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一種用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平，包括天平主體、固定端、上下槽口、加載頭、光纖光柵應(yīng)變計(jì)，天平主體與固定端為一體結(jié)構(gòu)，固定端通過(guò)螺栓安裝在測(cè)量平臺(tái)上；天平主體上靠近固定端處開(kāi)有上槽口和下槽口，上下槽口對(duì)稱設(shè)置，尺寸相同，天平主體的另一端設(shè)置有加載頭，在加載頭上安裝懸掛組件用于加載、卸載砝碼。光纖光柵應(yīng)變計(jì)沿天平主體軸向分別粘貼在上槽口和下槽口部位，光纖光柵應(yīng)變計(jì)固定后，一端自由放置，另一端連接在光纖解調(diào)儀上，對(duì)受載荷后上下槽口的位移量進(jìn)行測(cè)量，光纖解調(diào)儀將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)值顯示在計(jì)算機(jī)面板上。采用光纖天平大大提高了風(fēng)洞試驗(yàn)在小量程氣動(dòng)力作用下的測(cè)量精度。
【專利說(shuō)明】—種用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種風(fēng)洞天平，具體的說(shuō)，涉及一種用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)洞天平是在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中測(cè)量力和力矩的傳感器。現(xiàn)有公開(kāi)的文獻(xiàn)《風(fēng)洞天平》中指出:當(dāng)前的應(yīng)變天平，均是以電阻應(yīng)變計(jì)為敏感元件。使用時(shí)將阻值相近、溫度系數(shù)效應(yīng)相近的電阻應(yīng)變計(jì)組成惠斯頓電橋粘貼在被測(cè)試件的表面，起到測(cè)量作用，其中電阻應(yīng)變計(jì)將被測(cè)試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換為電阻變化量，惠斯頓電橋?qū)㈦娮枳兓哭D(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。通過(guò)靜態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)得到輸出信號(hào)與校準(zhǔn)載荷的關(guān)系，即通過(guò)加載卸載砝碼，使得被測(cè)試件在載荷的作用下產(chǎn)生變形，其應(yīng)變與載荷大小成正比。粘貼在被測(cè)試件表面的應(yīng)變片也同時(shí)產(chǎn)生變形，使其電阻值發(fā)生變化，并由惠斯頓電橋?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為電壓變化量，從而得到載荷與電壓的關(guān)系，以便在應(yīng)用中根據(jù)輸出電信號(hào)求得作用在被測(cè)模型上的氣動(dòng)載荷。風(fēng)洞天平作為直接測(cè)量風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中氣動(dòng)載荷的裝置，對(duì)航空航天飛行器研制過(guò)程中了解飛行器性能具有重大意義，需要提高測(cè)量過(guò)程中傳感器的靈敏度。
[0003]風(fēng)洞天平規(guī)范中規(guī)定,靈敏度用靈敏載荷大小來(lái)衡量。靈敏載荷指天平測(cè)量元件變化單位度數(shù)時(shí)所需施加的載荷值。在這里，利用每單位力產(chǎn)生的微應(yīng)變來(lái)衡量其靈敏度的高低。在測(cè)力實(shí)驗(yàn)中，已有風(fēng)洞天平結(jié)構(gòu)是在承受應(yīng)變的梁上粘貼應(yīng)變片，但由于天平材料剛度大，產(chǎn)生應(yīng)變值小，在小量程氣動(dòng)力測(cè)量方面輸出信號(hào)小甚至淹沒(méi)在干擾信號(hào)中。因而傳統(tǒng)風(fēng)洞天平在小量程氣動(dòng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中存在分辨率不高，靈敏度較弱的問(wèn)題。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本實(shí)用新型提出一種用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平，該光纖天平采用在天平主體靠近固定端處開(kāi)槽，槽口部位粘貼光纖光柵應(yīng)變計(jì)，對(duì)受載荷后槽口的位移量進(jìn)行測(cè)量；采用光纖天平大大提高了風(fēng)洞試驗(yàn)在小量程氣動(dòng)力作用下的測(cè)量精度。
[0005]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:包括光纖光柵應(yīng)變計(jì)、固定端、上槽口、下槽口、天平主體、加載頭，天平主體與固定端為一體結(jié)構(gòu)，固定端上有四個(gè)均布的通孔，通過(guò)螺栓安裝在測(cè)量平臺(tái)上；天平主體上靠近固定端部位設(shè)有上槽口和下槽口，上下槽口對(duì)稱設(shè)置，尺寸相同，天平主體的另一端有加載頭，懸掛組件安裝在加載頭上用來(lái)加載卸載砝碼；光纖光柵應(yīng)變計(jì)沿天平主體軸向分別粘貼在上槽口和下槽口部位，光纖光柵應(yīng)變計(jì)固定后，一端自由放置，另一端與光纖解調(diào)儀連接，光纖解調(diào)儀將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)值顯示在計(jì)算機(jī)面板上。
[0006]上槽口、下槽口和固定端的距離為10mm。
[0007]有益效果
[0008]本實(shí)用新型提出的用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平，在天平靜態(tài)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中，光纖天平得到為波長(zhǎng)與載荷值關(guān)系，電阻天平得到為電信號(hào)與載荷值的關(guān)系，兩者均可換算為力與應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)而對(duì)比其靈敏度:對(duì)于電阻應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變值可通過(guò)測(cè)量得到的電壓值、供橋電壓、應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)計(jì)算得出；對(duì)于光纖光柵應(yīng)變計(jì)，Ipm的波長(zhǎng)變化量對(duì)應(yīng)著1.2μ ε，可通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的變化值得到相應(yīng)應(yīng)變值。實(shí)驗(yàn)中光纖光柵應(yīng)變計(jì)與電阻應(yīng)變計(jì)相比，光纖光柵應(yīng)變計(jì)輸出靈敏度提高一倍，電阻應(yīng)變計(jì)為15 μ ε /N，光纖應(yīng)變計(jì)為32 μ ε/N，在相同載荷下增大了產(chǎn)生的應(yīng)變值。
[0009]本實(shí)用新型在小量程范圍作用載荷相同時(shí)，光纖光柵應(yīng)變計(jì)輸出為電阻應(yīng)變計(jì)輸出的一倍，輸出信號(hào)大，容易滿足儀器最小分辨率，而且不易淹沒(méi)在噪聲中；采用光纖天平大大提高了風(fēng)洞試驗(yàn)在小量程氣動(dòng)力作用下的測(cè)量精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型一種用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0011]圖1為本實(shí)用新型光纖天平示意圖。
[0012]圖2為本實(shí)用新型光纖天平安裝示意圖。
[0013]圖中:
[0014]1.光纖光柵應(yīng)變計(jì)2.固定端3.上槽口 4.下槽口 5.天平主體6.加載頭
7.懸掛組件8.光纖解調(diào)儀9.計(jì)算機(jī)10.測(cè)量平臺(tái)
【具體實(shí)施方式】
[0015]本實(shí)施例是一種用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平。
[0016]參閱圖1、圖2，本實(shí)用新型光纖天平由光纖光柵應(yīng)變計(jì)1、固定端2、上槽口 3、下槽口 4、天平主體5、加載頭6組成。天平主體5與固定端2為一體結(jié)構(gòu)，固定端尺寸為長(zhǎng)120mm,寬90mm，高22mm，固定端上有四個(gè)均布的通孔，通過(guò)螺栓固定安裝在測(cè)量平臺(tái)10上。天平主體5上靠近固定端IOmm處開(kāi)有上槽口 3和下槽口 4，上、下槽口對(duì)稱設(shè)置，尺寸相同；天平主體尺寸為長(zhǎng)200臟，寬14臟，高20mm ;上槽口與下槽口尺寸分別為長(zhǎng)10mm、寬14臟、深1mm，槽口長(zhǎng)度不小于光纖光柵的柵區(qū)長(zhǎng)度；寬度與天平主體寬度相同。結(jié)合光纖光柵測(cè)量范圍及有限元分析，即預(yù)拉伸基礎(chǔ)上承受載荷產(chǎn)生應(yīng)變值不超出光柵區(qū)承受最大不可逆變形情況下，開(kāi)槽深度選擇1mm。其中預(yù)拉伸是將光纖光柵應(yīng)變計(jì)I光柵區(qū)兩端軸向粘貼在天平主體槽口處時(shí)，為測(cè)量正負(fù)法向力產(chǎn)生的壓縮應(yīng)變，在粘貼之前對(duì)上下兩根光纖進(jìn)行拉伸。預(yù)拉伸尺寸為2nm，操作時(shí)先將光柵區(qū)一端固定在槽口一端，另一端的光纖尾纖固定在帶有螺旋測(cè)微移的固定裝置上，并通過(guò)光纖跳線連接至光纖解調(diào)儀，旋轉(zhuǎn)螺旋測(cè)微移至光纖解調(diào)儀8上顯示波長(zhǎng)變化量為2.5nm左右，固定光柵區(qū)另一端于槽口另一端。采用AB膠粘貼光纖于槽口，AB膠固化過(guò)程中，拉伸量會(huì)縮小，故需2nm的拉伸量需拉伸2.5nm左右。光纖光柵應(yīng)變計(jì)I通過(guò)中心波長(zhǎng)的變化達(dá)到傳感的目的。光纖光柵應(yīng)變計(jì)I包括兩端各Im長(zhǎng)的尾纖，起到光信號(hào)傳輸作用；中間IOmm光柵柵區(qū)，起到傳感作用，基本原理是:當(dāng)寬譜光經(jīng)過(guò)光柵時(shí)，滿足布拉格公式條件的波長(zhǎng)的光都能被部分或者全部反射。布拉格公式表明光纖中心波長(zhǎng)與有效折射率和光柵周期相關(guān)，進(jìn)而反應(yīng)為受應(yīng)變影響。
[0017]本實(shí)用新型工作過(guò)程:[0018]將光纖天平固定端2通過(guò)四個(gè)螺栓固定在測(cè)量平臺(tái)10上，另一端即自由端用于靜校實(shí)驗(yàn)加載。懸掛組件7通過(guò)加載頭6與天平主體5相連接，用于實(shí)驗(yàn)中加載砝碼或卸載砝碼。光纖光柵應(yīng)變計(jì)I 一端自由放置，另一端與光纖跳線通過(guò)光纖熔接機(jī)熔合在一起，光纖跳線起到對(duì)光信號(hào)的傳輸，并且輸入到終端光纖光柵解調(diào)儀8的作用。光纖光柵解調(diào)儀8內(nèi)置激光光源，光源發(fā)出寬譜光，由光纖跳線、光纖尾纖傳至光柵柵區(qū)，滿足布拉格公式條件的波長(zhǎng)的光被反射回來(lái)，經(jīng)光纖尾纖、光纖跳線傳至光纖光柵解調(diào)儀8，光纖光柵解調(diào)儀8將接收到的光信號(hào)反應(yīng)為波長(zhǎng)值顯示在計(jì)算機(jī)9面板上。在未加載砝碼時(shí)，測(cè)得光纖光柵原始波長(zhǎng)；加載砝碼時(shí)，天平主體受力產(chǎn)生形變，上表面產(chǎn)生拉應(yīng)變,下表面產(chǎn)生壓應(yīng)變,槽口與平面相比變形量增大且與所加載荷值成正比，應(yīng)變影響光柵周期發(fā)生變化，使得上下表面滿足布拉格公式的波長(zhǎng)發(fā)生變化，經(jīng)光纖光柵柵區(qū)反射回的波長(zhǎng)發(fā)生變化，光纖光柵解調(diào)儀8對(duì)應(yīng)通道顯示數(shù)值發(fā)生變化。為了測(cè)量時(shí)容易區(qū)分上下兩光纖光柵波長(zhǎng)，在光纖光柵選擇時(shí)使其存在5nm的波長(zhǎng)差，本實(shí)用新型選擇上表面粘貼中心波長(zhǎng)為1550nm的光纖光柵，下表面粘貼中心波長(zhǎng)為1555nm，在計(jì)算機(jī)顯示時(shí)便于觀察記錄。靜校實(shí)驗(yàn)中通過(guò)加載卸載砝碼，記錄光纖光柵解調(diào)儀8測(cè)量波長(zhǎng)變化量，得出載荷與波長(zhǎng)的關(guān)系，以便在應(yīng)用中根據(jù)輸出波長(zhǎng)信號(hào)求得模型所受載荷。
【權(quán)利要求】
1.一種用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平，其特征在于:包括光纖光柵應(yīng)變計(jì)、固定端、上槽口、下槽口、天平主體、加載頭，天平主體與固定端為一體結(jié)構(gòu)，固定端上有四個(gè)均布的通孔，通過(guò)螺栓安裝在測(cè)量平臺(tái)上；天平主體上靠近固定端部位設(shè)有上槽口和下槽口，上下槽口對(duì)稱設(shè)置，尺寸相同，天平主體的另一端有加載頭，懸掛組件安裝在加載頭上用來(lái)加載卸載砝碼；光纖光柵應(yīng)變計(jì)沿天平主體軸向分別粘貼在上槽口和下槽口部位，光纖光柵應(yīng)變計(jì)固定后，一端自由放置，另一端與光纖解調(diào)儀連接，光纖解調(diào)儀將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為波長(zhǎng)值顯示在計(jì)算機(jī)面板上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平，其特征在于:上槽口、下槽口和固定端的距離為10mm。
【文檔編號(hào)】G01L11/02GK203658011SQ201320868049
【公開(kāi)日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】解亞軍, 王惠倫, 高永衛(wèi), 姜亞軍 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)