全文摘要
本实用新型提供了一种金属结构应变监测单元和监测装置。其中，监测单元包括光纤，光纤上形成有至少一个应变测量光纤光栅；以及设置于光纤的至少一端的光纤接头，光纤接头用于接收或输出光纤信号数据；其中，光纤的表面镀有金属镀层，不仅有利于光纤信号的准确传输，还可对光纤结构进行防护，大幅度增加光纤的使用寿命。从而，本实用新型提供的监测单元及监测装置适于对金属结构的应变状态进行长期在线监测，以得到金属结构应力状态的实时数据。
主设计要求
1.一种金属结构应变监测单元，其特征在于，包括：光纤，所述光纤上形成有至少一个应变测量光纤光栅；以及设置于所述光纤的至少一端的光纤接头，所述光纤接头用于接收或输出光纤信号数据；其中，所述光纤的表面镀有金属镀层。
设计方案
1.一种金属结构应变监测单元，其特征在于，包括：
光纤，所述光纤上形成有至少一个应变测量光纤光栅；以及
设置于所述光纤的至少一端的光纤接头，所述光纤接头用于接收或输出光纤信号数据；
其中，所述光纤的表面镀有金属镀层。
2.根据权利要求1所述的金属结构应变监测单元，其特征在于，所述金属镀层包括下述一种或者多种金属层：镍层、铜层、铬层、铜锡合金层。
3.根据权利要求1所述的金属结构应变监测单元，其特征在于，所述金属镀层的厚度为0.2mm以上。
4.根据权利要求3所述的金属结构应变监测单元，其特征在于，所述光纤上形成有多个相串联的所述应变测量光纤光栅。
5.根据权利要求1所述的金属结构应变监测单元，其特征在于，所述监测单元还包括第一支撑部，所述第一支撑部包括固定在被测金属结构上的第一安装块和第二安装块；所述应变测量光纤光栅以预紧状态固定在所述第一安装块和所述第二安装块之间。
6.根据权利要求5所述的金属结构应变监测单元，其特征在于，所述应变测量光纤光栅两端的光纤通过焊接、挤压连接或卡接的形式，分别固定在所述第一安装块和所述第二安装块上。
7.根据权利要求1所述的金属结构应变监测单元，其特征在于，所述光纤上还形成有与所述应变测量光纤光栅相串联的温度补偿光纤光栅，所述温度补偿光纤光栅用于对所述应变测量光纤光栅的测量结果进行温度补偿。
8.根据权利要求7所述的金属结构应变监测单元，其特征在于，所述监测单元还包括第二支撑部，所述第二支撑部包括固定设置于被测金属结构上的第三安装块以及滑动设置于被测金属结构上的第四安装块；所述温度补偿光纤光栅以拉直状态固定在所述第三安装块和所述第四安装块之间；
其中，所述第四安装块的滑动方向与所述温度补偿光纤光栅的长度方向一致。
9.根据权利要求8所述的金属结构应变监测单元，其特征在于，所述第二支撑部还包括支撑梁，所述第三安装块和所述第四安装块分别固定在所述支撑梁的两端；
其中，所述支撑梁的热膨胀系数为被测金属结构热膨胀系数的0～0.1倍。
10.根据权利要求8所述的金属结构应变监测单元，其特征在于，所述第二支撑部还包括位于所述第四安装块下方的支撑块，所述支撑块固定连接在被测金属结构的表面，所述第四安装块滑动设置于所述支撑块的表面。
11.根据权利要求10所述的金属结构应变监测单元，其特征在于，所述第四安装块与所述支撑块之间的静摩擦系数小于0.2。
12.一种金属结构应变监测装置，其特征在于，所述监测装置包括相互串联的多个监测单元，所述监测单元为权利要求1～11任一所述的监测单元，相邻的所述监测单元之间通过所述光纤接头相连。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及金属结构健康监测领域，尤其涉及一种金属结构应变监测单元、监测装置以及一种应变测量光纤光栅的预紧方法。
背景技术
工程装备金属结构外形多样，受力状态复杂多变。为了保证工程装备的安全使用，需及时掌握其金属结构的健康状态，一旦发现初始裂纹等病害应尽快修复，避免发生安全事故。但是，由于工程装备的工作环境通常比较恶劣，例如，电磁辐射、粉尘、潮湿环境等，现在的检测装置无法长时间可靠工作，因此，现有的检测装置无法对工程装备的金属结构进行长期在线监测，而只能采用定期检测的方法，从而只能获得金属结构在特定时间点(检测日期)的状态数据，而无法获得无间断的实时监测数据。
实用新型内容
本实用新型的一个目的在于提供一种金属结构应变监测单元\/监测装置，可以长时间可靠工作，从而可以对金属结构进行在线实时监测。
本实用新型首先提供了一种金属结构应变监测单元，包括：光纤，所述光纤上形成有至少一个应变测量光纤光栅；以及设置于所述光纤的至少一端的光纤接头，所述光纤接头用于接收或输出光纤信号数据；其中，所述光纤的表面镀有金属镀层。
可选地，所述金属镀层包括下述一种或者多种金属层：镍层、铜层、铬层、铜锡合金层。
可选地，所述金属镀层的厚度为0.2mm以上。
可选地，所述光纤上形成有多个相串联的所述应变测量光纤光栅。
可选地，所述监测单元还包括第一支撑部，所述第一支撑部包括固定在被测金属结构上的第一安装块和第二安装块；所述应变测量光纤光栅以预紧状态固定在所述第一安装块和所述第二安装块之间。可选地，所述应变测量光纤光栅两端的光纤通过焊接、挤压连接或卡接的形式，分别固定在所述第一安装块和所述第二安装块上。
可选地，所述光纤上还形成有与所述应变测量光纤光栅相串联的温度补偿光纤光栅，所述温度补偿光纤光栅用于对所述应变测量光纤光栅的测量结果进行温度补偿。
可选地，所述监测单元还包括第二支撑部，所述第二支撑部包括固定设置于被测金属结构上的第三安装块以及滑动设置于被测金属结构上的第四安装块；所述温度补偿光纤光栅以拉直状态固定在所述第三安装块和所述第四安装块之间；其中，所述第四安装块的滑动方向与所述温度补偿光纤光栅的长度方向一致。
可选地，所述第二支撑部还包括支撑梁，所述第三安装块和所述第四安装块分别固定在所述支撑梁的两端；其中，所述支撑梁的热膨胀系数为被测金属结构热膨胀系数的0～0.1倍。
可选地，所述第二支撑部还包括位于所述第四安装块下方的支撑块，所述支撑块固定连接在被测金属结构的表面，所述第四安装块滑动设置于所述支撑块的表面。
可选地，所述第四安装块与所述支撑块之间的静摩擦系数小于0.2(包括0.2)。
本实用新型还提供了一种金属结构应变监测装置，所述监测装置包括相互串联的多个监测单元，所述监测单元为上述任一所述的监测单元，相邻的所述监测单元之间通过所述光纤接头相连。
本实用新型还提供了一种应变测量光纤光栅的预紧方法，适于安装上述监测单元的所述应变测量光纤光栅，所述预紧方法包括以下步骤：
将所述应变测量光纤光栅固定在所述第一安装块与所述第二安装块之间；
准备预紧工具，所述预紧工具包括固定块以及可相对所述固定块沿直线移动的移动块；
将所述固定块固定在所述第一安装块上，将所述移动块固定在所述第二安装块上；
移动所述移动块，以增加所述第一安装块与所述第二安装块之间的间距，直至所述应变测量光纤光栅被拉伸至设定长度；
将所述第一安装块和所述第二安装块固定在被测金属结构上。
可选地，所述固定块与所述第一安装块通过卡合的方式连接；所述移动块与所述第二安装块通过卡合的方式连接。
本实用新型提供的金属结构应变监测单元及监测装置，在光纤的表面镀设金属镀层，不仅有利于光纤信号的准确传输，还可对光纤结构进行防护，大幅度增加光纤的使用寿命。从而，本实用新型提供的监测单元及监测装置适于对金属结构的应变状态进行长期在线监测，以得到金属结构应力状态的实时数据。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的金属结构应变监测单元的结构示意图；
图2为本实用新型实施例提供的应变测量光纤光栅的安装示意图；
图3为本实用新型实施例提供的应变测量光纤光栅的预紧方法示意图；
图4为本实用新型实施例提供的温度补偿光纤光栅的安装示意图；
图5为本实用新型实施例提供的金属结构应变监测装置的结构示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。虽然本实用新型的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此实用新型的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作实用新型介绍的目的是为了覆盖基于本实用新型的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本实用新型的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本实用新型也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本实用新型的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
参考图1，本实施例提供了一种金属结构应变监测单元10，监测单元10包括光纤11以及设置于光纤11至少一端的光纤接头14，光纤接头14用于接收或输出光纤信号数据，例如，接收相邻光纤11的数据或向相邻光纤11输出数据，又如，向信号采集仪输出数据。光纤接头14的数量可以是一个，设置在光纤11的一端；光纤接头14的数量也可以是两个，分别设置在光纤11的两端。进一步地，光纤11上形成有应变测量光纤光栅12，用于测量金属结构的应变。
需要说明的是，在光纤11上形成光纤光栅(包括这里的应变测量光纤光栅12，以及下文将提及的温度补偿光纤光栅13等)是本领域公知的技术，例如通过驻波法、蚀刻法等在光纤11的表面形成光纤光栅，不作详述。
本实用新型中，在光纤11的表面(包括光纤光栅的表面)镀有金属镀层。金属镀层的作用在于：1.由于金属镀层具有不透光性，从而可屏蔽外界光照对光纤信号的干扰；2.金属具有较高的强度，从而可对光纤11进行保护，并增加监测单元10的强度。
也就是说，本实用新型通过在光纤11的表面镀设金属镀层，不仅有利于光纤信号的准确传输，保证测量的准确性，还可对光纤11结构进行防护，大幅度增加光纤11的使用寿命。从而，本实用新型提供的监测单元10可在金属结构的各类工作环境下长期可靠地工作，适于对金属结构的应变状态进行长期在线监测，以便得到金属结构应力状态的实时数据。
本实施例中，金属镀层的厚度为0.2mm以上，该厚度的金属镀层具有一定的焊接性能，使得监测单元10可被直接焊接在被测金属结构或其他安装结构上。金属镀层包括下述一种或者多种金属层：铜层、镍层、铬层、铜锡合金层。例如，金属镀层可以为铜镀层，也可以为铬镀层与铜镀层的复合镀层，还可以为铜锡合金层与铬镀层的复合镀层。
继续参考图1，光纤11上形成有多个相串联的应变测量光纤光栅12。当监测单元10被配置在被测金属结构上之后，各应变测量光纤光栅12的位置与各测点的位置一一对应，从而，监测单元10可同时监测多个测点的应变状态。同时，由于光纤11具有可折弯的特性，多个测点的位置可进行灵活布置，而不局限于规则的排布方式。例如，多个测点可沿圆弧形分布、S形分布，也可图1所示的折线形分布。从而，通过本实用新型提供的监测单元10，可对复杂形状的金属结构进行测量。同时，光纤光栅体积短小，多个光纤光栅可在一根光纤11上小间隔布置，从而可适应测点布置密集的情况，可对金属结构局部区域的应变状态进行精确测量(测点越密集，对局部区域的测量结果越精确)。
参考图2并结合图1，监测单元10还包括第一支撑部，第一支撑部包括固定在被测金属结构上的第一安装块121和第二安装块122；应变测量光纤光栅12以预紧状态固定在第一安装块121和第二安装块122之间。也就是说，第一安装块121和第二安装块122以一定的间隔设置，该间隔等于布置于其间的光纤11在预紧状态下的长度。对应变测量光栅光纤11预紧，可保证光栅光纤11工作于线性区域，从而保证测量结果准确。
本实用新型中，应变测量光纤光栅12两端的光纤11通过焊接、挤压连接或卡接的形式，分别固定在第一安装块121和第二安装块122上。本实施例中，如图2所示，应变测量光栅光纤11与第一安装块121\/第二安装块122通过焊接的形式连接。具体地，第一安装块121和第二安装块122上分别设置有第一通孔和第二通孔，应变测量光纤光栅12的两端的光纤11分别穿过第一通孔和第二通孔之后，将光纤11的金属镀层焊接到第一安装块121\/第二安装块122上。在另一个实施例中，应变测量光纤光栅12的两端的光纤11与第一通孔\/第二通孔挤压接触，以实现光纤11与第一安装块121\/第二安装块122的挤压连接。在又一个实施例中，金属镀层设置有局部凸起结构，第一安装块121\/第二安装块122上设置有凹槽，通过将凸起结构卡入凹槽中，可实现光纤11与第一安装块121\/第二安装块122的卡接。
另外，第一安装块121\/第二安装块122可通过焊接、铆接、螺纹紧固件连接等形式固定在被测金属结构的表面，本实用新型对此不作限定。
参考图3，本实施例中，应变测量光纤光栅12的预紧过程为：
Step1：将应变测量光纤光栅12固定在第一安装块121与第二安装块122之间；
Step2：准备预紧工具20，预紧工具20包括固定块21以及可相对固定块21沿直线移动的移动块22；
Step3：将固定块21固定在第一安装块121上，将移动块22固定在第二安装块122上；
Step4：移动移动块22，以增加第一安装块121与第二安装块122之间的间距，直至应变测量光纤光栅12被拉伸至设定长度；
Step5：将第一安装块121和第二安装块122固定在被测金属结构上。
需要说明的是，本实用新型中，Step1和Step2的先后顺序可互换，都属于本实用新型权利要求的保护范围。
本实施例中，固定块21与第一安装块121通过卡合的方式连接；移动块22与第二安装块122通过卡合的方式连接。本领域技术人员可根据实际选择合适的卡合方式，不实用新型不作限定。例如，可在固定块21\/移动块22上设置凸部，第一安装块121\/第二安装块122上可相对应的卡槽，通过凸部\/卡槽的配合，来实现固定块21\/移动块22与第一安装块121\/第二安装块122的卡合。
参考图1，本实施例中，光纤11上还形成有与应变测量光纤光栅12相串联的温度补偿光纤光栅13，温度补偿光纤光栅13用于对应变测量光纤光栅12的测量结果进行温度补偿。具体地，温度补偿光纤光栅13用于测量由于温度变换引起的光纤光栅测量值的变化。
参考图4并结合图1，本实施例中，监测单元10还包括第二支撑部。第二支撑部包括固定设置于被测金属结构上的第三安装块131以及滑动设置于被测金属结构上的第四安装块132，温度补偿光纤光栅13以拉直状态固定在第三安装块131和第四安装块132之间。也就是说，第三安装块131和第四安装块132以一定的间隔设置，该间隔等于布置于其间的光纤11在拉直状态下的长度。进一步地，第四安装块132的滑动方向与温度补偿光纤光栅13的长度方向一致，通过该设置，沿温度补偿光纤光栅13的长度方向，温度补偿光纤光栅13与被测金属结构之间只有一个连接点(即第三安装块131)，从而使得温度补偿光纤光栅13的测量值只受温度变化的影响，而不受被测金属结构应变的影响。
这里，温度补偿光纤光栅13两端的光纤11与第三安装块131\/第四安装块132固定连接，连接方式可参照上文中，应变测量光纤光栅12两端的光纤11与第一安装块121\/第二安装块122的连接方式。
本实施例中，第二支撑部还包括支撑梁133，第三安装块131和第四安装块132分别固定在支撑梁133的两端。其中，支撑梁133的热膨胀系数为被测金属结构热膨胀系数的0～0.1倍，从而使得温度补偿光纤光栅13的两端点尽可能固定，以尽可能精确地测得温度补偿值。
继续参考图4，第二支撑部还包括位于第四安装块132下方的支撑块134，支撑块134固定连接在被测金属结构的表面，第四安装块132滑动设置于支撑块134的表面。即，本实施例中，第四安装块132沿支撑块134的表面滑动，而非与被测金属结构直接接触。这是由于，相对于被测金属结构，支撑块134更易于被加工出可供第四安装块132自由滑动的表面。进一步地，第四安装块132和支撑块134之间的静摩擦系数小于0.2(包括0.2)，例如，第四安装块132和支撑块134的其中一个为金属材料，另一个为石墨材料。
参考图5，本实用新型还提供了一种金属结构应变监测装置1，监测装置1包括多个监测单元10，多个监测单元10相互串联。具体地，相邻的监测单元10之间通过光纤接头14相连。由于光纤11具有良好柔性，在安装监测装置1时，可根据测点的布置对光纤11进行弯折，从而使得本实用新型提供的监测装置1对复杂金属结构表面具有灵活的适应性。
综上所述，本实用新型提供的上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920027901.8
申请日:2019-01-08
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:31(上海)
授权编号:CN209355872U
授权时间:20190906
主分类号:G01B 11/16
专利分类号:G01B11/16;B25B11/00
范畴分类:31B;
申请人:上海振华重工(集团)股份有限公司
第一申请人:上海振华重工(集团)股份有限公司
申请人地址:200125 上海市浦东新区东方路3261号
发明人:李文军;严云福;严华;杜渝;罗磊;赵怿杰;沈科宇;赵德龙
第一发明人:李文军
当前权利人:上海振华重工(集团)股份有限公司
代理人:徐颖聪
代理机构:31300
代理机构编号:上海华诚知识产权代理有限公司
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计