【摘要】：重型機(jī)床結(jié)構(gòu)變形對加工工件精度有重大影響,為了準(zhǔn)確獲得FBG測點(diǎn)應(yīng)變值,求解結(jié)構(gòu)力致變形,提出了一種基于粘貼式FBG自身只能測量沿其軸向應(yīng)變特性的溫度補(bǔ)償方法,補(bǔ)償基體及粘接劑熱膨脹影響。等截面懸臂梁實(shí)驗(yàn)表明:此方法能夠解決粘貼式FBG在重型機(jī)床結(jié)構(gòu)力致變形場測量中存在的問題。
【圖文】：

近幾年，ＦＢＧ傳感器因其抗電磁干擾、遠(yuǎn)距離傳輸及“一線多點(diǎn)”的優(yōu)點(diǎn)［６－７］，應(yīng)用領(lǐng)域不斷增大，并在重型機(jī)床變形場監(jiān)測方面取得了突破性的進(jìn)展，尤其粘貼式ＦＢＧ的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)基于機(jī)床溫度場分析變形場的思路。粘貼式ＦＢＧ可以直接測量機(jī)床結(jié)構(gòu)的變形場，武漢理工大學(xué)ＬｉｕＹｉ［８］、ＨｕａｎｇＪｕｎ［９］，意大利ＰａｏｌｏＢｏｓｅｔｔｉ［１０］使用粘貼式ＦＢＧ測量了機(jī)床結(jié)構(gòu)件變形。由于光纖光柵對溫度、應(yīng)變同時(shí)敏感，為了辨別重型機(jī)床結(jié)構(gòu)力致變形及熱變形，在使用粘貼式ＦＢＧ進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)件力致應(yīng)變測量時(shí)，除了考慮基體受溫度作用外，還需要考慮ＦＢＧ自身與環(huán)境溫度變化和基體、粘接劑熱膨脹效應(yīng)之間的關(guān)系。ＦＢＧ溫度補(bǔ)償方法一直是研究熱點(diǎn)，如王宏亮等人［１１］提出的差動式補(bǔ)償方法，萬里冰等人［１２］研究的參考ＦＢＧ的方法，王雯珍等人［１３］提出的二元回歸分析算法，樊曉宇等人［１４］提出的ＢＰ網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償，但是這些方法都不能滿足機(jī)床結(jié)構(gòu)不對稱、溫度梯度大且測點(diǎn)多的要求。僅在測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變點(diǎn)的同時(shí)懸空布置ＦＢＧ溫度傳感器完成應(yīng)變測量的溫度補(bǔ)償［８－９，１５］，忽略了基體和粘接劑的熱膨脹問題及懸空布置ＦＢＧ與粘貼ＦＢＧ之間的溫度差異，不能完全補(bǔ)償溫度帶來的影響。綜合機(jī)床結(jié)構(gòu)力作用方向明顯、車間環(huán)境與機(jī)床結(jié)構(gòu)表面溫度存在差異、基體及粘接劑熱脹冷縮等特點(diǎn)，作者提出了基于ＦＢＧ只對單一方向應(yīng)變敏感特性的溫度補(bǔ)償方法。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該方法能夠明顯提高ＦＢＧ機(jī)床結(jié)構(gòu)件力致應(yīng)變測量的準(zhǔn)確性。１ＦＢＧ應(yīng)變測量時(shí)影響因素分析１．１ＦＢＧ傳感原理ＦＢＧ

偏移值明顯高于環(huán)境溫度引起的中心波長變化。結(jié)果表明，相較于環(huán)境溫度引起的ＦＢＧ中心波長變化，基體、粘接劑的熱膨脹效應(yīng)是很明顯的。顯然，實(shí)際ＦＢＧ測量值受環(huán)境溫度變化及基體、粘接劑熱膨脹效應(yīng)的影響。直接使用環(huán)境溫度變化引起的ＦＢＧ中心波長變化量補(bǔ)償測點(diǎn)波長變化是存在明顯缺陷的，因此有必要研究新的補(bǔ)償方法。２理論分析及裝置介紹測量應(yīng)變的敏感方向單一是ＦＢＧ自身特性，即只對沿ＦＢＧ軸向應(yīng)變敏感，確定載荷引起應(yīng)變方向之后，與載荷引起的應(yīng)變垂直方向不會存在載荷作用產(chǎn)生的應(yīng)變。文中充分利用此特性，提出在其載荷應(yīng)變垂直方向布置另外一個(gè)應(yīng)變測量ＦＢＧ來補(bǔ)償環(huán)境溫度和基體、粘接劑熱膨脹作用的影響。對于已經(jīng)標(biāo)定的ＦＢＧ溫度傳感器來說，其環(huán)境溫度變化引起的中心波長變化Δλ可由其溫度與ＦＢＧ中心波長函數(shù)Ｆ（Ｔ）求得；機(jī)床立柱、橫梁、底座，其制作材料都是各向同性材料，，且在０～１００℃內(nèi)材料熱膨脹系數(shù)基本保持不變，基體溫度變化會產(chǎn)生熱應(yīng)變ξ＝α妁ΔＴ，其中：α為材料熱膨脹系數(shù)，ΔＴ為溫度變化量，基體熱膨脹效應(yīng)由其材料熱膨脹系數(shù)決定；粘接劑的熱膨脹效應(yīng)同樣由其材料熱膨脹系數(shù)決定。根據(jù)上述分析，文中搭建了等截面懸臂梁彎曲應(yīng)變測量實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行驗(yàn)證，具體如圖４所示。其中：支座固定，ＦＢＧ１與ＦＢＧ２相互垂直且距離較近，ＦＢＧ２粘貼在沿懸臂梁長度方向距離懸臂端１００ｍｍ位置處，ＦＢＧ３懸空布置，砝碼布置在懸臂梁末端，忽略ＦＢＧ１與ＦＢＧ２的粘膠形狀的影響及粘貼工藝的差異。３實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證由于ＦＢＧ傳感器對溫度及應(yīng)變同時(shí)敏感，所以首先對ＦＢＧ進(jìn)行了溫度標(biāo)定。

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本文編號：2562220