CN109612402A - 一种光纤传感销轴装置和销轴装置应力应变检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤传感销轴装置和销轴装置应力应变检测方法，所述销轴装置包括：3个凸台，2条直线槽、2条光纤光栅和1条曲线槽，销轴与工装间通过凸台接触，其接触点在一条直线上，沿该直线开槽，将光纤光栅敷设并固化于线槽中，2条直线槽之间通过1条曲线槽相连接；所述方法包括：利用光纤光栅作为敏感元件，将其敷设于销轴装置中，将销轴装置应力和应变的变化转化为光纤光栅波长的移动；波长变化利用光纤光栅解调仪表查询检测。本发明保证了装置受力的一致性，增加了装置灵敏度，且能实现温度补偿功能；同时，本发明所述检测方法的抗干扰性能好，测量稳定性高，精度高，并且无零点漂移问题。

Description

一种光纤传感销轴装置和销轴装置应力应变检测方法

技术领域

本发明涉及设备自动检测领域，尤其涉及一种光纤传感销轴装置和销轴装置应力应变检测方法。

背景技术

销轴是一类标准化的紧固件，广泛应用于机械结构的连接，是机械结构中的关键零件和重点零件。将销轴零件进行智能化改造，制作成为销轴传感器，使其兼具连接和感知功能，对其所受载荷的实时在线检测，及时掌握其工作状态，进而实现对销轴的过载保护，同时也可为机械装置、机械设备的安全检测和安全管理服务。

传统的销轴传感器主要采用的是电类传感检测技术，将电阻应变片植入销轴中，从而感知销轴所受载荷。传统电阻应变片式销轴传感器在工程应用中得到了广泛使用，并产生了十分积极的作用，然而因为电类传感元件是有源器件，防潮防湿能力、抗电磁干扰能力、长期稳定性能在恶劣的监测条件下均表现较差，当长时间用在复杂监测环境下时，容易发生零点漂移等故障，影响了监测结果的可靠性。

发明内容

为了克服现有技术销轴抗干扰能力差、精度低、容易发生零点漂移等缺陷，本发明提供了一种光纤传感销轴装置和销轴装置应力应变检测方法。

一种光纤传感销轴装置，所述销轴装置包括：第一凸台、第二凸台、第三凸台、第一光纤光栅、第二光纤光栅、第一直线槽、曲线槽和第二直线槽，其中，

所述第一凸台、第二凸台和第三凸台，用于销轴和工装间接触；

所述第一直线槽和第二直线槽为沿第一凸台、第二凸台、第三凸台和工装间两侧接触点所在直线开槽形成，用于敷设并固化光纤光栅；

所述第一光纤光栅和第二光纤光栅，用于将销轴装置应力和应变的变化转化为光纤光栅波长的偏移。

进一步地，所述曲线槽用于连接第一直线槽和第二直线槽，并在其中敷设传输光纤。

进一步地，所述第一直线槽和第二直线槽关于销轴中心呈轴对称分布，分别敷设第一光纤光栅和第二光纤光栅。

进一步地，所述销轴装置中光纤光栅的尾纤汇集于销轴的一端。

一种光纤传感销轴装置应力应变检测方法，所述方法包括：

利用敷设于销轴装置中光纤光栅作为敏感元件，将销轴装置应力和应变的变化转化为光纤光栅波长的偏移；

通过检测装置检测光纤光栅波长偏移量，根据波长偏移量与销轴应变量之间的映射关系，实现销轴装置应力和应变的实时检测。

进一步地，所述销轴装置在2个对称的光纤光栅固化点所受应力σ₁和σ₁的计算方式为：

式中，M为简支梁弯矩，W_z为抗弯截面系数，F为载荷，L为两支点间的距离，d为销轴直径。

进一步地，所述销轴装置在2个对称的光纤光栅固化点所受应变量ε₁和ε₂的计算方式为：

式中，F为载荷，L为两支点间的距离，E为销轴材料的弹性模量，d为销轴直径。

进一步地，所述光纤光栅波长的偏移量Δλ与温度ΔT和应变Δε之间的关系为：

Δλ＝K_tΔT+K_εΔε

销轴上的2个光栅的波长偏移量Δλ₁和Δλ₂，则有：

销轴上的2个光栅可视作处于同一温度场中，因此，ΔT₁＝ΔT₂，代入上式中则有：

Δλ₁-Δλ₂＝2K_εΔε₁

式中，K_t为温度灵敏度系数，K_ε为应变灵敏度系数。

进一步地，其特征在于，所述光纤光栅波长偏移量Δλ₁和Δλ₂与销轴应变量ε₁之间的映射关系：

式中，F为载荷，L为两支点间的距离，E为销轴材料的弹性模量，d为销轴直径，K_ε为应变灵敏度系数。

本发明销轴装置具有三凸台式结构，销轴与工装间通过凸台接触，其接触点在一条直线上，使载荷从线载荷变成点式载荷，集中到工装与销轴接触的3点处，中间凸台接触点处承受载荷，两边凸台接触点作为支撑，三凸台的几何尺寸保证了传感器受力位置一致性；沿工装与销轴接触点所在直线开槽，将光纤光栅敷设并固化于线槽中。其中，直线槽有2条，关于销轴中心呈轴对称分布，敷设2个光纤光栅，这2个光纤光栅对称敷设，可实现差分式检测，将使传感器灵敏度增加1倍，且能实现温度补偿功能，2条直线槽之间通过1条曲线槽相连接，曲线槽敷设传输光纤，并且将尾纤汇集于销轴一端，便于传感器的接续和组网。检测方法基于光纤传感销轴装置，利用光纤光栅作为敏感元件，将销轴装置应力和应变的变化转化为光纤光栅波长的移动；利用光纤光栅解调仪表查询检测波长变化，从而实现销轴装置应力和应变的检测。本发明不仅保证了装置的受力一致性，增加了装置灵敏度，实现了温度补偿功能，而且检测方法的抗干扰性能好，测量稳定性高，精度高，无零点漂移问题。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的光纤传感销轴装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的光纤传感销轴装置的结构剖面图；

图3示出了根据本发明实施例的光纤传感销轴装置应力和应变检测方法的基本流程图；

图4示出了根据本发明实施例的光纤传感销轴装置的受力分析图。

图中：1第一凸台、2第二凸台、3第三凸台、4第一光纤光栅、5第二光纤光栅、6第一直线槽、7曲线槽、8第二直线槽。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了根据本发明实施例的光纤传感销轴装置的结构示意图，如图所示，销轴装置包括：第一凸台1、第二凸台2、第三凸台3、第一光纤光栅4、第二光纤光栅5、第一直线槽6、曲线槽7、第二直线槽8，第一光纤光栅4和第二光纤光栅5分别敷设于第一直线槽6和第二直线槽8中，第一光纤光栅4和第二光纤光栅5的固化中心与第二凸台2重合。销轴装置使销轴与工装间通过三凸台接触，其接触点在一条直线上，沿该直线开槽，光纤光栅敷设并固化于该线槽中。装置的三凸台式结构使载荷从线载荷变成点式载荷，集中到工装与销轴装置第一凸台1、第二凸台2和第三凸台3接触的3点处，第二凸台2的接触点处承受载荷，第一凸台1和第三凸台3的接触点作为支撑，三凸台的几何尺寸保证了传感器受力位置一致性。

图2示出了根据本发明实施例的光纤传感销轴装置的结构剖面图，如图所示，销轴上用于光纤光栅敷设直线槽有2条，敷设2个光纤光栅；2条线槽关于销轴的中心轴对称分布，通过1条曲线槽相连接，传输光纤敷设于曲线槽之中，光纤光栅的尾纤汇集于销轴的一端。光纤光栅的对称敷设实现了差分式检测，将使传感器灵敏度增加1倍，并且实现了温度补偿功能，尾纤汇集也便于传感器的接续和组网。

在上述销轴装置的基础上，本发明实施例还提供了一种光纤传感销轴装置应力应变检测方法，所述方法包括：首先利用敷设于销轴装置中光纤光栅作为敏感元件，将销轴装置应力和应变的变化转化为光纤光栅波长的偏移；再通过检测装置检测光纤光栅波长偏移量，根据波长偏移量与销轴应变量之间的映射关系，从而实现销轴装置应力和应变的实时检测。图3示出了根据本发明实施例的光纤传感销轴装置应力和应变检测方法的基本流程图。其中，应力是指销轴装置由于外因，例如：受力、湿度、温度场变化等而变形时，在销轴装置内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使销轴装置从变形后的位置恢复到变形前的位置；应变是指因外力作用使销轴装置尺寸或形状发生相对变化的现象。

图4示出了根据本发明实施例的光纤传感销轴装置的受力分析图，如图所示，在销轴装置中第一直线槽6和第二直线槽8上敷设有第一光纤光栅4和第二光纤光栅5，两个光纤光栅的固化点为对称点，在销轴工作过程中，这两个对称点所受应力大小相同，方向相反，结合图3所示检测方法，2个对称的光纤光栅固化点所受应力σ₁和σ₁的计算方式为：

式中，M为简支梁弯矩，W_z为抗弯截面系数，F为载荷，L为两支点间的距离，d为销轴直径。

依据上式(1)，光纤光栅1和光纤光栅2在2个对称的光纤光栅固化点上分别产生的应变量ε₁和ε₂为：

式中，F为载荷，L为两支点间的距离，E为销轴材料的弹性模量，d为销轴直径。

光纤光栅对温度和应变同时敏感，令其温度灵敏度系数为K_t、应变灵敏度系数为K_ε，则有光纤光栅波长偏移量Δλ与温度ΔT和应变Δε之间的关系为：

Δλ＝K_tΔT+K_εΔε (3)

令销轴上的2个光栅的波长偏移量Δλ₁和Δλ₂，则有：

由于销轴上的2个光栅可视作处于同一温度场中，因此，ΔT₁＝ΔT₂，代入上式中则有：

Δλ₁-Δλ₂＝2K_εΔε₁ (5)

利用式(2)和式(5)即可建立波长变化Δλ与销轴应变量Δε的映射关系，通过对波长的实时查询即可实现销轴应力和应变的载荷实时在线监测。

本发明销轴装置具有三凸台式结构，销轴与工装间通过凸台接触，其接触点在一条直线上，使载荷从线载荷变成点式载荷，集中到工装与销轴接触的3点处，中间凸台接触点处承受载荷，两边凸台接触点作为支撑，三凸台的几何尺寸保证了传感器受力位置一致性；沿工装与销轴接触点所在直线开槽，将光纤光栅敷设并固化于线槽中。其中，直线槽有2条，关于销轴中心呈轴对称分布，敷设2个光纤光栅，这2个光纤光栅对称敷设，可实现差分式检测，将使传感器灵敏度增加1倍，且能实现温度补偿功能，2条直线槽之间通过1条曲线槽相连接，曲线槽敷设传输光纤，并且将尾纤汇集于销轴一端，便于传感器的接续和组网。检测方法基于光纤传感销轴装置，利用光纤光栅作为敏感元件，将销轴装置应力和应变的变化转化为光纤光栅波长的移动；利用光纤光栅解调仪表查询检测波长变化，从而实现销轴装置应力和应变的检测。本发明不仅保证了装置的受力一致性，增加了装置灵敏度，实现了温度补偿功能，而且检测方法的抗干扰性能好，测量稳定性高，精度高，无零点漂移问题。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种光纤传感销轴装置，所述销轴装置包括：第一凸台(1)、第二凸台(2)、第三凸台(3)、第一光纤光栅(4)、第二光纤光栅(5)、第一直线槽(6)、曲线槽(7)和第二直线槽(8)，其中，

所述第一凸台(1)、第二凸台(2)和第三凸台(3)，用于销轴和工装间接触；

所述第一直线槽(6)和第二直线槽(8)为沿第一凸台(1)、第二凸台(2)、第三凸台(3)和工装间两侧接触点所在直线开槽形成，用于敷设并固化光纤光栅；

所述第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)，用于将销轴装置应力和应变的变化转化为光纤光栅波长的偏移。

2.根据权利要求1所述的一种光纤传感销轴装置，其特征在于，所述曲线槽(7)用于连接第一直线槽(6)和第二直线槽(8)，并在其中敷设传输光纤。

3.根据权利要求1所述的一种光纤传感销轴装置，其特征在于，所述第一直线槽(6)和第二直线槽(8)关于销轴中心呈轴对称分布，分别敷设第一光纤光栅(4)和第二光纤光栅(5)。

4.根据权利要求1所述的一种光纤传感销轴装置，其特征在于，所述销轴装置中光纤光栅的尾纤汇集于销轴的一端。

5.一种光纤传感销轴装置应力应变检测方法，所述方法包括：

利用敷设于销轴装置中光纤光栅作为敏感元件，将销轴装置应力和应变的变化转化为光纤光栅波长的偏移；

通过检测装置检测光纤光栅波长偏移量，根据波长偏移量与销轴应变量之间的映射关系，实现销轴装置应力和应变的实时检测。

6.根据权利要求5所述的一种光纤传感销轴装置，其特征在于，所述销轴装置在2个对称的光纤光栅固化点所受应力σ₁和σ₁的计算方式为：

式中，M为简支梁弯矩，W_z为抗弯截面系数，F为载荷，L为两支点间的距离，d为销轴直径。

7.根据权利要求5所述的一种光纤传感销轴装置，其特征在于，所述销轴装置在2个对称的光纤光栅固化点所受应变量ε₁和ε₂的计算方式为：

式中，F为载荷，L为两支点间的距离，E为销轴材料的弹性模量，d为销轴直径。

8.根据权利要求5所述的一种光纤传感销轴装置，其特征在于，所述光纤光栅波长的偏移量Δλ与温度ΔT和应变Δε之间的关系为：

Δλ＝K_tΔT+K_εΔε

销轴上的2个光栅的波长偏移量Δλ₁和Δλ₂，则有：

销轴上的2个光栅可视作处于同一温度场中，因此，ΔT₁＝ΔT₂，代入上式中则有：

Δλ₁-Δλ₂＝2K_εΔε₁

式中，K_t为温度灵敏度系数，K_ε为应变灵敏度系数。

9.根据权利要求5、7和8任一所述的一种光纤传感销轴装置，其特征在于，所述光纤光栅波长偏移量Δλ₁和Δλ₂与销轴应变量ε₁之间的映射关系：

式中，F为载荷，L为两支点间的距离，E为销轴材料的弹性模量，d为销轴直径，K_ε为应变灵敏度系数。