專利名稱：一種聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置及其測量方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種利用激光的光纖端面自反射干涉原理，測量聯(lián)接結(jié)合面的微小振動位移的測量裝置和測量方法，適用于工程結(jié)構(gòu)中聯(lián)接環(huán)節(jié)的聯(lián)接狀態(tài)監(jiān)測。
背景技術(shù)：
聯(lián)結(jié)環(huán)節(jié)廣泛存在于各種工程結(jié)構(gòu)之中。復雜振動環(huán)境下的長期工作，常常造成聯(lián)結(jié)狀態(tài)的改變，任其發(fā)展就將可能導致聯(lián)結(jié)失效，甚至釀成重大事故。因而，直接測量振動環(huán)境中聯(lián)接結(jié)合面的相對微幅振動響應信號，并進行有效的分析處理，對工程結(jié)構(gòu)的健康運行，預防聯(lián)接失效具有重要意義。正常聯(lián)接狀態(tài)下結(jié)合面的相對位移極小，僅有數(shù)納米(接近失效狀態(tài)時該位移可增加到數(shù)微米)。一般的位移測量方法難以對其進行動態(tài)測量，更何況結(jié)合面還是處于封閉狀態(tài)，這更增加了直接測量的困難。在目前的聯(lián)接狀態(tài)監(jiān)測中，普遍采用普通振動測量方法測量聯(lián)接環(huán)節(jié)附近的振動信號，間接獲得聯(lián)接狀態(tài)信息的方法進行聯(lián)接狀態(tài)的監(jiān)測。此類測量方法不可避免地受到結(jié)構(gòu)中與聯(lián)接狀態(tài)無關(guān)的其他因素的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對上述存在的問題，提供一種利用激光的光纖端面自反射干涉原理，測量聯(lián)接結(jié)合面的微小振動位移的測量裝置及其測量方法，實現(xiàn)復雜振動環(huán)境下聯(lián)接結(jié)合面微幅振動位移的直接精確測量，適用于工程結(jié)構(gòu)中重要聯(lián)接環(huán)節(jié)的實時監(jiān)控，預防因聯(lián)接失效而引發(fā)的惡性事故；該測量裝置及其測量方法，測量精度高，對環(huán)境的適應能力強，能在高壓、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境中工作，特別是在微小動態(tài)位移測量中還具有動態(tài)范圍寬、反應靈敏等優(yōu)勢，非常適合于聯(lián)接結(jié)合面接觸狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置，包括激光器，所述激光器通過光纖連接有若干分支器，每個分支器都通過光纖與環(huán)形器連接，所述環(huán)形器通過光纖分別連接有激光探測器和測量頭，其中測量頭置于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面一側(cè)的零件上，在測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面的另一側(cè)的零件上設有反光頭，所述測量頭與反光頭相互配對。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中的激光器主要用于產(chǎn)生測量所需的單色激光；若干個分支器，主要用于等分激光器發(fā)出的激光為若干路入射激光，可同時多路監(jiān)測多處聯(lián)接環(huán)節(jié)；每一路入射激光經(jīng)過光纖連接到環(huán)形器，環(huán)形器主要阻止激光逆向傳播，避免干擾激光器工作；每一路入射激光離開環(huán)形器之后，經(jīng)過光纖連接到的測量頭，測量頭置于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面一側(cè)的零件上，使一部分入射激光由測量頭的端面反射，形成了第一路反射激光；其中測量頭與反光頭相互配對，使另一部分入射激光射出光纖，照射的反光頭上，反光頭再一次進入光纖，形成第二路反射激光，該反光頭設置于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面的另一側(cè)的零件上，當聯(lián)接環(huán)節(jié)的結(jié)合面相對振動，產(chǎn)生微動位移時，第二路反射激光與第一路反射激光的相位差會隨著振動位移而變化，兩路反射激光離開專用測量頭，經(jīng)過原來的光纖傳至環(huán)形器，再經(jīng)環(huán)形器上連接的激光探測器傳出，將其干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號，濾波并放大之后輸出，供進一步采集、分析和顯示。本發(fā)明的測量聯(lián)接結(jié)合面的微小振動位移的測量裝置，利用激光的光纖端面自反射干涉原理，實現(xiàn)復雜振動環(huán)境下聯(lián)接結(jié)合面微幅振動位移的直接精確測量，適用于工程結(jié)構(gòu)中重要聯(lián)接環(huán)節(jié)的實時監(jiān)控，預防因聯(lián)接失效而引發(fā)的惡性事故；該測量裝置，測量精度高，對環(huán)境的適應能力強，能在高壓、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境中工作，特別是在微小動態(tài)位移測量中還具有動態(tài)范圍寬、反應靈敏等優(yōu)勢，非常適合于聯(lián)接結(jié)合面接觸狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測。本發(fā)明直接探測結(jié)合面的相對位移，避免了其他間接物理量進行狀態(tài)監(jiān)測所帶來的干擾因素。本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置，所述測量頭包括可固定于檢測孔內(nèi)的測量頭殼體，在測量頭殼體中設有金屬光纖插針和自聚焦透鏡，所述自聚焦透鏡位于測量頭的前端端部處，所述金屬光纖插針中心穿有引出尾纖。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中的測量頭由測量頭殼體、自聚焦透鏡和金屬光纖插針三部分粘接而成，測量頭殼體起著固定自聚焦透鏡和金屬光纖插針的作用；自聚焦透鏡能將從光纖來的入射光線變成較大光束的平行光，并照射到反光頭的反光面，同時，能接收反光面的反射光線，并將其耦合入光纖，起著增強信號強度的作用。本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置，所述反光頭被微調(diào)螺釘限于測量孔內(nèi)，所述微調(diào)螺釘連接于測量孔的內(nèi)壁上，所述反光頭采用不銹鋼材料制成，其中反光頭的反光面粗糙度小于0.4微米。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中的反光頭，本微調(diào)螺釘限定于測量孔內(nèi)，金屬反光頭用不銹鋼制成，其反光面粗糙度Ra〈0.4微米，保證測量精度，由螺紋聯(lián)接于被測的聯(lián)接零件上；微調(diào)螺釘?shù)淖饔檬峭ㄟ^預緊力微調(diào)反光頭的位置，保證位移的測量處在線性度良好的測量范圍。本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量方法，包括以下步驟:
步驟1、激光器發(fā)出激光，經(jīng)過光纖連接的分支器等分為若干路入射激光；
步驟2、各路入射激光分別經(jīng)光纖傳至各個環(huán)形器；
步驟3、各路入射激光從環(huán)形器經(jīng)光纖傳遞至測量頭，測量頭通過螺紋固定于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面一側(cè)的零件上，其中一部分入射激光被測量頭的自聚焦透鏡反射形成第一路反射激光，并經(jīng)光纖返回環(huán)形器；
步驟4、另外部分的入射激光射出光纖，經(jīng)自聚焦透鏡照射于反射頭的反光面上被反射，其中反射頭被微調(diào)螺釘固定于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面另一側(cè)的零件上，反射后的激光再次經(jīng)自聚焦透鏡進入光纖形成第二路反射激光，并經(jīng)光纖返回環(huán)形器；
步驟5、第一路反射激光和第二路反射激光分別傳至環(huán)形器，并通過光纖傳入激光探測器，激光探測器將激光干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)濾波處理后輸出。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于激光光纖干涉的聯(lián)接結(jié)合面微動位移進行測量，其測量精度高，對環(huán)境的適應能力強，能在高壓、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境中工作，特別是在微小動態(tài)位移測量中還具有動態(tài)范圍寬、反應靈敏等優(yōu)勢，非常適合于聯(lián)接結(jié)合面接觸狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測；實現(xiàn)復雜振動環(huán)境下聯(lián)接結(jié)合面微幅振動位移的直接精確測量，適用于工程結(jié)構(gòu)中重要聯(lián)接環(huán)節(jié)的實時監(jiān)控，預防因聯(lián)接失效而引發(fā)的惡性事故，除了能直接測量結(jié)合面相對位移外，還具有探測靈敏度聞、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。
綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:
1、本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置，結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，使用便捷，成本低廉，便于構(gòu)建和生產(chǎn)，測量精度高，具有較高的可靠性；
2、本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置，直接探測結(jié)合面的相對位移，避免了用其他間接物理量進行狀態(tài)監(jiān)測所帶來的干擾因素。3、本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量方法，測量精度高，對環(huán)境的適應能力強，能在高壓、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境中工作，特別是在微小動態(tài)位移測量中還具有動態(tài)范圍寬、反應靈敏等優(yōu)勢，非常適合于聯(lián)接結(jié)合面接觸狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
圖1是本發(fā)明的測量裝置的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明在聯(lián)接結(jié)合面測量時的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標記:1-激光器、2-分支器、3-環(huán)形器、4-測量頭、5-反光頭、6_激光探測器、7-聯(lián)接結(jié)合面、8-微調(diào)螺釘、9-反光頭反光面、4-1-測量頭殼體、4-2-金屬光纖插針、4-3-自聚焦透鏡、4-4-引出尾纖。
具體實施例方式本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。如圖1和圖2所示，本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置，包括激光器1，所述激光器I通過光纖連接有若干分支器2，每個分支器2都通過光纖與環(huán)形器3連接，所述環(huán)形器3通過光纖分別連接有激光探測器6和測量頭4，其中測量頭4置于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面7 —側(cè)的零件上，其中所述測量頭4包括可固定于檢測孔內(nèi)的測量頭殼體4-1，在測量頭殼體4-1中設有金屬光纖插針4-2和自聚焦透鏡4-3，所述自聚焦透鏡4-3位于測量頭4的前端端部處，所述金屬光纖插針4-2中心穿有引出尾纖4-4，測量頭殼體4-1起著固定自聚焦透鏡4-3和金屬光纖插針4-2的作用；自聚焦透鏡4-3能將從光纖來的入射光線變成較大光束的平行光，并照射到反光頭5的反光面9，同時，能接收反光面5的反射光線，并將其耦合入光纖，起著增強信號強度的作用。在測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面7的另一側(cè)的零件上設有反光頭5，其中所述反光頭5被微調(diào)螺釘8限于測量孔內(nèi)，所述微調(diào)螺釘8連接于測量孔的內(nèi)壁上，所述反光頭5采用不銹鋼材料制成，其中反光頭5的反光面9粗糙度小于0.4微米，微調(diào)螺釘8的作用是通過預緊力微調(diào)反光頭5的位置，保證位移的測量處在線性度良好的測量范圍。所述測量頭4與反光頭5相互配對。本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量方法，包括以下步驟:
步驟1、激光器I發(fā)出單色激光，經(jīng)過光纖連接的分支器2等分為若干路入射激光，用于多路測量裝置同時監(jiān)測多處聯(lián)接環(huán)節(jié)；
步驟2、各路入射激光分別經(jīng)光纖傳至各個環(huán)形器3，也即經(jīng)單模光纖進入能阻止激光逆向傳播的環(huán)形器3，環(huán)形器3的作用是阻止激光逆向傳播，避免干擾激光器工作；
步驟3、各路入射激光從環(huán)形器3經(jīng)光纖傳遞至測量頭4，測量頭4通過螺紋固定于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面7 —側(cè)的零件上，其中一部分入射激光被測量頭4的自聚焦透鏡4-3反射形成第一路反射激光，并經(jīng)光纖返回環(huán)形器3 ；
步驟4、另外部分的入射激光射出光纖，經(jīng)自聚焦透鏡4-3照射于反射頭5的反光面9上被反射，其中反射頭5被微調(diào)螺釘8固定于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面7另一側(cè)的零件上，反射后的激光再次經(jīng)自聚焦透鏡4-3進入光纖形成第二路反射激光，并經(jīng)光纖返回環(huán)形器3 ;當聯(lián)接結(jié)合面7相對振動時，第二路反射激光與第一路的反射激光的相位差會隨著振動位移而變化，體現(xiàn)出了聯(lián)接結(jié)合面微動位移量，使得檢測精度高。步驟5、第一路反射激光和第 二路反射激光分別傳至環(huán)形器3，并通過光纖傳入激光探測器6，激光探測器6將激光干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)濾波處理后輸出。本發(fā)明對典型的法蘭盤螺紋聯(lián)接進行實驗數(shù)據(jù)為:
1.鋼制法蘭盤直接Φ200mm，法蘭盤厚度6mm，10.9級聯(lián)接螺栓8 M6，額定預緊力矩10Nm，法蘭體質(zhì)量5.5Kg ；
2.振動環(huán)境為:簡諧激勵振動頻率500Hz，振動加速度有效值5g；
3.當預緊力矩大于5Nm時，本發(fā)明測不到結(jié)合面的振動；當預緊力矩在l-5Nm之間時，聯(lián)接結(jié)合面7相對位移的振幅隨預緊力矩減小呈線性增加至0.15微米，小于4Nm時聯(lián)接結(jié)合面7的相對位移的急劇增加，且信號極不規(guī)則。本發(fā)明的測量聯(lián)接結(jié)合面的微小振動位移的測量裝置及其測量方法，利用激光的光纖端面自反射干涉原理，實現(xiàn)復雜振動環(huán)境下聯(lián)接結(jié)合面微幅振動位移的直接精確測量，適用于工程結(jié)構(gòu)中重要聯(lián)接環(huán)節(jié)的實時監(jiān)控，預防因聯(lián)接失效而引發(fā)的惡性事故；該測量裝置及其測量方法，測量精度高，對環(huán)境的適應能力強，能在高壓、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境中工作，特別是在微小動態(tài)位移測量中還具有動態(tài)范圍寬、反應靈敏等優(yōu)勢，非常適合于聯(lián)接結(jié)合面接觸狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測。本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式
。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合
權(quán)利要求
1.一種聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置，其特征在于:它包括激光器(I)，所述激光器(I)通過光纖連接有若干分支器(2 )，每個分支器(2 )都通過光纖與環(huán)形器(3 )連接，所述環(huán)形器(3)通過光纖分別連接有激光探測器(6)和測量頭(4)，其中測量頭(4)置于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面(7) —側(cè)的零件上，在測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面(7)的另一側(cè)的零件上設有反光頭(5)，所述測量頭(4)與反光頭(5)相互配對。
2.如權(quán)利要求1所述的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置，其特征在于:所述測量頭(4)包括可固定于檢測孔內(nèi)的測量頭殼體(4-1)，在測量頭殼體(4-1)中設有金屬光纖插針(4-2 )和自聚焦透鏡(4-3 )，所述自聚焦透鏡(4-3 )位于測量頭(4 )的前端端部處，所述金屬光纖插針(4-2)中心穿有引出尾纖(4-4)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置，其特征在于:所述反光頭(5)被微調(diào)螺釘(8)限于測量孔內(nèi)，所述微調(diào)螺釘(8)連接于測量孔的內(nèi)壁上，所述反光頭(5)采用不銹鋼材料制成，其中反光頭(5)的反光面(9)粗糙度小于0.4微米。
4.一種權(quán)利要求3所述的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置的測量方法，其特征在于:它包括以下步驟: 步驟1、激光器(I)發(fā)出激光，經(jīng)過光纖連接的分支器(2)等分為若干路入射激光； 步驟2、各路入射激光分別經(jīng)光纖傳至各個環(huán)形器(3)； 步驟3、各路入射激光從環(huán)形器(3)經(jīng)光纖傳遞至測量頭(4)，測量頭(4)通過螺紋固定于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面(7)—側(cè)的零件上，其中一部分入射激光被測量頭(4)的自聚焦透鏡(4-3)反射形成第一路反射激光，并經(jīng)光纖返回環(huán)形器(3)； 步驟4、另外部分的入射激光射出光纖，經(jīng)自聚焦透鏡(4-3)照射于反射頭(5)的反光面(9)上被反射，其中反射頭(5)被微調(diào)螺釘(8)固定于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面(7)另一側(cè)的零件上，反射后的激光再次經(jīng)自聚焦透鏡(4-3 )進入光纖形成第二路反射激光，并經(jīng)光纖返回環(huán)形器(3); 步驟5、第一路反射激光和第二路反射激光分別傳至環(huán)形器(3)，并通過光纖傳入激光探測器(6)，激光探測器(6)將激光干涉信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)濾波處理后輸出。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置及其檢測方法，屬于聯(lián)接唯一檢測技術(shù)領域。本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置，包括激光器，所述激光器通過光纖連接有若干分支器，每個分支器都通過光纖與環(huán)形器連接，所述環(huán)形器通過光纖分別連接有激光探測器和測量頭，其中測量頭置于測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面一側(cè)的零件上，在測量孔內(nèi)聯(lián)接結(jié)合面的另一側(cè)的零件上設有反光頭，所述測量頭與反光頭相互配對。本發(fā)明的聯(lián)接結(jié)合面微動位移的測量裝置及其測量方法，直接探測結(jié)合面的相對位移，避免了用其他間接物理量進行狀態(tài)監(jiān)測所帶來的干擾因素，測量精度高，對環(huán)境的適應能力強，能在高壓、高溫、腐蝕等惡劣環(huán)境中工作。
文檔編號G01B11/02GK103115572SQ201310024260
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者趙登峰, 曾國英, 宋丹路, 熊平, 黃娟 申請人:西南科技大學