彈性體結(jié)構(gòu)光纖光柵應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)與性能研究

杜俊賢 王連桂

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265500)

單模光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)簡(jiǎn)稱為光纖光柵，是在單模光纖上采用紫外激光照射相位掩模板寫制而成的波長(zhǎng)調(diào)制型光學(xué)無(wú)源器件，具有抗電磁干擾、體積小、易封裝、與待測(cè)對(duì)象結(jié)合和易組網(wǎng)的特點(diǎn)，在航空航天設(shè)備、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施及大壩橋梁等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1～3]。常見的光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝方式為基片粘貼式、管狀嵌入式及兩端固定式等，基片粘貼式一般是將光纖光柵用環(huán)氧膠粘貼在鋼性基板上，多用于結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變的測(cè)量[4，5]；嵌入式則將光纖光柵灌封于較小的鋼管中，適合于大壩等土木工程內(nèi)部的應(yīng)變監(jiān)測(cè)[6]；兩端固定式是在中間光纖光柵有良好保護(hù)的基礎(chǔ)上，將兩端粘貼固定，應(yīng)變直接作用在柵區(qū)上，適合于較小尺寸場(chǎng)合的應(yīng)用。雖然多種結(jié)構(gòu)的光纖光柵應(yīng)變傳感器獲得了大量的應(yīng)用[7，8]，但傳感器的高精度、穩(wěn)定度和長(zhǎng)期可靠性仍是當(dāng)前研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

筆者在分析當(dāng)前光纖光柵應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，用激光加工設(shè)計(jì)305不銹鋼材料的彈性封裝結(jié)構(gòu)，并通過(guò)應(yīng)變力學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)研究測(cè)試了傳感器的靈敏度、線性度及穩(wěn)定度等性能指標(biāo)。

1 光纖光柵傳感器的應(yīng)變響應(yīng)機(jī)理分析①

光纖光柵是在載氫增加光敏性后的單模光纖上，利用紫外激光照射相位掩模板形成的，成柵后在照射區(qū)域的單模光纖上光纖纖芯呈周期性調(diào)制。根據(jù)光在光纖中傳輸?shù)鸟詈夏＠碚?，?dāng)一束光入射到光纖中時(shí)，遇到光纖光柵會(huì)有滿足反射條件的窄帶光反射回來(lái)[9]，反射回的窄帶光波長(zhǎng)即光纖光柵的中心波長(zhǎng)λB，可表示為：

λB=2neffΛ

(1)

式中neff——纖芯導(dǎo)模的有效折射率；

Λ——折射率調(diào)制周期。

當(dāng)有應(yīng)力作用到光纖光柵上時(shí)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)變化ΔλB可表示為：

ΔλB=2(ΛΔneff+neffΔΛ)

(2)

在應(yīng)力作用下，一方面由于光彈效應(yīng)會(huì)引起有效折射率neff的變化，另外由直接變形引起柵格周期Λ的變化。假定在溫度不變的條件下，光纖光柵的中心波長(zhǎng)變化ΔλB(ε)與光纖光柵所受軸向應(yīng)變變化Δε之間的關(guān)系可表示為：

ΔλB(ε)=kλBΔε

(3)

其中，k為應(yīng)變響應(yīng)的靈敏度系數(shù)，封裝后傳感器可通過(guò)應(yīng)變測(cè)試進(jìn)行標(biāo)定[10，11]?？梢钥闯?，應(yīng)變值與波長(zhǎng)變化量之間存在線性關(guān)系。

2 封裝設(shè)計(jì)及其力學(xué)仿真

設(shè)計(jì)模型材料使用不銹鋼305(1Cr18Ni9或1Cr18Ni12Ti)，其彈性模量為190GMPa，泊松比為0.305，密度8 000kg/m3，屈服強(qiáng)度不小于177MPa，抗拉強(qiáng)度不小于480MPa，布氏硬度不大于187，伸長(zhǎng)率不小于40%；實(shí)際屈服強(qiáng)度305MPa，抗拉強(qiáng)度630MPa，延伸率58%，維氏硬度164。彈性結(jié)構(gòu)光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝模型的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彈性封裝結(jié)構(gòu)示意圖 1、2——光纖出纖槽； 3、4——對(duì)稱的彈性體結(jié)構(gòu)；5——光纖光柵敏感元件放置區(qū)域；6、7——光柵兩端的光纖固定點(diǎn)，通過(guò)環(huán)氧膠將光柵兩端的光纖固定，固定光纖長(zhǎng)度3mm

為分析其力學(xué)性能，在Ansys中建立有限元模型，如圖2所示。其中，傳感器A區(qū)和C區(qū)的底部粘貼在試件上，根據(jù)傳感器的安裝方式，將A區(qū)作為固定的一端，C區(qū)作為加力的一方，傳感器根據(jù)A區(qū)和C區(qū)的相對(duì)位移來(lái)測(cè)試試件的應(yīng)變。同時(shí)，根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)，提取傳感器主要應(yīng)變B區(qū)域邊界上的節(jié)點(diǎn)作為測(cè)量部位(圖2的n1和n2節(jié)點(diǎn))和施加力的節(jié)點(diǎn)n3，3個(gè)節(jié)點(diǎn)皆在軸線位置上。將節(jié)點(diǎn)n1和n2的位置差作為B區(qū)域的長(zhǎng)度，將節(jié)點(diǎn)n3和n2的位置差作為A區(qū)和B區(qū)的長(zhǎng)度。為了更好地體現(xiàn)小應(yīng)變的模擬效果，將C區(qū)底部的節(jié)點(diǎn)自由度耦合在一起，其中n3為施加拉力和簡(jiǎn)諧力的節(jié)點(diǎn)。

圖2 傳感器的有限元模型

利用Ansys對(duì)傳感器在-2 000～2 000με的應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，在測(cè)量范圍的邊界2 000με和-2 000με下的傳感器應(yīng)變仿真云圖分別如圖3a、b所示，應(yīng)力的作用主要集中在彈性體區(qū)域，且均在其彈性范圍內(nèi)。該結(jié)構(gòu)將應(yīng)變變化區(qū)域設(shè)置在彈性體上，通過(guò)彈性體的變化表征整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，有效避免了原有基片式封裝結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)變形及疲勞等問(wèn)題，同時(shí)提高了傳感器的使用壽命。在應(yīng)用于應(yīng)變檢測(cè)時(shí)，待測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變通過(guò)彈性結(jié)構(gòu)傳遞到封裝于其上的光纖光柵敏感元件，進(jìn)而引起光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化。在傳感器標(biāo)定后，即可通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)變化反演測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變情況。

圖3 傳感器應(yīng)變仿真云圖

根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，用激光加工技術(shù)在厚度為2mm的305不銹鋼板材上，加工彈性體結(jié)構(gòu)光纖光柵應(yīng)變傳感器封裝結(jié)構(gòu)，在加工過(guò)程中需要注意保持板材的平整性和外力自由性，以保證彈性體的良好性能。

3 性能測(cè)試

選取中心波長(zhǎng)1 551.300nm、柵區(qū)長(zhǎng)10mm、3dB帶寬0.250nm的光纖光柵，并為檢測(cè)負(fù)向應(yīng)變施加預(yù)應(yīng)力將該光纖光柵的波長(zhǎng)預(yù)拉伸至1 553.300nm，采用環(huán)氧膠將光柵的兩端固定于傳感器的6和7固定點(diǎn)(圖1)，保持48h使環(huán)氧膠固化，保持良好的穩(wěn)定度。然后，將設(shè)計(jì)的光纖光柵應(yīng)變傳感器焊接固定在等應(yīng)變梁上，利用高精度光纖光柵解調(diào)儀SM125讀取光纖光柵應(yīng)變傳感器的中心波長(zhǎng)。同時(shí)在等應(yīng)變位置布設(shè)一個(gè)高精度電子應(yīng)變計(jì)，通過(guò)增減砝碼調(diào)整等應(yīng)變梁產(chǎn)生應(yīng)變的大小。

首先進(jìn)行正向應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，傳感器位于等應(yīng)變量的上表面，通過(guò)增減砝碼，根據(jù)高精度應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)設(shè)定應(yīng)變值分別為100、200、300、500、800、1 000με，然后將等應(yīng)變梁反置，對(duì)應(yīng)光纖光柵應(yīng)變傳感器感受到的應(yīng)變值分別為-100、-200、-300、-500、-800、-1 000με。實(shí)驗(yàn)測(cè)得應(yīng)變傳感器光纖光柵的波長(zhǎng)與應(yīng)變的關(guān)系如圖4所示，傳感器的應(yīng)變靈敏度為1.21pm/με，線性度達(dá)0.999 6，可以推得其檢測(cè)精度不大于1με。

圖4 光纖光柵傳感器波長(zhǎng)與應(yīng)變的關(guān)系

另外，設(shè)定等應(yīng)變梁的應(yīng)變值為500με，對(duì)其進(jìn)行1h的穩(wěn)定度測(cè)試，每秒鐘讀取一個(gè)光纖光柵傳感器的波長(zhǎng)，并將其用靈敏度關(guān)系式轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示，其長(zhǎng)期測(cè)試穩(wěn)定度不大于±3με，相對(duì)穩(wěn)度0.3%，滿足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)對(duì)高精度應(yīng)變傳感器穩(wěn)定度小于0.5%的要求。

圖5 光纖光柵應(yīng)變傳感器穩(wěn)定度測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

基于彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型光纖光柵應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)，能夠使應(yīng)變有效地傳遞到光纖光柵敏感原件，實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得了良好的應(yīng)變響應(yīng)線性度、 靈敏度和穩(wěn)定度。通過(guò)對(duì)彈性體尺寸的改變，可以設(shè)計(jì)應(yīng)變靈敏度不同的傳感器，為傳感器的增敏封裝提供了新的思路，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中具有良好的應(yīng)用前景。值得一提的是，封裝后的光纖光柵應(yīng)變傳感器根據(jù)光纖光柵對(duì)外界參量的敏感機(jī)理，除了受應(yīng)變的影響之外還會(huì)受到溫度的影響，在使用時(shí)需要增加溫度補(bǔ)償光柵，消除溫度的影響，保證應(yīng)變檢測(cè)的獨(dú)立性。

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DesignandPerformanceStudyofFBGStrainSensorwithElasticBodyStructure

DU Jun-xian, WANG Lian-gui