高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明實施例公開了高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器，涉及力學傳感器技術領域，能夠以較低的成本在高溫環(huán)境下大變形結構的應變測量。該應變傳感器由保護盒、彈簧和藍寶石光纖組成；彈簧為圓柱螺旋彈簧，兩根藍寶石光纖分別集成在不同的彈簧中；保護盒由兩個可相對移動的盒子組成，兩根藍寶石光纖封裝在保護盒內(nèi)，兩根藍寶石光纖各自的一端分別與組成保護盒不同的盒子連接，在保護盒的兩側用耐高溫粘結劑與結構表面貼合；一根藍寶石光纖所集成在的彈簧與保護盒進行位置固定，并用于應變測量；另一根藍寶石光纖集成在的彈簧與保護盒之間不進行位置固定，并用于測量環(huán)境導致光纖的變形量。本發(fā)明適用于高溫環(huán)境下的大變形測量。
【專利說明】
高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及力學傳感器技術領域，尤其涉及高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器。
【背景技術】
[0002]隨著飛行器設計技術的不斷發(fā)展，飛行器的運行環(huán)境也變得越來越復雜，高溫、高壓、腐蝕等惡劣環(huán)境會對飛機結構造成一定的影響。為了在試飛和日常維護中能夠準確掌握飛機結構的情況，尤其是在高溫環(huán)境下通過應變傳感器探測飛機結構的應力變化。并且，在目前的設計中也提出了柔性結構的概念，柔性結構的變形相比于常規(guī)結構而言變形量會比較大。
[0003]針對高溫環(huán)境測量，當前應用較為成熟的是光纖傳感器，但是光纖傳感器只能測量常規(guī)應變，由于光纖本身的特性，如瑞利散射、固有吸收、彎曲擠壓等造成的光纖衰減，會減少光纖的使用壽命，使得光纖傳感器難以夠承受大變形。
[0004]因此，目前缺乏成本較低且能夠有效應用在高溫環(huán)境下承受大變形的測量的應變傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的實施例提供高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器，能夠以較低的成本在高溫環(huán)境下大變形結構的應變測量。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明的實施例采用如下技術方案:
[0007]所述應變傳感器由保護盒、彈簧和藍寶石光纖組成；
[0008]所述彈簧為圓柱螺旋彈簧，兩根藍寶石光纖分別集成在不同的彈簧中，其中，一根藍寶石光纖集成在一個彈簧的螺旋線位置，且與彈簧的金屬管壁之間的空閑區(qū)域通過密封膠進行位置固定；
[0009]所述保護盒由兩個可相對移動的盒子組成，兩根藍寶石光纖封裝在所述保護盒內(nèi)，兩根藍寶石光纖各自的一端分別與組成所述保護盒不同的盒子連接，所述在保護盒的兩側用耐高溫粘結劑與結構表面貼合；
[0010]—根藍寶石光纖所集成在的彈簧與所述保護盒進行位置固定，并用于應變測量；另一根藍寶石光纖集成在的彈簧與所述保護盒之間不進行位置固定，并用于測量環(huán)境導致光纖的變形量。
[0011]本發(fā)明實施例提供的用于高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器，利用彈簧結構的變形特點，將藍寶石光纖集成在彈簧的螺旋線位置，從而將結構的大變形轉化為纖維的小變形，實現(xiàn)大變形結構的應變測量。所使用的藍寶石單晶由于具有極好的高溫物理化學性能，熔點最高可達2045°C，是一種優(yōu)良的紅外耐高溫光學材料，非常適用于高溫下應變測量使用，利用藍寶石光纖的高溫特性，使得本實施例中的藍寶石光纖應變傳感器可以在1000°C以下的溫度工作，適合目前絕大多數(shù)高溫惡劣使用環(huán)境，且應變測量范圍至少是目前常用應變片測量范圍的10倍以上，適合目前絕大多數(shù)大變形結構的應變測量。應變傳感器的量程可以通過改變彈簧尺寸實現(xiàn)改變成本低廉且易操作，可靠性高。從而實現(xiàn)了以較低的成本在高溫環(huán)境下大變形結構的應變測量。
【附圖說明】
[0012]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0013]圖1為本發(fā)明實施例提供的應變傳感器的左視圖；
[0014]圖2為本發(fā)明實施例提供的應變傳感器的剖視圖；
[0015]圖3為本發(fā)明實施例提供的應變傳感器中的藍寶石光纖的集成方式示意圖；
[0016]圖4為本發(fā)明實施例提供的應變傳感器中的黏貼區(qū)域的示意圖。
【具體實施方式】
[0017]為使本領域技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述。下文中將詳細描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數(shù)形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數(shù)形式。應該進一步理解的是，本發(fā)明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關聯(lián)的列出項的任一單元和全部組合。本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發(fā)明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現(xiàn)有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0018]本發(fā)明實施例提供高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器，如圖1、2和4所示的，所述應變傳感器由保護盒、彈簧和藍寶石光纖組成。
[0019]所述彈簧為圓柱螺旋彈簧，兩根藍寶石光纖分別集成在不同的彈簧中，其中，一根藍寶石光纖集成在一個彈簧的螺旋線位置，且與彈簧的金屬管壁之間的空閑區(qū)域通過密封膠進行位置固定。
[0020]在本實施例中，如圖1、2和4所示的，由于藍寶石光纖的尺寸比較小，由其構成的彈簧結構穩(wěn)定性較差，因此將其集成在圓柱螺旋彈簧的螺旋線位置，通過藍寶石光纖測量出線圈的扭轉量，光纖與彈簧管壁之間用密封膠進行位置固定。
[0021]其中，所述彈簧的管壁的直徑為0.5mm，所述彈簧的管壁的材料采用GH99高溫合金。例如:如圖1和3所示的，采用直徑為0.5mm的耐高溫的金屬管作為彈簧的外殼，
[0022]具體的，所述保護盒采用工業(yè)304不銹鋼，所述密封膠采用1280°C耐高溫密封膠。在實際應用中，可以通過標定彈簧伸長量與彈簧螺旋扭轉角之間的關系，作為放大倍數(shù)。
[0023]所述保護盒由兩個可相對移動的盒子組成，兩根藍寶石光纖封裝在所述保護盒內(nèi)，兩根藍寶石光纖各自的一端分別與組成所述保護盒不同的盒子連接，所述在保護盒的兩側用耐高溫粘結劑與結構表面貼合。例如:如圖4所示的，在保護盒的兩端是粘結區(qū)域，通過耐高溫粘結劑與結構表面連接在一起。
[0024]—根藍寶石光纖所集成在的彈簧與所述保護盒進行位置固定，并用于應變測量。另一根藍寶石光纖集成在的彈簧與所述保護盒之間不進行位置固定，并用于測量環(huán)境導致光纖的變形量。
[0025]在本實施例中，采用彈簧形式作為應變傳感器對的放大形式，由于彈簧的伸長量與線圈扭轉量之間是存在線性關系，因此只需通過藍寶石光纖測出線圈的扭轉量，結合對應的放大關系就可以得出光纖的伸長量。本實施例中具體采用圓柱形螺旋彈簧，彈簧的剛度與圓柱直徑的四次方成正比，螺旋節(jié)徑的三次方成反比。為了減小彈簧本身對測量的影響，應適當降低彈簧的剛度，因此采用較小的圓柱直徑與相對較大的螺旋節(jié)徑。例如:所述彈簧的圓柱直徑小于第一閾值，所述彈簧的螺旋節(jié)徑大于第二閾值，所述第二閾值大于所述第一閾值。對于圓柱形螺旋彈簧而言，彈簧的剛度與圓柱直徑的四次方成正比，螺旋節(jié)徑的三次方成反比。為了減小彈簧本身對測量的影響，應適當降低彈簧的剛度，因此采用較小的圓柱直徑與相對較大的螺旋節(jié)徑。為了實現(xiàn)高溫測量的目的，彈簧薄壁材料采用GH99高溫合金。其中，彈簧的放大倍數(shù)可以通過事先通過彈簧伸長量與線圈扭轉量之間的關系進行標定。
[0026]在本實施例的優(yōu)選方案中，如圖1、2、3和4所示的，具體采用圓柱螺旋彈簧的放大形式，所述彈簧的中間主螺旋長為20mm，螺距為3mm，螺旋節(jié)徑為10mm。所述彈簧的兩側過渡螺旋長為0.5mm，螺距為1_，螺旋節(jié)徑為5_。通過藍寶石光纖測出螺旋扭轉量，再結合一定的放大形式，得出藍寶石光纖的變形量。
[0027]在本實施例的優(yōu)選方案中，同時為了消除環(huán)境溫度對傳感器測量的影響，采用差值補償?shù)姆椒?，即在保護盒內(nèi)部布置兩根纖維，一根作為應變測量使用，與保護盒固定在一起，與之一起變形。另一根作為環(huán)境補償使用，與保護盒之間沒有固定連接，測量出環(huán)境導致光纖的變形量。例如:如圖1所示，①號彈簧管用來消除溫度對測量的影響，它只測量溫度導致彈簧管的變形，與保護盒之間沒有任何固定連接，所測結構的變形不會導致它的變形。②號彈簧管與保護盒之間采用密封膠進行固定連接，用于測量出溫度和結構變形導致的彈簧管的變形量。因此兩根彈簧管測出的應變值通過差值補償?shù)姆椒ň涂梢韵h(huán)境溫度對測量的影響。
[0028]本發(fā)明實施例提供的用于高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器，利用彈簧結構的變形特點，將藍寶石光纖集成在彈簧的螺旋線位置，從而將結構的大變形轉化為纖維的小變形，實現(xiàn)大變形結構的應變測量。所使用的藍寶石單晶由于具有極好的高溫物理化學性能，熔點最高可達2045°C，是一種優(yōu)良的紅外耐高溫光學材料，非常適用于高溫下應變測量使用，利用藍寶石光纖的高溫特性，使得本實施例中的藍寶石光纖應變傳感器可以在1000°C以下的溫度工作，適合目前絕大多數(shù)高溫惡劣使用環(huán)境，且應變測量范圍至少是目前常用應變片測量范圍的10倍以上，適合目前絕大多數(shù)大變形結構的應變測量。應變傳感器的量程可以通過改變彈簧尺寸實現(xiàn)改變成本低廉且易操作，可靠性高。從而實現(xiàn)了以較低的成本在高溫環(huán)境下大變形結構的應變測量。
[0029]本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于設備實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器，其特征在于，所述應變傳感器由保護盒、彈簧和藍寶石光纖組成； 所述彈簧為圓柱螺旋彈簧，兩根藍寶石光纖分別集成在不同的彈簧中，其中，一根藍寶石光纖集成在一個彈簧的螺旋線位置，且與彈簧的金屬管壁之間的空閑區(qū)域通過密封膠進行位置固定； 所述保護盒由兩個可相對移動的盒子組成，兩根藍寶石光纖封裝在所述保護盒內(nèi)，兩根藍寶石光纖各自的一端分別與組成所述保護盒不同的盒子連接，所述在保護盒的兩側用耐高溫粘結劑與結構表面貼合； 一根藍寶石光纖所集成在的彈簧與所述保護盒進行位置固定，并用于應變測量；另一根藍寶石光纖集成在的彈簧與所述保護盒之間不進行位置固定，并用于測量環(huán)境導致光纖的變形量。2.根據(jù)權利要求1所述的用于高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器，其特征在于，所述彈簧的圓柱直徑小于第一閾值，所述彈簧的螺旋節(jié)徑大于第二閾值，所述第二閾值大于所述第一閾值。3.根據(jù)權利要求2所述的用于高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器，其特征在于，所述彈簧的中間主螺旋長為20mm，螺距為3mm，螺旋節(jié)徑為1mm;所述彈簧的兩側過渡螺旋長為0.5mm，螺距為1mm，螺旋節(jié)徑為5mm。4.根據(jù)權利要求2所述的用于高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器，其特征在于，所述彈簧的管壁的直徑為0.5_，所述彈簧的管壁的材料采用GH99高溫合金。5.根據(jù)權利要求1-5中任意一項所述的用于高溫環(huán)境下承受大變形的應變傳感器，其特征在于，所述保護盒采用工業(yè)304不銹鋼，所述密封膠采用1280 V耐高溫密封膠。
【文檔編號】G01B11/16GK105910547SQ201610266481
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】周麗, 陸深波, 邱濤
【申請人】南京航空航天大學