一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器及使用其的应变监测系统和温度补偿方法技术方案

本发明专利技术涉及应力分布监测技术领域，具体为一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器及使用其的应变监测系统和温度补偿方法，应变监测传感器包括应变测量光纤光栅、温度补偿光纤光栅、基座、毛细管和光纤保护外壳；所述应变测量光纤光栅上刻有至少一个应变测量栅区，所述温度补偿光纤光栅上刻有至少一个温度测量栅区；所述基座开设有通孔和凹槽，所述凹槽内设有应变材料层，所述应变测量栅区粘贴在所述应变材料层上；所述温度测量栅区封装于所述毛细管内，所述毛细管置于所述通孔内；所述光纤保护外壳用于将基座固定在齿轮端面上。应变监测传感器结构稳固、可靠性好、工作稳定、可实现分布式测量、准确度更高。准确度更高。准确度更高。

【技术实现步骤摘要】
一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器及使用其的应变监测系统和温度补偿方法


[0001]本专利技术涉及应力分布监测
，具体为一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器及使用其的应变监测系统和温度补偿方法。

技术介绍

[0002]海工自升式平台服务于海上作业，它的结构相对比较复杂，而且体积非常庞大，在制造过程中花费大量人力物力。特别是其工况远非陆地结构工况所能比拟：平台经常遭受着海风、海流和潮汐等力的作用，同时海上腐蚀现象比较严重，材料容易受到破坏。因此海工升降平台的设备具有高技术性和高可靠性。支撑升降系统作为自升式平台中的核心部分，在平台的设计建造中历来受到高度重视，其性能的优劣直接影响到平台的安全和使用效果。而齿轮齿条式升降系统又因升降速度快，可连续升降，操作灵活方便等优点被广泛使用。齿轮齿条升降装置的主要部件包括升降马达、齿轮减速器、爬升齿轮，其中爬升齿轮与齿条对于平台的安全可靠性的影响非常大。
[0003]爬升齿轮齿条啮合副既需要在升降作业时完成桩腿及甲板的升降，还需要在正常工作状态下和风暴自存状态下支撑船体，长期处于承受重载状态(包括动载荷)。自升式平台爬升齿轮齿条机构是平台和桩腿的连接纽带，桩腿上所受到的海水、冰和风载荷通过爬升齿轮齿条机构传递给平台，而平台上的各种载荷也通过爬升齿轮齿条机构传递给桩腿，因此爬升齿轮齿条机构长期在各种载荷的作用下，最容易发生断裂失效、疲劳等方式的破坏。而光纤光栅传感器是一种绝缘体无源物质，对被测物体不会产生影响，且耐高压、耐腐蚀，能在恶劣的环境下工作，相比于传统传感器，其具有尺寸小，质量轻，能抗电磁干扰，使用寿命长，绝缘性能良好的特点。在设备检测尤其是在应变检测方面，光纤布拉格光栅呈现出特有的优势，由于其自身形态的多边性，可做成应变检测探头用来监测外界应力应变的改变。通过光纤光栅应变传感器的监测，可以及时的发现爬升齿轮的故障问题，以免造成重大事故。
[0004]现有的光纤光栅应变传感器结构相对来说比较复杂，在实际场合的布置比较困难，且不能实现分布式测量，而且结构稳定性、可靠性较差，造成工作时准确度较低，不适用于海工爬升齿轮的工作环境。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器及使用其的应变监测系统和温度补偿方法，旨在解决现有技术中光纤光栅应变传感器结构复杂，稳定性、可靠性较差，准确度较低，无法适用于于海工爬升齿轮的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提出一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器，包括应变测量光纤光栅、温度补偿光纤光栅、基座、毛细管和光纤保护外壳；所述应变测量光纤光栅上刻有至少一个应变测量栅区，所述温度补偿光纤光栅上刻有至少一个温度测量
栅区；所述基座开设有通孔和凹槽，所述凹槽内设有应变材料层，所述应变测量栅区粘贴在所述应变材料层上；所述温度测量栅区封装于所述毛细管内，所述毛细管置于所述通孔内；所述光纤保护外壳用于将基座固定在齿轮端面上。
[0007]优选地，所述应变测量栅区外的光纤通过应变保护套管进行封装；所述温度测量栅区外的光纤通过温度保护套管进行封装。
[0008]优选地，所述应变测量栅区的长度为6mm～10mm，且所述应变测量栅区无涂覆层，多个所述应变测量栅区的长度和材料均相同。
[0009]优选地，所述温度测量栅区的长度为5mm～7mm，且所述温度测量栅区无涂覆层，多个所述温度测量栅区的长度和材料均相同。
[0010]优选地，所述温度测量栅区封装于所述毛细管内时保持松弛状态。
[0011]优选地，所述毛细管内填充有导热剂。
[0012]优选地，所述毛细管与所述通孔的孔壁之间填充导热剂。
[0013]优选地，所述基座的两端在所述通孔处固定有密封片，所述温度补偿光纤光栅穿过所述密封片向外延伸。
[0014]优选地，所述光纤保护外壳开设有供光纤跳线穿出的光纤导出孔；所述光纤保护外壳还开设有用于供螺栓穿过以将所述光纤保护外壳固定在齿轮端面上的螺纹孔。
[0015]本专利技术另一方面，提出一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测系统，包括如权利要求上所述的任意一项监测传感器，还包括应变测量光纤跳线、温度补偿光纤跳线、光纤旋转连接器、解调仪和上位机，所述应变测量光纤跳线与所述应变测量光纤光栅连接，所述温度补偿光纤跳线与所述温度补偿光纤光栅连接，所述应变测量光纤跳线和所述温度补偿光纤跳线均与所述光纤旋转连接器的旋转端连接，所述解调仪分别于所述光纤旋转连接器的固定端和所述上位机连接。
[0016]本专利技术另一方面，提出一种光纤光栅齿轮应变监测传感器的温度补偿方法，使用如权利要求上所述的任意一项监测传感器，包括如下步骤：
[0017]步骤1：在应变测量光纤光栅的每个应变测量栅区旁设置温度补偿光纤光栅上的温度测量栅区，获得应变测量光纤光栅受到应变作用时波长变化值与应变系数ε的关联关系；
[0018]步骤2：获得应变测量光纤光栅在载荷约束状态下温度发生变化，温度发生变化引起应变测量光纤光栅的折射率变化，同时热膨胀也引起应变测量栅区距离的变化的关联；
[0019]步骤3：获得应变测量光纤光栅的温度变化以及温度补偿光纤光栅的温度变化；
[0020]步骤4：将应变测量光纤光栅与温度补偿光纤光栅处于同一温度场，即dT1＝dT2＝dT3，最后计算得到载荷应变系数ε0，通过ε0进行温度补偿。
[0021]优选地，步骤1中，当应变测量光纤光栅(1)仅受到应变作用时，波长变化值与应变系数ε的关联关系表达式为：
[0022]式中，dλ为应变测量光纤光栅(1)反射的中心波长的变化量，λ为应变测量光纤光栅(1)反射的中心波长，P为应变测量光纤光栅(1)的光弹系数，ε为应变测量光纤光栅(1)的应变系数。
[0023]优选地，步骤2中，温度发生变化引起应变测量光纤光栅(1)的折射率变化，同时热
膨胀也引起应变测量栅区(101)距离的变化的关联表达式为：
[0024]式中，dλ为应变测量光纤光栅(1)反射的中心波长的变化量，λ为应变测量光纤光栅(1)反射的中心波长，α
s
为温度补偿光纤光栅(2)的热膨胀系数，α
c
为被测结构的热膨胀系数，ξ为温度补偿光纤光栅(2)的热光常数，n为温度补偿光纤光栅(2)的光芯的有效折射率，dT1为应变测量光纤光栅(1)所处的温度场。
[0025]优选地，步骤3中，当同时受到温度与应变作用，温度与应变的耦合忽略，于是应变测量光纤光栅(1)的变化满足：
[0026][0027]温度的变化量由温度补偿光纤光栅(2)测出，温度补偿光纤光栅(2)的变化满足：
[0028][0029]式中，dλ
B1
为应变测量光纤光栅的变化波长，λ
B1
为应变测量光纤光栅的中心波长，P为应变测量光纤光栅的光弹系数，ε为应变测量光纤光栅的应变系数，ξ为温度补偿光纤光栅的热光常数，α...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器，其特征在于，包括应变测量光纤光栅(1)、温度补偿光纤光栅(2)、基座(3)、毛细管(4)和光纤保护外壳(5)；所述应变测量光纤光栅(1)上刻有至少一个应变测量栅区(101)，所述温度补偿光纤光栅(2)上刻有至少一个温度测量栅区(21)；所述基座(3)开设有通孔(31)和凹槽(32)，所述凹槽(32)内设有应变材料层(6)，所述应变测量栅区(101)粘贴在所述应变材料层(6)上；所述温度测量栅区(21)封装于所述毛细管(4)内，所述毛细管(4)置于所述通孔(31)内；所述光纤保护外壳(5)用于将基座(3)固定在齿轮(16)端面上。2.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器，其特征在于，所述应变测量栅区(101)外的光纤通过应变保护套管进行封装；所述温度测量栅区(21)外的光纤通过温度保护套管(8)进行封装。3.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器，其特征在于，所述应变测量栅区(101)的长度为6mm～10mm，且所述应变测量栅区(101)无涂覆层，多个所述应变测量栅区(101)的长度和材料均相同。4.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器，其特征在于，所述温度测量栅区(21)的长度为5mm～7mm，且所述温度测量栅区(21)无涂覆层，多个所述温度测量栅区(21)的长度和材料均相同。5.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器，其特征在于，所述温度测量栅区(21)封装于所述毛细管(4)内时保持松弛状态。6.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器，其特征在于，所述毛细管(4)内填充有导热剂(9)。7.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器，其特征在于，所述毛细管(4)与所述通孔(31)的孔壁之间填充导热剂(9)。8.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器，其特征在于，所述基座(3)的两端在所述通孔(31)处固定有密封片(10)，所述温度补偿光纤光栅(2)穿过所述密封片(10)向外延伸。9.根据权利要求1所述的一种带温度补偿的光纤光栅齿轮应变监测传感器，其特征在于，所述光纤保护外壳(5)开设有供光纤跳线穿出的光纤导出孔(51)；所述光纤保护外壳(5)还开设有用于供螺栓穿过以将所述光纤保护外壳(5)固定在齿轮(16)端面上的螺纹孔(52)。10.一种带温度补偿的光纤光栅齿轮(16)应变监测系统，其特征在于，包括如权利要求1至9所述的任意一项监测传感器，还包括应变测量光纤跳线(11)、温度补偿光纤跳线(12)、光纤旋转连接器(13)、解调仪(14)和上位机(15)，所述应变测量光纤跳线(11)与所述应变测量光纤光栅(1)连接，所述温度补偿光纤跳线(12)与所述温度补偿光纤光栅(2)连接，所述应变测量光纤跳线(11)和所述温度补偿光纤跳线(12)均与所述光纤旋转连接器(13)的旋转端连接，所述解调仪(14)分别于所述光纤旋转连接器(13)的固定端和所述上位机(15)连接。11.一种光纤光栅齿轮应变监测传感器的温度补偿方法，其特征在于，使用如权利要求1至9所述的任意一项监测传感器，包括如下步骤：步骤1：在应变测量光纤光栅(1)的每个应变测量栅区(101)旁设置温度补偿光纤光栅
(2)上的温度测量栅区(21)，获得应变测量光纤光栅(1)受到应变作用时波长变化值与应变系数ε的关联关系；步骤2：获得应变测量光纤光栅(1)在载荷约束状态下温度发生变化，温度发生变化引起应变测量光纤光栅(...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦志辉，吴韩，宋春生，余国轩，徐天殷，
申请(专利权)人：广东精铟海洋工程股份有限公司，
类型：发明
国别省市：