，通过螺栓固定安装在测量平台10上。天平主体5上靠近固定端10mm处开有上槽口3和下槽口4，上、下槽口对称设置，尺寸相同；天平主体尺寸为长200mm，宽14mm，高20mm；上槽口与下槽口尺寸分别为长10mm、宽14mm、深1mm，槽口长度不小于光纤光栅的栅区长度；宽度与天平主体宽度相同。结合光纤光栅测量范围及有限元分析，即预拉伸基础上承受载荷产生应变值不超出光栅区承受最大不可逆变形情况下，开槽深度选择1mm。其中预拉伸是将光纤光栅应变计1光栅区两端轴向粘贴在天平主体槽口处时，为测量正负法向力产生的压缩应变，在粘贴之前对上下两根光纤进行拉伸。预拉伸尺寸为2nm，操作时先将光栅区一端固定在槽口一端，另一端的光纤尾纤固定在带有螺旋测微移的固定装置上，并通过光纤跳线连接至光纤解调仪，旋转螺旋测微移至光纤解调仪8上显示波长变化量为2.5nm左右，固定光栅区另一端于槽口另一端。采用AB胶粘贴光纤于槽口，AB胶固化过程中，拉伸量会缩小，故需2nm的拉伸量需拉伸2.5nm左右。光纤光栅应变计1通过中心波长的变化达到传感的目的。光纤光栅应变计1包括两端各1m长的尾纤，起到光信号传输作用；中间10mm光栅栅区，起到传感作用，基本原理是:当宽谱光经过光栅时，满足布拉格公式条件的波长的光都能被部分或者全部反射。布拉格公式表明光纤中心波长与有效折射率和光栅周期相关，进而反应为受应变影响。

本实用新型工作过程:

将光纤天平固定端2通过四个螺栓固定在测量平台10上，另一端即自由端用于静校实验加载。悬挂组件7通过加载头6与天平主体5相连接，用于实验中加载砝码或卸载砝码。光纤光栅应变计1一端自由放置，另一端与光纤跳线通过光纤熔接机熔合在一起，光纤跳线起到对光信号的传输，并且输入到终端光纤光栅解调仪8的作用。光纤光栅解调仪8内置激光光源，光源发出宽谱光，由光纤跳线、光纤尾纤传至光栅栅区，满足布拉格公式条件的波长的光被反射回来，经光纤尾纤、光纤跳线传至光纤光栅解调仪8，光纤光栅解调仪8将接收到的光信号反应为波长值显示在计算机9面板上。在未加载砝码时，测得光纤光栅原始波长；加载砝码时，天平主体受力产生形变，上表面产生拉应变，下表面产生压应变，槽口与平面相比变形量增大且与所加载荷值成正比，应变影响光栅周期发生变化，使得上下表面满足布拉格公式的波长发生变化，经光纤光栅栅区反射回的波长发生变化，光纤光栅解调仪8对应通道显示数值发生变化。为了测量时容易区分上下两光纤光栅波长，在光纤光栅选择时使其存在5nm的波长差，本实用新型选择上表面粘贴中心波长为1550nm的光纤光栅，下表面粘贴中心波长为1555nm，在计算机显示时便于观察记录。静校实验中通过加载卸载砝码，记录光纤光栅解调仪8测量波长变化量，得出载荷与波长的关系，以便在应用中根据输出波长信号求得模型所受载荷。

Claims (2)

1.一种用于风洞试验测量的光纤天平，其特征在于:包括光纤光栅应变计、固定端、上槽口、下槽口、天平主体、加载头，天平主体与固定端为一体结构，固定端上有四个均布的通孔，通过螺栓安装在测量平台上；天平主体上靠近固定端部位设有上槽口和下槽口，上下槽口对称设置，尺寸相同，天平主体的另一端有加载头，悬挂组件安装在加载头上用来加载卸载砝码；光纤光栅应变计沿天平主体轴向分别粘贴在上槽口和下槽口部位，光纤光栅应变计固定后，一端自由放置，另一端与光纤解调仪连接，光纤解调仪将接收到的光信号转换为波长值显示在计算机面板上。

2.根据权利要求1所述的用于风洞试验测量的光纤天平，其特征在于:上槽口、下槽口和固定端的距离为10mm。

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