一种光纤光栅机械强度测试装置的制作方法

本发明涉及一种拉伸强度测试技术领域，具体涉及一种光纤光栅的机械强度测试装置。

背景技术：

光纤光栅是近些年发展最为迅速的新一代光无源器件，在光纤通信和光纤传感等相关领域发挥着愈来愈重要的作用。以光纤光栅为传感元件研制的传感器，具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀和抗电磁辐射等优点，能够满足土木工程、航空航天、石油化工等恶劣环境中的测量需要。诸如航空航天、石油化工等监测领域参数要求较高，比如大应变、高温、高压等极端环境的监测，这些都要求光纤光栅具有良好的机械强度性能。

光纤光栅刻写完成后要对其进行强度测试，目前光纤光栅的拉伸伺服试验机，价格昂贵、操作复杂、占用空间大，并且对直径在微米量级的光纤光栅拉伸测试需要设计专用夹具，较难快速、方便、准确地进行光纤光栅的拉伸强度试验，难以对其进行更多的基础研究和产品化应用推广。现阶段，与光纤光栅测试技术配套，进行多元化、系统化、智能化、多工况精确拉伸强度试验的装置与测试技术尚属空白。

现在的教学模式理论与实践产生了脱离，虽然学校会有教学器材供学生使用，但都是放在实验室，由于价格昂贵并不方便搬运，使得学生在理论学习和试验操作不能够及时结合。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种光纤光栅的机械强度测试装置，测试装置结构轻巧、测量精度高，能够同时应用于教学和工厂的测试装置。

本发明的技术方案是：一种光纤光栅机械强度测试装置，包括第一固定平台、第二固定平台、移动平台和光纤夹具；

第一固定平台和第二固定平台通过连接杆连接，移动平台置于第一固定平台和第二固定平台之间并与连接杆滑动连接；

第一固定平台与移动平台通过滚珠丝杆连接，滚珠丝杆伸出第二固定平台的一端与驱动装置连接；

第二固定平台和移动平台上方分别设有光纤夹具；所述光纤夹具包括上盖和下盖，所述下盖和上盖的一侧端面固定连接；所述下盖设有多种不同尺寸凹槽，所述上盖的下表面设有橡胶垫。

优选的，所述光纤光栅机械强度测试装置为卧式测试装置，所述卧式测试装置的整体尺寸范围长度不大于200㎜，宽度不大于100㎜，高度不大于100㎜；所述卧式测试装置的第一固定平台、第二固定平台、移动平台和光纤夹具间的连接为活动连接，能够实时拆卸和搭建。

优选的，所述光纤夹具的上盖和下盖的一侧端面通过合页连接、胶接或焊接方式固定连接，另一侧端面通过吸附或可拆卸紧固件活动连接。

优选的，所述的驱动装置是电机驱动、压电驱动或螺旋微分计手动驱动，所述电机驱动和压电驱动的驱动装置功率不大于750r/min。

优选的，所述驱动装置为电机驱动或压电驱动时驱动装置通过驱动模块与计算机连接。

优选的，所述测试装置还包括曲柄滑块机构，所述驱动装置、第一固定平台和移动平台通过构成曲柄滑块机构对光纤光栅的拉伸强度进行测量。

优选的，所述的第一固定平台，第二固定平台和移动平台高度在同一水平面；第一固定平台，第二固定平台和移动平台是25㎜-60㎜厚的轻质铝板或abs塑料。

优选的，所述光纤夹具下盖设置凹槽尺寸优选为80μm、100μm、250μm、320μm或400μm。

本发明的有益效果是：测试装置的光纤夹具设有不同尺寸的凹槽，满足外径不同的各种光纤；光纤夹具上盖设有橡胶垫避免光纤造成滑动，使用橡胶垫片能够紧紧抓牢光纤并能够保护光纤防止拉力以外的其他作用力对光纤造成影响；滚珠丝杆或曲柄滑块机构实现将电机的旋转运动转变为移动平台的直线运动实现对光纤光栅进行机械强度测试。本发明卧式测试装置与现有的试验装置比较整体尺寸小，占用空间小，搭建方便，同时操作简单可以手动测试或自动测试，可以作为教学器材或工厂实验室测试装置。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出本发明一种光纤光栅的机械强度测试装置的结构示意图；

图2示出本发明的光纤夹具的结构示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明的工作原理是：通过驱动装置带动滚珠丝杆或曲柄滑块运动，将驱动装置的旋转运动转变为移动平台的直线运动，经过移动平台的直线运动将作用力施加在光纤光栅实现对光纤光栅的机械强度测试。

本发明一种光纤光栅机械强度测试装置整体尺寸小，材质轻，选用的驱动装置功率小，可以作为教师的教学用具，能够运用到课堂，方便搭建能够增加学生的乐趣同时其测量的精度高并能够实时记录的特点能够应用于工厂检测。测试装置的整体长度不大于200㎜，宽度不大于100㎜，高度不大于100㎜；第一固定平台、第二固定平台和移动平台及光纤夹具的材质选用轻质铝或abs塑料；驱动装置的功率选用600r/min小功率驱动。

实施例1

图1所示为本发明一种光纤光栅的机械强度测试装置的结构示意图，如图1所示，包括第一固定平台101、第二固定平台102、移动平台103、连接杆109、滚珠丝杆110、光纤夹具104、光纤光栅105、驱动装置106、驱动模块107和计算机108。

第一固定平台101和第二固定平台102通过连接杆109连接，移动平台103位于第一固定平台101和第二固定平台102之间同时连接杆109横穿移动平台，移动平台103与连接杆109滑动连接。

第一固定平台101和移动平台103通过紧固件分别固定一个光纤夹具104。

其中为确保在光纤光栅机械强度测试装置中光纤光栅保持水平绷直状态，第一固定平台101和第二固定平台102高度保持一致，第一固定平台101，第二固定平台102和移动平台103是50㎜厚的轻质铝。

图2示出本发明的光纤夹具的结构示意图，如图2所示，光纤夹具104的上盖和下盖的一侧端面通过合页连接，下盖设有3个尺寸不同的凹槽，其中凹槽尺寸分别为80μm、250μm和400μm；上盖与凹槽相对位置处设有橡胶垫，避免了光纤造成滑动，使用橡胶垫片能够紧紧抓牢光纤并能够保护光纤防止拉力以外的其他作用力对光纤造成影响。光纤置于与其外径相匹配的凹槽内，合上上盖固定光纤光栅。

光纤夹具104的上盖和下盖的一侧端面通过合页连接、胶接或焊接方式固定连接，另一侧端面通过吸附或可拆卸紧固件活动连接。如图2所示，光纤夹具左端面通过合页连接，右端面通过可拆卸紧固件活动连接实现光纤夹具104的开合。

第二固定平台102和移动平台103通过滚珠丝杆110连接，移动平台103通过螺母与滚珠丝杆110连接；滚珠丝杆110伸出第二固定平台102的自由端与电机106连接，通过与计算机108连接的驱动模块107控制电机106。

本实施例中的驱动装置是电机，但是驱动装置不限于此，还可以是压电驱动或微分头手动驱动。本实施例中驱动模块为L298N驱动并控制电机转速。

当驱动装置为电机驱动和压电驱动时，通过驱动模块和软件程序实施控制电机转速，将电机的角位移量转换成滚珠丝杆的线位移量。当驱动装置为微分头手动驱动，通过转动微分头，将微分头旋转量转换为滚珠丝杆的线位移量。

本发明装置可以实现两种测试包括极限拉伸测试和生产合格测试。

极限拉伸测试

电机106转动时在计算机108中的电机驱动软件程序实时记录转动的转速和时间；电机106转动时带动滚珠丝杆110运动，滚珠丝杆110将电机106的旋转运动转换为移动平台103的直线运动，进而使固定在光纤夹具104内的光纤光栅在作用力下处于拉伸状态，在拉伸强度测试试验中，光纤光栅直至断裂。将电机旋转扭矩角位移转化为滚珠丝杆的线位移，根据滚珠丝杆导程与电机转速与时间之间关系确定光纤光栅在作用力下的位移量。电机旋转一周滚珠丝杆螺母移动一个导程。根据式(1)和式(2)计算光纤光栅断裂为止所受的最大拉伸力。

Δl为滚珠丝杆110的位移量，L为光纤光栅105的原始长度，ε为应变。

F＝AEε (2)

其中A为光纤光栅断裂处原始截面积，E为光纤光栅弹性模量。

生产合格测试

在进行生产合格测试时，要求光纤光栅105不拉断，只需满足某一测试值。在计算机108中设置拉伸上限(希望达到的测试值)，对光纤光栅进行拉伸，如果达到设定值，停止拉伸，光纤光栅105没有断裂，则符合测试要求；如果拉伸过程中没有达到设定值光纤光栅105已经断裂，则光纤光栅105的生产不符合要求。

本发明应用于教学中，把测试装置带到课堂中，老师与同学产生更多互动，做到理论与实践的相互结合，增加了学生的学习兴趣并对理论机械强度有了更深层次的理解；本发明与计算机结合，能够实时测量数据，对光纤光栅进行极限拉伸测量和生产合格测试，满足现代工厂的需求。

实施例2

本实施例与实施例1相比较区别在于：曲柄滑块机构代替滚珠丝杆。其中连接移动平台和第二固定平台的连杆相对于地面固定；连接第二固定平台和电机的连杆作为曲柄，同时通过转动副与第二固定平台和电机连接；另一根连杆连接电机和移动平台；三根连杆、移动平台和第二固定平台构成曲柄滑块机构，电机工作时，带动曲柄绕着转动副转动，同时带动移动平台在相对地面固定的连杆上做直线运动。同时计算机控制移动距离，实现对光纤光栅的拉伸强度的测试。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。