本發(fā)明涉及一種基于光纖傳感器高溫環(huán)境下的應變測量方法，屬于測試
技術領域：
。技術背景工程上經(jīng)常需要通過測試零件、結構的受力和工作狀態(tài)，確定應力、應變、載荷等力學參數(shù)，用以解決工程結構和機械的強度剛度的問題。例如，航空發(fā)動機中的熱端部件在工作過程中承受著極為嚴酷、復雜的熱力載荷，高溫會顯著降低材料的強度極限和結構的承載能力，通過對熱端部件進行應變測量分析，解決高溫下結構的可靠性問題已成為事關航空發(fā)動機研制成敗的關鍵。在高溫環(huán)境下，試驗件和應變計的材料屬性發(fā)生變化，會導致應變計的靈敏度系數(shù)改變、熱輸出和熱滯后增加，從而影響應變測量精度。因此，高溫對傳感器及測試數(shù)據(jù)帶來諸多影響使得高溫應變的測量成為測試的難點。為此，國內外開展了很多針對高溫環(huán)境下應變測量方法的研究。如，申請專利號為cn200710168994.8的專利提供了一種能準確測量高溫應力應變的方法，該專利采用高溫應變片進行高溫環(huán)境下的應變測量，通過高溫老化處理及熱輸出標定，得到穩(wěn)定的高溫應變片熱輸出曲線，對不同溫度下的應變數(shù)據(jù)進行修正，得到應變值，進而計算應力。申請專利號為cn201310527017.8的專利提供了一種光纖光柵高溫應變測試裝置及其安裝方法，該專利采用雙光柵光纖結構，由溫度參考光柵對應變傳感光柵進行溫度補償，同時采用反射輻射及隔熱方法，降低試驗中光柵承受溫度，從而提高光柵的使用溫度。綜上所述，現(xiàn)有高溫環(huán)境下的應變測量方法主要是通過溫度補償提高應變測量精度，例如采用標準裝置標定得到傳感器在不同溫度下的應變靈敏系數(shù)、熱輸出及熱滯后等參數(shù)曲線，用于對應變數(shù)據(jù)進行修正，從而得到應變值。但是，一方面，傳感器標定引入的誤差會通過應變數(shù)據(jù)的修正帶入計算結果；另一方面，在高溫環(huán)境下被測件材料屬性的變化也會引入大量的隱含誤差源，這是目前高溫環(huán)境下的應變測量方法所無法解決的問題。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了提高高溫環(huán)境下應變測量的精度，減少高溫環(huán)境下被測件材料屬性變化引入的隱含誤差，避免傳感器標定過程中的引入誤差，提出了一種基于光纖傳感器高溫環(huán)境下的應變測量方法。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種基于光纖傳感器高溫環(huán)境下的應變測量方法，所涉及符號的物理意義如表1所示，包含以下步驟：表1符號物理意義表序號符號物理意義1xε0光纖應變傳感器在實測試驗前輸出信號值2xt0光纖溫度傳感器在實測試驗前輸出信號值3xε1光纖應變傳感器在實測環(huán)境下輸出信號值4xt1光纖溫度傳感器在實測環(huán)境下輸出信號值5xε2光纖應變傳感器在模擬試驗前輸出信號值6xt2光纖溫度傳感器在模擬試驗前輸出信號值7xε3光纖應變傳感器在模擬環(huán)境下輸出信號值8xt3光纖溫度傳感器在模擬環(huán)境下輸出信號值9t0在模擬環(huán)境下，當xt2＝xt0時，加載的溫度值10t1在模擬環(huán)境下，當xt3＝xt1時，加載的溫度值11α標準件在20～t1溫度下，線膨脹系數(shù)12ε1標準件在t1溫度下，機械力加載產(chǎn)生的應變13εt標準件在t1溫度下，由于線膨脹產(chǎn)生的應變14ε高溫環(huán)境下應變測量值1)測試工作環(huán)境下應變測量a)設計被測試件試驗點位置：通過試驗點位置設計，保證試驗過程中，光纖應變傳感器和光纖溫度傳感器安裝位置附近的溫場分布均勻；b)安裝傳感器到被測試件：采用標準工藝將光纖應變傳感器和光纖溫度傳感器分別安裝到被測試件試驗點位置；c)記錄試驗前傳感器輸出信號值：將光纖應變傳感器和光纖溫度傳感器接入解調設備，通過設備操作軟件設置解調參數(shù)，保證數(shù)據(jù)采集解調正常，記錄傳感器輸出信號值分別為xε0、xt0；d)記錄實測環(huán)境下傳感器輸出信號值：啟動試驗設備，達到試驗工作條件后，記錄傳感器輸出信號值分別為xε1、xt1；2)模擬環(huán)境下復現(xiàn)應變測量數(shù)據(jù)a)設計加工標準件：標準件的材料及熱處理工藝要與被測試件一致；b)設計標準件上傳感器安裝位置：通過傳感器安裝位置設計，保證在模擬溫度及機械力加載環(huán)境中，光纖應變傳感器和光纖溫度傳感器安裝位置附近的溫場分布均勻；c)安裝傳感器到標準件：采用標準工藝將光纖應變傳感器和光纖溫度傳感器分別安裝到標準件試驗點位置；d)安裝標準件：將標準件安裝到溫度及機械力加載裝置上，將光纖應變傳感器和光纖溫度傳感器接入解調設備，通過設備操作軟件設置解調參數(shù)，保證數(shù)據(jù)采集解調正常；e)復現(xiàn)實測試驗初始溫度：啟動溫度加載，觀察光纖溫度傳感器的輸出信號值xt2，直至xt2＝xt0時，停止溫度加載，記錄此時加載溫度值t0以及光纖應變傳感器的輸出信號值xε2；f)復現(xiàn)實測試驗工作溫度：繼續(xù)進行溫度加載，觀察光纖溫度傳感器的輸出信號值xt3，直至xt3＝xt1，停止溫度加載，記錄此時加載溫度值t1；g)復現(xiàn)實測試驗加載機械力：啟動機械力加載，觀察光纖應變傳感器的輸出信號值xε3，直至xε3-xε2＝xε1-xε0；h)計算機械力產(chǎn)生的應變：通過測量標準件變形，可計算得到此時標準件由于機械力加載產(chǎn)生的應變ε1；3)應變值獲取a)計算溫度產(chǎn)生的應變：根據(jù)公式εt＝α×(t1-t0)，計算得到溫度加載產(chǎn)生的應變；b)計算實測試驗中應變值：根據(jù)公式ε＝ε1+εt＝ε1+α×(t1-t0)，計算得到被測試件在實測試驗中的應變值。本發(fā)明的一種基于光纖傳感器高溫環(huán)境下的應變測量方法，光纖應變傳感器和光纖溫度傳感器可基于光纖光柵式傳感原理，還可基于f-p干涉式傳感原理。本發(fā)明的一種基于光纖傳感器高溫環(huán)境下的應變測量方法，標準件由機械力加載產(chǎn)生的應變可由撓度計算獲得，還可由伸長/壓縮長度計算獲得。有益效果本發(fā)明對比已有技術有以下顯著創(chuàng)新點：1、本發(fā)明所涉及的高溫環(huán)境下應變測量方法采用標準裝置進行溫度及機械力復現(xiàn)加載，間接實現(xiàn)應變測量的原位校準；2、本發(fā)明所涉及的高溫環(huán)境下應變測量方法復現(xiàn)測試環(huán)境、被測試件狀態(tài)及傳感器安裝，可抵消測量過程中的隱含誤差源。加入上述創(chuàng)新點后，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：1、間接實現(xiàn)應變測量的原位校準，使得高溫環(huán)境下應變測量數(shù)據(jù)可溯源；2、無需對傳感器進行高溫環(huán)境下的參數(shù)(如靈敏系數(shù)、熱輸出等)標定，可直接用于試驗測試，避免了標定過程中引入誤差，同時復現(xiàn)測試環(huán)境、被測試件狀態(tài)及傳感器安裝，抵消了測量過程中的隱含誤差源，可顯著提高高溫環(huán)境下應變測量的準確度。附圖說明圖1為本發(fā)明的一種基于光纖傳感器高溫環(huán)境下的應變測量方法示意圖；圖2為本發(fā)明的測試工作環(huán)境下應變測量的流程圖；圖3為本發(fā)明的模擬環(huán)境下復現(xiàn)應變測量數(shù)據(jù)的流程圖；圖4為本發(fā)明的應變值獲取的流程圖。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。一種基于光纖傳感器高溫環(huán)境下的應變測量方法，包含以下步驟：實施例1步驟一、測試工作環(huán)境下應變測量1)設計被測試件試驗點位置：被測試件材料為k417g，在試驗件中心位置設計安裝試驗點；2)安裝傳感器到被測試件：采用標準安裝工藝將光纖光柵式應變傳感器和光纖光柵式溫度傳感器安裝到試驗點位置；3)記錄試驗前傳感器輸出信號值：將光纖光柵式應變傳感器和光纖光柵式溫度傳感器接入解調設備，通過設備操作軟件設置解調參數(shù)，保證數(shù)據(jù)采集解調正常，記錄傳感器輸出信號值分別為xε0、xt0；4)記錄實測環(huán)境下傳感器輸出信號值：將被測試件安裝到熱風洞試驗區(qū)，啟動熱風洞，待其工作穩(wěn)定后，記錄傳感器輸出信號值分別為xε1、xt1；步驟二、模擬環(huán)境下復現(xiàn)應變測量數(shù)據(jù)5)設計加工標準件：采用k417g材料設計加工標準梁，采用被測試件的熱處理工藝對標準梁進行熱處理；6)設計標準件上傳感器安裝位置：在標準梁中心位置設計傳感器安裝點；7)安裝傳感器到標準件：采用標準安裝工藝將光纖光柵式應變傳感器和光纖光柵式溫度傳感器安裝到標準梁設計試驗點位置；8)安裝標準件：將標準梁安裝到具有溫度加載功能的鋼架梁應變加載裝置，將光纖光柵式應變傳感器和光纖光柵式溫度傳感器接入解調設備，通過設備操作軟件設置解調參數(shù)，保證數(shù)據(jù)采集解調正常；9)復現(xiàn)實測試驗初始溫度：啟動溫度加載，觀察光纖光柵式溫度傳感器的輸出信號值xt2，直至xt2＝xt0時，停止溫度加載，記錄此時加載溫度值t0以及光纖光柵式應變傳感器的輸出信號值xε2；10)復現(xiàn)實測試驗工作溫度：繼續(xù)進行溫度加載，觀察光纖光柵式溫度傳感器的輸出信號值xt3，直至xt3＝xt1，停止溫度加載，記錄此時加載溫度值t1；11)復現(xiàn)實測試驗加載機械力：啟動機械力加載，觀察光纖光柵式應變傳感器的輸出信號值xε3，直至xε3-xε2＝xε1-xε0；12)計算機械力產(chǎn)生的應變：通過激光位移傳感器測量光纖光柵式應變傳感器安裝位置的撓度，根據(jù)撓度-應變計算公式，可得到此時標準梁由于機械力加載產(chǎn)生的應變ε1；步驟三、應變值獲取13)計算溫度產(chǎn)生的應變：根據(jù)公式εt＝α×(t1-t0)，計算得到溫度加載產(chǎn)生的應變εt；14)計算實測試驗中應變值：根據(jù)公式ε＝ε1+εt＝ε1+α×(t1-t0)，計算得到被測試件在實測試驗中的應變值ε。實施例2步驟一、測試工作環(huán)境下應變測量1)設計被測試件試驗點位置：被測試件材料為k417g，在試驗件中心位置設計安裝試驗點；2)安裝傳感器到被測試件：采用標準安裝工藝將光纖光柵式應變傳感器和光纖光柵式溫度傳感器安裝到試驗點位置；3)記錄試驗前傳感器輸出信號值：將光纖光柵式應變傳感器和光纖光柵式溫度傳感器接入解調設備，通過設備操作軟件設置解調參數(shù)，保證數(shù)據(jù)采集解調正常，記錄傳感器輸出信號值分別為xε0、xt0；4)記錄實測環(huán)境下傳感器輸出信號值：將被測試件安裝到熱風洞試驗區(qū)，啟動熱風洞，待其工作穩(wěn)定后，記錄傳感器輸出信號值分別為xε1、xt1；步驟二、模擬環(huán)境下復現(xiàn)應變測量數(shù)據(jù)5)設計加工標準件：采用k417g材料設計加工標準拉伸件，采用被測試件的熱處理工藝對標準拉伸件進行熱處理；6)設計標準件上傳感器安裝位置：在標準拉伸件中心位置設計傳感器安裝點；7)安裝傳感器到標準件：采用標準安裝工藝將光纖光柵式應變傳感器和光纖光柵式溫度傳感器安裝到標準拉伸件設計試驗點位置；8)安裝標準件：將標準拉伸件安裝到具有溫度加載功能的材料拉伸試驗機，將光纖光柵式應變傳感器和光纖光柵式溫度傳感器接入解調設備，通過設備操作軟件設置解調參數(shù)，保證數(shù)據(jù)采集解調正常；9)復現(xiàn)實測試驗初始溫度：啟動溫度加載，觀察光纖光柵式溫度傳感器的輸出信號值xt2，直至xt2＝xt0時，停止溫度加載，記錄此時加載溫度值t0以及光纖光柵式應變傳感器的輸出信號值xε2；10)復現(xiàn)實測試驗工作溫度：繼續(xù)進行溫度加載，觀察光纖光柵式溫度傳感器的輸出信號值xt3，直至xt3＝xt1，停止溫度加載，記錄此時加載溫度值t1；11)復現(xiàn)實測試驗加載機械力：啟動機械力加載，觀察光纖光柵式應變傳感器的輸出信號值xε3，直至xε3-xε2＝xε1-xε0；12)計算機械力產(chǎn)生的應變：通過材料拉伸試驗機獲得標準拉伸件的變形，根據(jù)伸長/壓縮長度-應變計算公式，可得到此時標準拉伸件由于機械力加載產(chǎn)生的應變ε1；步驟三、應變值獲取13)計算溫度產(chǎn)生的應變：根據(jù)公式εt＝α×(t1-t0)，計算得到溫度加載產(chǎn)生的應變εt；14)計算實測試驗中應變值：根據(jù)公式ε＝ε1+εt＝ε1+α×(t1-t0)，計算得到被測試件在實測試驗中的應變值ε。實施例3將實施例1中的光纖光柵式應變傳感器和光纖光柵式溫度傳感器改為f-p干涉式應變傳感器和f-p干涉式溫度傳感器，其余步驟與實施例1相同。實施例4將實施例2中的光纖光柵式應變傳感器和光纖光柵式溫度傳感器改為f-p干涉式應變傳感器和f-p干涉式溫度傳感器，其余步驟與實施例2相同。以上結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發(fā)明權利要求基礎上的改動都是本發(fā)明的保護范圍。當前第1頁12