技术领域
[0001] 本
发明属于光纤测量技术领域，更具体地，本发明涉及一种材料残余
应力的光纤测量装置及监测方法。
背景技术
[0002] 随着光纤光栅传感技术的发展，光纤光栅
传感器在工程结构纵向应变监测领域应用广泛。与传统应变监测所用的
电阻应变片相比，光纤光栅传感器具有波分复用功能，应用一根光纤就可以实现结构多点同时检测，易于大规模组网实现实时分布式测量，同时光纤不受
电磁干扰，不需要与结构材料的绝缘保护，抗化学
腐蚀，在结构健康监测中得到广泛应用。目前光纤光栅极已经成功的应用在航天、海洋平台、土木
桥梁、大跨度空间结构等领域。
[0003] 对于针对材料外表面整体应力释放测试的研究，目前，残余应力的测试方法很多，按照是否破坏被测构件，可将其分为有损测试法和无损测试法两大类。有损测试法常用的方法有剥层法、取条法、钻孔法、切槽法等，在钻孔法中可利用
盲孔法、浅盲孔法来减小钻孔对构件造成的损伤，总的来说，有损测试法的主要原理是结构件破坏性的应力释放，应力释放部分产生相应的位移与应变，利用工具测量出这些位移和应变，然后通过换算得到构件原有的应力。
[0004]
无损检测法是利用材料物理性质的变化或
晶体结构参数的变化测量残余应力，目前常用埋入式、粘贴式或
接触式等方法来布放光纤光栅传感器。
[0005] 对于埋入式的布放方式，常用方式为将光纤直接埋入材料结构中监测应变和
温度，同时材料也会起到对光纤很好的封装保护作用，但光纤光栅埋入会引起其周围应力/应变的集中，同时材料
固化过程中产生的热残余应力也会引起光纤光栅反射
光谱的啁啾，影响光栅的应变测量
精度。
专利号为CN101570067A的“一种用于结构纵向应变监测的智能
复合材料层板制作方法”中研究表明光纤光栅埋入零度材料层间时，对光栅反射光谱影响较少，但材料设计实现困难，且埋入材料的裸光纤十分脆弱，这在大规模工程施工中无法保证安装工艺。
[0006] 对于粘贴式的布放方式，专利号为CN105066898A的“一种表贴式光纤光栅应变传感器的标定方法”表明粘贴式光纤光栅传感器对应变的灵敏度会由于粘贴基底材料及粘贴剂的不同而引起应变传递率的变化，进而导致光纤光栅应变测量值偏离待测件应变真实值；同时在工程上通常用聚酞亚胺
树脂或环
氧树脂胶将光纤光栅传感器粘结在结构表面，但这种粘贴方式使服役过程中光纤特别容易破坏。目前，粘贴式光纤光栅传感器的标定方法没有考虑应变在实际测量中粘贴基底材料及粘贴剂对光纤光栅传感器应变灵敏度的影响，导致实际应变测量结果出现偏差。
发明内容
[0007] 针对上述
现有技术的不足，本发明采用接触式的布放方式，设计了一种接触式的光纤光栅传感阵列来测量材料的残余应力。本发明提出了一种材料残余应力的光纤测量装置及其监测方法，该装置是利用
橡胶加工一个光纤光栅阵列底座，该测量方法是将待测样品放入铺设有光纤光栅阵列的橡胶底上，由于待测样品的自身重力作用或对待测样品施加一定的压力，使材料模型与橡胶底座相互
挤压，从而测量材料模型表面的应力变化，再通过
超声波测量待测样品的响应能力，进而反演出待测样品内部残余应力变化。本发明的目的在于提出一种精度高、结构简单的材料残余应力的光纤测量装置及其监测方法。
[0008] 为了达到上述目的，本发明的一种实施方式采用以下技术方案：
[0009] 一种材料残余应力的光纤测量装置，包括一个实心的长方体橡胶底座，所述橡胶底座的上表面
中轴处有一半球形橡胶底座凹槽，所述橡胶底座凹槽的上表面通过橡胶列布光纤光栅阵列；所述光纤光栅阵列包括第一光纤光栅传感器串和第二光纤光栅传感器串，二者相互垂直布设形成网状结构；所述光纤光栅阵列的尾纤通过
石英护套固定在橡胶底座上，所述尾纤后端与光纤光栅解调装置连接。
[0010] 上述材料残余应力的光纤测量装置中，所述第一光纤光栅传感器串和第二光纤光栅传感器串都是由n个光纤光栅传感器
串联构成,其中，n代表正整数。
[0011] 上述材料残余应力的光纤测量装置中，所述第一光纤光栅传感器串中的光纤光栅传感器平行设置，相互之间间隔为3～5cm，所述第二光纤光栅传感器串中的光纤光栅传感器平行设置，相互之间间隔为3～5cm，光纤光栅传感器的数量n由橡胶底座凹槽的规格决定。
[0012] 进一步的技术方案是，所述光纤光栅阵列包括第一光纤光栅传感器串、第二光纤光栅传感器串和第三光纤光栅传感器串，第一光纤光栅传感器串和第二光纤光栅传感器串在同一平面形成二维网状结构，第三光纤光栅传感器串与所述二维网状结构垂直设置，第三光纤光栅传感器串中的光纤光栅传感器分别位于所述二维网状结构的各个网格
节点处使光纤光栅阵列中每三根光纤光栅传感器在三维空间中
正交。
[0013] 本发明提供了利用上述装置对材料残余应力进行监测的方法，包括以下步骤：
[0014] (1)制备光纤测量装置；
[0015] (2)校准标准模型，利用光纤测量装置测量被测材料样品的残余应力；
[0016] (3)进行仿真测试比较，采用有限元
软件对被测材料样品整体应力变化和某一区域应力变化的情况分别进行仿真分析；
[0017] (4)利用
超声波和光纤测量装置
定位被测材料样品的内部应力。
[0018] 上述材料残余应力的监测方法中，步骤(1)包括以下步骤：
[0019] (1.1)、制备橡胶底座
[0020] 首先根据被测材料样品的尺寸，设计长方
体模具，将橡胶和固化剂按照配比进行调配后注入该长方体模具中，接着将第一半球形模具从上往下放入长方体模具，
压实橡胶和固化剂混合物，使其中部形成凹槽，固化后即得到橡胶底座；其中，所述第一半球形模具的直径小于所述长方体模具的边长；
[0021] (1.2)、铺设光纤光栅传感器，形成光纤光栅阵列
[0022] 首先在橡胶底座的凹槽槽面上铺设第一层光纤光栅传感器串后注入配比相同的橡胶和固化剂的混合物；接着布设第二层光纤光栅传感器串，铺设方向与第一层光纤光栅传感器串的方向相互垂直，形成网状结构的光纤光栅阵列，使得橡胶底座凹槽表面上的每个测量点布置两个正交的光纤光栅传感器测量不同方向的
应力分布，继续注入配比相同的橡胶和固化剂的混合物，使其均匀铺设在第二层光纤光栅传感器串上；待橡胶和固化剂的混合物
凝固后，使用第二半球形模具压实，得到接触式光纤光栅阵列底座；其中，所述第二半球形模具的直径小于橡胶底座的凹槽的内表面直径；
[0023] (1.3)、尾纤与光纤光栅解调装置连接
[0024] 将光纤光栅阵列的尾纤在橡胶底座的出口处预留部分通过石英护套来固定，光纤光栅阵列的尾纤后端与光纤光栅解调装置连接。
[0025] 上述材料残余应力的监测方法中，所述校正标准模型，利用光纤测量装置测量被测材料样品的残余应力，包括以下步骤：
[0026] (2.1)将标准模型放置在光纤测量装置中，测量光纤光栅阵列对标准模型的响应，将响应参数作为参考值，校准光纤测量装置；
[0027] (2.2)将被测材料样品放入光纤测量装置中，通过被测材料样品的重力作用使被测材料样品与橡胶底座相互挤压，测量被测材料样品表面的应力变化；
[0028] (2.3)将被测材料样品的应力变化与标准模型的响应参数进行对比，若光纤测量装置的光纤光栅阵列响应到了被测材料样品的应力变化，保存测试结果，测试结束，否则，对被测材料样品加载静态
载荷或者动态载荷，直到光纤光栅阵列响应到被测材料样品的应力变化。
[0029] 上述材料残余应力的监测方法中，对被测材料样品加载静态载荷的方法为：将被测材料样品和光纤测量装置放置在同一个可移动的平台上，平台上方设置带顶盖的机匣，固定机匣
位置，缓慢向上移动所述可移动的平台，直至机匣的顶盖对被测材料样品施加载荷，被测材料样品所受载荷的大小与平台移动的位移成正比。
[0030] 上述材料残余应力的监测方法中，对被测材料样品加载动态载荷的方法为：将所述光纤测量装置固定在
振动台上，通过振动台对被测材料样品施加振动
信号。
[0031] 上述材料残余应力的监测方法中，利用超声波和光纤测量装置定位被测材料样品的内部应力的步骤如下：
[0032] (4.1)在被测材料样品表面的圆周方向上等间距选择测量点；
[0033] (4.2)利用超声源对任一测量点发出特定
频率的超声信号，采集不同位置的光纤光栅传感器对超声信号的响应时间；
[0034] (4.3)移动超声源位置，重复步骤(4.2)，采集光纤光栅阵列的响应信号；
[0035] (4.4)结合有限元软件，分析被测样品材料内部应力的分布。
[0036] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0037] 本发明提供了一种材料残余应力的光纤测量装置，解决了材料在受载复杂，环境多变的情况下难以监测表面与内部残余应力的释放过程的技术问题。本发明通过设计一种材料残余应力的光纤测量装置，研究高精度的材料残余应力无损测试方法，具有结构简单，精度高等特点。
[0038] 本发明提供了一种材料残余应力的监测方法，通过加载静态载荷或动态载荷的方法对材料外表面进行了整体应力释放测试；基于超声波和接触式光纤光栅传感阵列对材料内部应力释放测试进行了研究，根据不同传感器对超声信号的响应时间，定位材料内部应力不均匀处，再结合有限元软件，得到较为准确的材料内部残余应力的分布。
附图说明
[0039] 图1为本发明被测材料形貌与光纤测量装置整体示意图；
[0040] 图2为本发明铺设光纤光栅阵列二维方向的剖面结构示意图；
[0041] 图3为本发明其中一条传感器串的工作原理示意图；
[0042] 图4为本发明光纤测量装置的橡胶底座及光纤光栅阵列制作流程示意图；
[0043] 图5为本发明接触式光纤光栅传感阵列测量材料残余应力流程示意图；
[0044] 图6为本发明静态载荷加载方法示意图；
[0045] 图7为本发明动态载荷加载方法示意图；
[0046] 图8为本发明被测材料球壳与光纤光栅传感阵列底座结构接触示意图；
[0047] 图9为本发明接触式光纤光栅阵列测量材料残余应力仿真结果示意图；
[0048] 图10为本发明超声在材料内部传播示意图；
[0049] 图11为本发明超声和光纤光栅阵列定位材料内部应力不均匀处
流程图示意图；
[0050] 图12为本发明对材料残余应力演变过程的
有限元分析流程图；
[0051] 图13为本发明
实施例2铺设光纤光栅阵列三维方向的剖面结构示意图。
具体实施方式
[0052] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0053] 实施例1
[0054] 结合图1～3，本发明公开了一种材料残余应力的光纤测量装置，包括橡胶底座1、橡胶底座凹槽2、第一光纤光栅传感器串3、橡胶4、第二光纤光栅传感器串5、石英护套6、光纤光栅解调装置7，所述橡胶底座1是一个边长为700～1000mm的长方体橡胶实心结构，中间部分有个半径为200～300mm的半球形橡胶底座凹槽2；两个光纤光栅传感器串组成光纤光栅阵列，通过布设第一光纤光栅传感器串3和第二光纤光栅传感器串5使得光纤光栅阵列呈网状结构，所述第一光纤光栅传感器串3第二光纤光栅传感器串5都是由相同的n个光纤光栅传感器串联构成，所述光纤光栅传感器的数量n由橡胶底座凹槽2的规格决定，n代表正整数。光纤光栅传感器是选用标
准直径125μm的光纤，同时在光纤上刻写中心
波长不同的光栅，相邻光纤光栅传感器间隔30～50mm，每个光纤光栅的长度相同，光栅的中心波长可控制在1510～1590nm间。光纤光栅阵列呈网状结构，在每一个测点上布设光纤光栅传感器相互垂直正交，测量不同方向的应力分布，在橡胶底座凹槽2内铺设过程中保证每条传感器串在
水平和竖直方向上平行是数量相同。
[0055] 光纤光栅阵列的尾纤在橡胶底座1的出口处预留部分通过石英护套6来固定，最后光纤光栅阵列的尾纤与光纤光栅解调装置7连接。
[0056] 材料残余应力的监测方法利用了上述装置，包括以下四个步骤：
[0057] (1)制备光纤测量装置；
[0058] (2)校准标准模型，利用光纤测量装置测量被测材料样品的残余应力；
[0059] (3)进行仿真测试比较，采用有限元软件对被测材料样品整体应力变化和某一区域应力变化的情况分别进行仿真分析；
[0060] (4)利用超声波和光纤测量装置定位被测材料样品的内部应力。
[0061] 图4展示了光纤测量装置的制备过程，包括制备橡胶底座、铺设光纤光栅传感器形成光纤光栅阵列，以及尾纤与光纤光栅解调装置连接。第一步，首先根据被测材料样品的尺寸，设计长方体模具8，根据长方体模具8的体积，估计橡胶与固化剂的混合物的用量，A组分是橡胶，B组分是固化剂，用
电子称称量所需橡胶，再按一定的比例称量固化剂，一般固化剂的添加量是2％～3％，橡胶与固化剂搅拌均匀形成混合物。橡胶与固化剂必须搅拌均匀，如果没有搅拌均匀，模具内的橡胶会出现一
块已经固化，一块没有固化，橡胶会出现干燥固化不均匀的状况，影响橡胶的使用寿命及翻模次数，甚至造成模具报废状况；将搅拌好的橡胶倒入模具，接着将第一半球形模具9从上往下放入长方体模具，压实橡胶和固化剂混合物，使其中部形成凹槽，固化后即得到橡胶底座；其中，所述第一半球形模具的直径小于所述长方体模具的边长；第二步，首先在橡胶底座的凹槽槽面上铺设第一层光纤光栅传感器串后注入配比相同的橡胶和固化剂的混合物；接着布设第二层光纤光栅传感器串，铺设方向与第一层光纤光栅传感器串的方向相互垂直，形成网状结构的光纤光栅阵列，使得橡胶底座凹槽表面上的每个测量点布置两个正交的光纤光栅传感器测量不同方向的应力分布，继续注入配比相同的橡胶和固化剂的混合物，使其均匀铺设在第二层光纤光栅传感器串上；待橡胶和固化剂的混合物凝固后，使用第二半球形模具10压实，得到接触式光纤光栅阵列底座；其中，所述第二半球形模具的直径小于橡胶底座的凹槽的内表面直径；第三步将光纤光栅阵列的尾纤在橡胶底座的出口处预留部分通过石英护套来固定，光纤光栅阵列的尾纤后端与光纤光栅解调装置连接。
[0062] 图5为材料残余应力的监测方法流程，校正标准模型，利用光纤测量装置测量被测材料样品的残余应力，包括以下步骤：将标准模型放置在光纤测量装置中，测量光纤光栅阵列对标准模型的响应，将响应参数作为参考值，校准光纤测量装置；将被测材料样品放入光纤测量装置中，通过被测材料样品的重力作用使被测材料样品与橡胶底座相互挤压，测量被测材料样品表面的应力变化；将被测材料样品的应力变化与标准模型的响应参数进行对比，若光纤测量装置的光纤光栅阵列响应到了被测材料样品的应力变化，保存测试结果，测试结束，否则，对被测材料样品加载静态载荷或者动态载荷，直到光纤光栅阵列响应到被测材料样品的应力变化。
[0063] 如图6和图7显示了加载静态载荷和动态载荷的方法。对被测材料样品加载静态载荷的方法为：将被测材料样品和光纤测量装置放置在同一个可移动的平台上，平台上方设置带顶盖的机匣，固定机匣位置，缓慢向上移动所述可移动的平台，直至机匣的顶盖对被测材料样品施加载荷，被测材料样品所受载荷的大小与平台移动的位移成正比。对被测材料样品加载动态载荷的方法为：将所述光纤测量装置固定在振动台上，对振动台施加一个垂直于振动
台面的周期信号，测量光纤光栅阵列的动态响应。
[0064] 本发明的一种材料残余应力的监测方法，所述的步骤(3)进行仿真测试比较，采用有限元软件对被测材料整体应力变化和某一区域应力变化的情况分别进行了仿真分析。采用的方法是采用Comsol软件对材料球壳整体应力变化和某一区域应力变化的情况分别进行了仿真分析。仿真过程中，设定材料的
杨氏模量为10GPa，泊松比为0.33，
密度为7850kg/m3；橡胶底座的杨氏模量为7.8Mpa，泊松比0.48，密度为1030kg/m3。结合图8所示为本发明被测材料球壳与光纤光栅阵列底座结构示意图；在仿真过程中，当材料球壳整体残余应力为2Mpa和某一区域残余应力为2Mpa时光纤光栅阵列所处橡胶膜层的应力分布。当残余应力从0.2Mpa变化到2Mpa时，光纤光栅阵列所处橡胶膜层某一点的应变变化，即某一光纤光栅传感器的应变响应如图9所示。由图可知，光纤光栅传感器对残余应力的响应约为28με/Mpa。采用波长解调方案时，光栅传感器的测试精度为1με，则该传感系统测量材料的残余应力的精度高于0.04Mpa，远高于现有技术需求。
[0065] 结合图10，本发明一种材料残余应力的监测方法，基于超声和接触式光纤光栅传感阵列，进行材料内部残余应力测试。超声测量材料内部残余应力的基本原理是当超声经过材料内部某一应力不均匀处时，会向各个方向散射，从而引起传感器响应超声信号时间的差异。利用超声和接触式光纤光栅传感阵列进行材料内部残余应力测试的难点在于光纤光栅传感阵列如何快速响应内部残余应力引起的响应时间变化。
[0066] 结合图11，本发明一种材料残余应力的监测方法，所述的步骤(4)的利用超声和光纤测量装置的接触式光纤光栅阵列定位材料的内部应力的步骤如下：在被测材料样品表面的圆周方向上等间距选择几个测量点；对某一测试点加载超声信号，利用超声源对某一测量点发出特定频率的超声信号，不同位置的光栅传感器响应超声信号的时间会有一定差异，采集不同位置的光纤光栅传感器对超声信号的响应时间；移动超声源位置，
测量传感器对其他测试点的信号响应，采集光纤光栅阵列的响应信号；结合有限元软件，分析被测样品材料内部应力的分布。
[0067] 由于超声频率较高，无源光纤光栅利用
相位解调方法也可以实现。但是由于橡胶将较大程度吸高频振动，为提高传感器的灵敏度，可以采用有源光纤光栅DFB代替无源光纤光栅，采用相位解调方案。
[0068] 超声测量材料内部残余应力时选择980nm的
泵浦源经过WDM后进入有源光栅DFB阵列，DFB被激励起的激光进入不等臂迈克尔逊干涉仪，光束在输入端一分为二，进入干涉仪的两臂独立传播产生
相位差，在其中一路通过AOM加载高频信号，在输出端形成干涉信号，利用密集波分复用(DWDM)技术将光栅阵列中不同波长的干涉信号分离，用探测
电路探测干涉信号的光功率变化，得到传感信息。该方案可以使传感器的灵敏度提高2～3个量级。
[0069] 在制作接触式光纤光栅传感阵列底座时，在特定位置布设有源光纤光栅传感器测量超声信号，第m个传感器和第n个传感器之间的距离为Smn。选用合适的超声源对被测材料发出特定频率的超声信号，当超声经过被测材料内部某一应力分布不均匀处，会向其它方向散射，其在被测材料内部的传播路径发生变化，从而引起不同位置光纤光栅传感器响应信号时间的变化，不同位置的传感器响应时间有一定差异，分别记为t1，t2，……tn。根据不同传感器对超声信号的响应时间，可以定位出被测材料内部应力不均匀处，若解调系统的
采样率为10MHz，系统可以有效分辨的时间信号为1μs，超声波在被测材料中的传播速度为几km/s，则光纤光栅传感阵列的定位精度可达cm量级。
[0070] 本发明采用有限元软件基于通用的软件ABAQUS及其二次开发技术，针对结构件应力演变过程的有限分析。对被测材料处理、加热、固化等环节分别建立有限元仿真分析模型，根据各个环节外载荷加载方式和内应力场演变的空间尺度合理设定网格尺寸。通过
工件内应力场映射关联各个制造环节，得到完整的工件内应力场演变及加工
变形分析模型。本发明利用Python语言进行ABAQUS的二次开发，实现相应部位内残余应力的自动施加，然后执行有限元的计算，其流程结合图12所示。
[0071] 根据本发明一种材料残余应力的光纤测量装置及其监测方法，采用接触式光纤光栅传感阵列对材料残余应力的实际测试结果和有限元软件的仿真分析，发展针对材料的力、热、振及其耦合原位加载与实验数据解析技术，研究材料在力、热、振及耦合条件下的残余应力场演变规律，探索材料内部残余应力分布的表征方法。将光纤光栅传感阵列的实际测试结果，以点及面、以面及体，模拟残余应力，并开发
数据处理软件，使材料残余应力分布结果
可视化。
[0072] 实施例2
[0073] 本实施例与实施例1相同，其区别主要在于：
[0074] 结合图13，本实施例展示了一种基于光纤测量材料形貌装置，铺设三维光纤光栅阵列，将每三条带有多个光栅的光纤传感器串相互垂直铺设，确保每个光栅相互垂直分布，并通过橡胶4铺设在内径为200～300mm的橡胶底座凹槽2内。在橡胶底座凹槽2内铺设过程中保证每条传感器串在水平和竖直方向上平行又数量相同。最后将水平方向构成网状结构的光纤光栅传感器串上面均匀铺设相同厚度的同等比例橡胶4，使橡胶底座凹槽2表面构成一层橡胶4
薄膜；并在竖直方向上光纤光栅传感器串上的光栅与水平方向的光栅相互垂直，且在竖直方向铺设3-5层；其他步骤相同。
[0075] 尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的
修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本
申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
