多分量光纖天平及其測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多分量光纖天平及其測(cè)量方法，用于解決現(xiàn)有光纖天平實(shí)用性差的技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方案是多分量光纖天平包括天平主體、槽口、光纖光柵應(yīng)變計(jì)、線槽、支桿端和固定端。所述的固定端安裝在測(cè)量平臺(tái)上，天平主體靠近固定端和支桿端部位沿圓周方向各開(kāi)一個(gè)正方形槽，正方形槽個(gè)有四個(gè)槽口，槽口對(duì)稱設(shè)置，每個(gè)槽口中心粘貼一根光纖光柵應(yīng)變計(jì)。測(cè)量時(shí)，光纖光柵應(yīng)變計(jì)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)值顯示在計(jì)算機(jī)上，施加升力、俯仰力矩、側(cè)力、偏航力矩，對(duì)受載荷后光纖光柵應(yīng)變計(jì)反射波中心波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出載荷與中心波長(zhǎng)偏移量之間的關(guān)系，實(shí)用性強(qiáng)。
【專利說(shuō)明】
多分量光纖天平及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖天平，具體是一種多分量光纖天平，還涉及這種多分量光纖 天平的測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)洞天平是測(cè)量風(fēng)洞中作用在模型上的空氣動(dòng)力和力矩的設(shè)備，是風(fēng)洞試驗(yàn)中最 重要的測(cè)量裝置。
[0003] 文獻(xiàn)"一種用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平，授權(quán)公告號(hào)是CN203658011U的中國(guó)實(shí) 用新型專利"公開(kāi)了一種用于風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量的光纖天平，該光纖天平采用在懸臂梁根部上 下對(duì)稱開(kāi)槽并在槽口處粘貼光纖應(yīng)變計(jì)來(lái)測(cè)量應(yīng)變，與傳統(tǒng)的應(yīng)變天平相比，采用此方法， 天平輸出靈敏度提高一倍。此專利公開(kāi)的只是一種單分量光纖天平，而在真實(shí)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 中，模型受到的載荷作用一般是多分量的，因此單分量光纖天平在風(fēng)洞試驗(yàn)中應(yīng)用性并不 強(qiáng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有光纖天平實(shí)用性差的不足，本發(fā)明提供一種多分量光纖天平及其測(cè) 量方法。多分量光纖天平包括天平主體、槽口、光纖光柵應(yīng)變計(jì)、線槽、支桿端和固定端。所 述的固定端安裝在測(cè)量平臺(tái)上，天平主體靠近固定端和支桿端部位沿圓周方向各開(kāi)一個(gè)正 方形槽，正方形槽個(gè)有四個(gè)槽口，槽口對(duì)稱設(shè)置，每個(gè)槽口中心粘貼一根光纖光柵應(yīng)變計(jì)。 測(cè)量時(shí)，光纖光柵應(yīng)變計(jì)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)值顯示在計(jì)算機(jī)上，施加升力、俯仰 力矩、側(cè)力、偏航力矩，對(duì)受載荷后光纖光柵應(yīng)變計(jì)反射波中心波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出 載荷與中心波長(zhǎng)偏移量之間的關(guān)系，實(shí)用性強(qiáng)。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:一種多分量光纖天平，其特點(diǎn)是:包 括天平主體1、槽口 2、光纖光柵應(yīng)變計(jì)3、線槽4、支桿端5和固定端6。所述的固定端6通過(guò)固 定裝置安裝在測(cè)量平臺(tái)上，天平主體1靠近固定端6和支桿端5部位沿圓周方向各開(kāi)一個(gè)正 方形槽，正方形槽有四個(gè)槽□ 2，兩端共八個(gè)槽□ 2，槽口 2對(duì)稱設(shè)置，尺寸相同，每個(gè)槽口 2中 心粘貼一根光纖光柵應(yīng)變計(jì)3,共八根光纖光柵應(yīng)變計(jì)3,光纖光柵應(yīng)變計(jì)3引線由線槽4引 出。
[0006] 槽口 2寬度優(yōu)選10mm，深度優(yōu)選3mm。
[0007] -種上述多分量光纖天平的測(cè)量方法，其特點(diǎn)是包括以下步驟：
[0008] 步驟一、將多分量光纖天平固定端固定在測(cè)量平臺(tái)上，支桿端用于精校載荷加載。 [0009]步驟二、將光纖光柵應(yīng)變計(jì)一端自由放置，另一端與光纖跳線通過(guò)光纖熔接機(jī)熔 合在一起，光纖跳線起到對(duì)光信號(hào)的傳輸，并且輸入到終端光纖解調(diào)儀的作用。光纖光柵解 調(diào)儀內(nèi)置激光光源，光源發(fā)出寬譜光，由光纖跳線、光纖尾纖傳至光柵柵區(qū)，滿足布拉格公 式條件的波長(zhǎng)的光被反射回來(lái)，經(jīng)光纖尾纖、光纖跳線傳至光纖光柵解調(diào)儀，光纖光柵解調(diào) 儀將接收到的光信號(hào)反應(yīng)為波長(zhǎng)值顯示在計(jì)算機(jī)面板上。
[0010] 步驟三、在未加砝碼時(shí)，測(cè)得光纖原始波長(zhǎng)。
[0011] 步驟四、在加載砝碼時(shí)，天平主體受力產(chǎn)生形變，各個(gè)槽口產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，槽口 與平面相比變形量增大且與所加載荷值成正比，應(yīng)變影響光柵周期發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)滿足 布拉格公式條件的反射波的中心波長(zhǎng)產(chǎn)生影響，數(shù)值變化顯示在光纖光柵解調(diào)儀對(duì)應(yīng)通 道。精校實(shí)驗(yàn)中采用正交多元加載方法，將天平每個(gè)分量的校準(zhǔn)載荷等間距分成九個(gè)加載 點(diǎn)，各組重復(fù)三次以上。
[0012] 步驟五、記錄光纖光柵解調(diào)儀所測(cè)量的波長(zhǎng)值，利用最小二乘的數(shù)學(xué)擬合原理求 解天平校準(zhǔn)公式中的系數(shù)，得出載荷與中心波長(zhǎng)偏移量之間的關(guān)系，根據(jù)輸出波長(zhǎng)值求出 波長(zhǎng)偏移量，進(jìn)而求得模型所受載荷。
[0013] 天平校準(zhǔn)公式具體計(jì)算過(guò)程如下：
[0014] 將八根光纖進(jìn)行組合式測(cè)量：
[0016] 參考應(yīng)變天平校準(zhǔn)公式，對(duì)于本天平，校準(zhǔn)公式如下：
[0017]
[0018] 式中，ylk是施加的標(biāo)準(zhǔn)載荷，A A為輸出信號(hào)值增量，eik是殘余誤差。i取1-4,代表 4個(gè)分量，k代表第k個(gè)加載點(diǎn)。
[0019] 將(2)式簡(jiǎn)寫(xiě)為：
[0020]
[0021]設(shè)yik的估值為&，則 [0022]
[0024] 各個(gè)系數(shù)匕值用最小二乘法求得，即使其殘差平方和
[0025]
[0026]為最小。由數(shù)學(xué)分析極值原理得知，要使Q值達(dá)到最小，各個(gè)匕值必須滿足其殘差 平方和Q對(duì)各匕的偏導(dǎo)數(shù)都為零，SP
[0028] (6)式經(jīng)整理寫(xiě)成下列矩陣形式：
[0031]
，其中叫是系數(shù)矩陣的逆陣元素，即（叫）=(叫)-、(10)
[0032]由矩陣(8)求出1^-1314后，即求出了一個(gè)分量的全部校準(zhǔn)系數(shù)，其他幾個(gè)分量的校 準(zhǔn)系數(shù)也由上述公式求出。
[0033]所述的光纖原始波長(zhǎng)是1550nm〇
[0034] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明多分量光纖天平包括天平主體、槽口、光纖光柵應(yīng)變 計(jì)、線槽、支桿端和固定端。所述的固定端安裝在測(cè)量平臺(tái)上，天平主體靠近固定端和支桿 端部位沿圓周方向各開(kāi)一個(gè)正方形槽，正方形槽個(gè)有四個(gè)槽口，槽口對(duì)稱設(shè)置，每個(gè)槽口中 心粘貼一根光纖光柵應(yīng)變計(jì)。測(cè)量時(shí)，光纖光柵應(yīng)變計(jì)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)值顯 示在計(jì)算機(jī)上，施加升力、俯仰力矩、側(cè)力、偏航力矩，對(duì)受載荷后光纖光柵應(yīng)變計(jì)反射波中 心波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出載荷與中心波長(zhǎng)偏移量之間的關(guān)系，實(shí)用性強(qiáng)。
[0035] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
【附圖說(shuō)明】
[0036] 圖1是本發(fā)明多分量光纖天平的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖中，1-天平主體，2-槽口，3-光纖光柵應(yīng)變計(jì)，4-線槽，5-支桿端，6-固定端。
【具體實(shí)施方式】
[0038]以下實(shí)施例參照?qǐng)D1。
[0039] 實(shí)施例1。本發(fā)明多分量光纖天平包括天平主體1、槽口 2、光纖光柵應(yīng)變計(jì)3、線槽 4、支桿端5和固定端6。所述的固定端6通過(guò)固定裝置安裝在測(cè)量平臺(tái)上，天平主體1靠近固 定端6和支桿端5部位沿圓周方向各開(kāi)一個(gè)正方形槽，正方形槽有四個(gè)槽口 2，兩端共八個(gè)槽 口 2，槽口 2對(duì)稱設(shè)置，尺寸相同，槽口寬度為10mm，深度3mm。每個(gè)槽口 2中心粘貼一根光纖光 柵應(yīng)變計(jì)3，共八根光纖光柵應(yīng)變計(jì)3，光纖光柵應(yīng)變計(jì)3引線由線槽4引出，槽口 2長(zhǎng)度不小 于光纖光柵的柵區(qū)長(zhǎng)度。然后對(duì)光纖進(jìn)行預(yù)拉伸，其目的是為測(cè)量正負(fù)法向力產(chǎn)生的拉伸 與壓縮應(yīng)變。
[0040] 實(shí)施例2。實(shí)施例1所述的多分量光纖天平的測(cè)量方法具體步驟如下：
[0041] 步驟1.將光纖天平固定端固定在測(cè)量平臺(tái)上，支桿端用于精校載荷加載。
[0042] 步驟2.將光纖光柵應(yīng)變計(jì)一端自由放置，另一端與光纖跳線通過(guò)光纖熔接機(jī)熔合 在一起，光纖跳線起到對(duì)光信號(hào)的傳輸，并且輸入到終端光纖解調(diào)儀的作用。光纖光柵解調(diào) 儀內(nèi)置激光光源，光源發(fā)出寬譜光，由光纖跳線、光纖尾纖傳至光柵柵區(qū)，滿足布拉格公式 條件的波長(zhǎng)的光被反射回來(lái)，經(jīng)光纖尾纖、光纖跳線傳至光纖光柵解調(diào)儀，光纖光柵解調(diào)儀 將接收到的光信號(hào)反應(yīng)為波長(zhǎng)值顯示在計(jì)算機(jī)面板上。
[0043] 步驟3.在未加砝碼時(shí)，測(cè)得光纖原始波長(zhǎng)，本發(fā)明專利選擇的是中心波長(zhǎng)為 1550nm的光纖光柵。
[0044] 步驟4.加載砝碼時(shí)，天平主體受力產(chǎn)生形變，各個(gè)槽口會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，槽口與 平面相比變形量增大且與所加載荷值成正比，應(yīng)變影響光柵周期發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)滿足布 拉格公式條件的反射波的中心波長(zhǎng)產(chǎn)生影響，數(shù)值變化顯示在光纖光柵解調(diào)儀對(duì)應(yīng)通道。 精校實(shí)驗(yàn)中采用正交多元加載方法，將天平每個(gè)分量的校準(zhǔn)載荷(設(shè)計(jì)量程的90%_110%) 等間距分成9個(gè)加載點(diǎn)，各組重復(fù)3次以上。
[0045] 步驟5.記錄光纖光柵解調(diào)儀所測(cè)量的波長(zhǎng)值，利用最小二乘的數(shù)學(xué)擬合原理求解 天平校準(zhǔn)公式中的系數(shù)，得出載荷與中心波長(zhǎng)偏移量之間的關(guān)系，在應(yīng)用中就可根據(jù)輸出 波長(zhǎng)值求出波長(zhǎng)偏移量，進(jìn)而求得模型所受載荷。
[0046] 步驟5.1.天平校準(zhǔn)公式具體計(jì)算過(guò)程如下：
[0047]將8根光纖進(jìn)行組合式測(cè)量：
[0048]
[0049] 參考應(yīng)變天平校準(zhǔn)公式，對(duì)于本天平，校準(zhǔn)公式如下：
[0051] yik是施加的標(biāo)準(zhǔn)載荷，△ X為輸出信號(hào)值增量，也就是中心波長(zhǎng)偏移量，eik是殘余 誤差。i取1 一4，代表4個(gè)分量，k代表第k個(gè)加載點(diǎn)。
[0052] 將(2)式簡(jiǎn)寫(xiě)為：
[0057]各個(gè)系數(shù)匕值可用最小二乘法求得，即使其殘差平方和
[0059]為最小。由數(shù)學(xué)分析極值原理可知，要使Q值達(dá)到最小，各個(gè)匕值必須滿足其殘差 平方和Q對(duì)各h的偏導(dǎo)數(shù)都為零，SP
[0061 ] (6)式經(jīng)整理寫(xiě)成下列矩陣形式：
[0064；
，其中叫是系數(shù)矩陣的逆陣元素，即（叫）=(叫)-、(10)
[0065]由矩陣(8)求出1^-1314后，即求出了一個(gè)分量的全部校準(zhǔn)系數(shù)，其他幾個(gè)分量的校 準(zhǔn)系數(shù)也由上述公式求出。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多分量光纖天平，其特征在于：包括天平主體（1)、槽口（2)、光纖光柵應(yīng)變計(jì) (3)、線槽(4)、支桿端(5)和固定端(6);所述的固定端6通過(guò)固定裝置安裝在測(cè)量平臺(tái)上，天 平主體（1)靠近固定端(6)和支桿端(5)部位沿圓周方向各開(kāi)一個(gè)正方形槽，正方形槽有四 個(gè)槽口（2)，兩端共八個(gè)槽口（2)，槽口（2)對(duì)稱設(shè)置，尺寸相同，每個(gè)槽口（2)中心粘貼一根 光纖光柵應(yīng)變計(jì)(3 )，共八根光纖光柵應(yīng)變計(jì)(3 )，光纖光柵應(yīng)變計(jì)(3)引線由線槽(4)引出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多分量光纖天平，其特征在于:槽口 2寬度優(yōu)選10mm，深度優(yōu)選 3mm 〇3. -種權(quán)利要求1所述多分量光纖天平的測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一、將多分量光纖天平固定端固定在測(cè)量平臺(tái)上，支桿端用于精校載荷加載； 步驟二、將光纖光柵應(yīng)變計(jì)一端自由放置，另一端與光纖跳線通過(guò)光纖熔接機(jī)熔合在 一起，光纖跳線起到對(duì)光信號(hào)的傳輸，并且輸入到終端光纖解調(diào)儀的作用;光纖光柵解調(diào)儀 內(nèi)置激光光源，光源發(fā)出寬譜光，由光纖跳線、光纖尾纖傳至光柵柵區(qū)，滿足布拉格公式條 件的波長(zhǎng)的光被反射回來(lái)，經(jīng)光纖尾纖、光纖跳線傳至光纖光柵解調(diào)儀，光纖光柵解調(diào)儀將 接收到的光信號(hào)反應(yīng)為波長(zhǎng)值顯示在計(jì)算機(jī)面板上； 步驟三、在未加砝碼時(shí)，測(cè)得光纖原始波長(zhǎng)； 步驟四、在加載砝碼時(shí)，天平主體受力產(chǎn)生形變，各個(gè)槽口產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，槽口與平 面相比變形量增大且與所加載荷值成正比，應(yīng)變影響光柵周期發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)滿足布拉 格公式條件的反射波的中心波長(zhǎng)產(chǎn)生影響，數(shù)值變化顯示在光纖光柵解調(diào)儀對(duì)應(yīng)通道;精 校實(shí)驗(yàn)中采用正交多元加載方法，將天平每個(gè)分量的校準(zhǔn)載荷等間距分成九個(gè)加載點(diǎn)，各 組重復(fù)二次以上； 步驟五、記錄光纖光柵解調(diào)儀所測(cè)量的波長(zhǎng)值，利用最小二乘的數(shù)學(xué)擬合原理求解天 平校準(zhǔn)公式中的系數(shù)，得出載荷與中心波長(zhǎng)偏移量之間的關(guān)系，根據(jù)輸出波長(zhǎng)值求出波長(zhǎng) 偏移量，進(jìn)而求得模型所受載荷； 天平校準(zhǔn)公式具體計(jì)算過(guò)程如下： 將八根光纖進(jìn)行組合式測(cè)量： ~ + A-Ay - A/ij - A^. -.A為. （1) 參考應(yīng)變天平校準(zhǔn)公式，對(duì)于本天平，校準(zhǔn)公式如下：式中，ylk是施加的標(biāo)準(zhǔn)載荷，AA為輸出信號(hào)值增量，eik是殘余誤差;i取1-4,代表4個(gè)分 量，k代表第k個(gè)加載點(diǎn)； 將(2)式簡(jiǎn)寫(xiě)為： }'n =^+Z>；X2+^X3+ ……+ 沁尤13 + 4W+ % ( 3 ) 設(shè)ylk的估值為^，則各個(gè)系數(shù)h值用最小二乘法求得，即使其殘差平方和為最?。挥蓴?shù)學(xué)分析極值原理得知，要使Q值達(dá)到最小，各個(gè)h值必須滿足其殘差平方和 Q對(duì)各h的偏導(dǎo)數(shù)都為零，BP(6)式經(jīng)整理寫(xiě)成下列矩陣形式：實(shí)中ClJ是系數(shù)矩陣的逆陣元素，即（叫）=(叫廣S (10) 由矩陣(8)求出匕-1314后，即求出了一個(gè)分量的全部校準(zhǔn)系數(shù)，其他幾個(gè)分量的校準(zhǔn)系 數(shù)也由上述公式求出。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多分量光纖天平的測(cè)量方法，其特征在于:所述的光纖原始波 長(zhǎng)是 1550nm。
【文檔編號(hào)】G01L11/02GK106053010SQ201610555793
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月14日
【發(fā)明人】王勇, 解亞軍, 高永衛(wèi), 焦予秦, 惠增宏, 鄧?yán)? 白靜
【申請(qǐng)人】西北工業(yè)大學(xué)