[发明专利]一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统

说明书

本发明公开了一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，其包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元，所述光纤光栅传感单元包括彼此相连的光纤光栅传感器和光纤解调仪，光纤光栅传感器粘贴至待测工件上，光纤解调仪与控制处理单元相连；红外热像仪传感单元包括彼此相连的红外热像仪和数字图像采集卡，数字图像采集卡与所述控制处理单元相连；数据采集单元包括带输入输出功能的数据采集卡，其输出端与光纤解调仪和红外热像仪相连，其输入端与所述控制处理单元相连；控制处理单元包括工控机和软件平台。本发明可实现加工过程中切削区域附近多种物理场的精密测量，有助于切削机理的研究。

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，更具体地，涉及一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场(温度场/应变场/振动)同步精密测量系统。

背景技术

切削加工过程中伴随着复杂的力热耦合现象，精确地测量加工过程中的温度场、应变场、振动(尤其是监测切削过程中的颤振现象)，对于加工过程的机理研究具有重要作用。现有的加工温度测量方法主要包括热电偶法、红外热辐射法、具有已知熔点的细粉末涂层法、热敏涂料法等；而现有的应变测量技术包括莫尔条纹，热弹性应力分析，激光散斑干涉，以及数字图像相关等方法。

上述现有的测量方法存在以下问题：1)大部分方法只能对切削过程中的平均温度或有限点位置处的温度进行测量，而且尽管许多研究人员已使用红外热像仪法对整个切削过程中的温度场进行测量，但实际测量过程中，红外热像仪的测量精度低，尤其是对于金属材料的加工温度场的测量，金属的高反射率导致红外发射率很低，并且发射率随着温度变化而不同，使得红外切削温度场测量误差大；2)作为通用的应变场测量方法—数字图像相关法，其高温热辐射对传统高速数码相机的成像产生干扰，而且数字图像相关法所得到的是位移场，当将其转化为应变场时，测量噪声不可避免地被放大；3)虽然从切削机理上看，切削过程中的温度场、应变场、振动是一个耦合且不断相互转换的物理场过程，但是目前没有资料显示，有人员从测量的角度对这三个场进行同时进行测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场(温度场、应变场、振动)测量系统，其利用光纤光栅和红外技术构建一个双传感器系统，结合这两类传感器的技术优势，对切削加工过程中温度场、应变场和振动进行同步精密测量，实现加工过程中切削区域附近多种物理场的精密测量，从而有助于切削机理的研究。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于光纤光栅和红外双传感技术的多物理场测量系统，该系统包括光纤光栅传感单元、红外热像仪传感单元、数据采集单元和控制处理单元，其中：

所述光纤光栅传感单元包括彼此相连的光纤光栅传感器和光纤解调仪，所述光纤光栅传感器用于获得切削加工过程中的温度场、应变场和振动数据，其粘贴至待测工件上，所述光纤解调仪与所述控制处理单元相连；

所述红外热像仪传感单元包括彼此相连的红外热像仪和数字图像采集卡，所述红外热像仪用于获得切削加工过程中的红外成像数据，所述数字图像采集卡与所述控制处理单元相连；

所述数据采集单元包括带输入输出功能的数据采集卡，其输出端分别与光纤解调仪和红外热像仪相连，其输入端与所述控制处理单元相连；

所述控制处理单元用于实现温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据的同步获取，并根据温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据实现温度场、应变场和振动的多物理场同步测量。

作为进一步优选的，所述光纤光栅传感器的采样率为2MHz，其光栅在布点上的空间分辨率小于0.2mm。

作为进一步优选的，所述根据温度场、应变场和振动数据以及红外图像数据实现温度场、应变场和振动的多物理场同步测量包括温度场测量、应变场测量和振动测量。