FBG傳感器應(yīng)變標(biāo)定方法*

白生寶，　肖迎春，　黃　博，　劉國(guó)強(qiáng)

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　西安，710065)

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FBG傳感器應(yīng)變標(biāo)定方法*

白生寶，肖迎春，黃博，劉國(guó)強(qiáng)

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室西安，710065)

摘要為了提高光纖光柵應(yīng)變傳感器測(cè)量精度，針對(duì)光纖光柵傳感器工程應(yīng)用情況，提出了一種光纖布拉格光柵(fiber bragg grating, 簡(jiǎn)稱(chēng)FBG)傳感器應(yīng)變特性標(biāo)定方法。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)標(biāo)定了封裝式光纖光柵應(yīng)變傳感器的靈敏度系數(shù)，對(duì)傳感器理論與實(shí)驗(yàn)靈敏度系數(shù)誤差進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法簡(jiǎn)單、易行，用于光纖光柵傳感器使用前的標(biāo)定，可以提高基于光柵光柵傳感器的測(cè)量精度和準(zhǔn)確性。同時(shí)，該方法為光纖光柵傳感器的工程推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞光纖布拉格光柵; 標(biāo)定; 應(yīng)變; 靈敏度

引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用集成在結(jié)構(gòu)中的先進(jìn)傳感器/驅(qū)動(dòng)器網(wǎng)絡(luò)，在線(xiàn)實(shí)時(shí)地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況有關(guān)的信息(如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度及損傷等)，結(jié)合先進(jìn)的信息處理方法和力學(xué)建模方法，提取結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，識(shí)別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和故障，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)[1-2]。連續(xù)監(jiān)測(cè)可以使飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)施“視情維護(hù)”策略，因而可提高飛機(jī)安全性，同時(shí)可減少直接運(yùn)營(yíng)成本和直接維護(hù)成本。光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating ， 簡(jiǎn)稱(chēng)FBG)傳感器利用反射波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、壓力等物理參數(shù)的敏感特性為基礎(chǔ)，相對(duì)于傳統(tǒng)傳感器，F(xiàn)BG具有體積小、重量輕、可復(fù)用、抗電磁干擾、抗腐蝕、可埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中等優(yōu)點(diǎn)，因而FBG傳感器被認(rèn)為是航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中最有前途的傳感器之一[3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)FBG傳感器工程應(yīng)用問(wèn)題開(kāi)展了大量的研究[4-11]，重點(diǎn)研究了FBG應(yīng)變/溫度傳感器特性、安裝工藝、封裝技術(shù)、補(bǔ)償技術(shù)及應(yīng)用測(cè)試等，取得了很多成果，加快了FBG傳感器在工程應(yīng)用中的進(jìn)程。

FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)是一個(gè)極其重要的參數(shù)，它直接影響測(cè)量結(jié)果，但由于FBG傳感器在使用過(guò)程中為了保證傳感器成活率和監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期性，一般都要對(duì)其進(jìn)行不同形式封裝和使用粘接劑進(jìn)行安裝，加之使用環(huán)境的不同，F(xiàn)BG本身的傳感特性會(huì)發(fā)生變化。為了保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)性和測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，在使用前根據(jù)不同使用要求和環(huán)境條件必須對(duì)FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定[12-13]，但對(duì)FBG傳感器的標(biāo)定國(guó)內(nèi)外尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)。筆者提出了一種新穎的FBG應(yīng)變傳感器的標(biāo)定方法，該方法采用等彎矩梁和四點(diǎn)彎曲加載實(shí)現(xiàn)了對(duì)FBG傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)的標(biāo)定，且簡(jiǎn)單易行；并對(duì)柔性基底封裝的FBG傳感器[14]進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可行性。結(jié)果表明，該標(biāo)定方法可有利提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，為基于FBG應(yīng)變傳感器的航空航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量和健康監(jiān)測(cè)可靠性奠定了基礎(chǔ)。

1FBG傳感器應(yīng)變傳感原理

FBG是在光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性調(diào)制的一種光纖傳感組件，其作用效果相當(dāng)于在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾光器或反射鏡，當(dāng)一束中心波長(zhǎng)為λ的寬光譜光經(jīng)過(guò)FBG時(shí)，被光柵反射回一束單色光λB。光纖光柵的反射或透射峰的波長(zhǎng)與光柵的折射率調(diào)制周期以及纖芯有效折射率有關(guān)，而外界溫度或應(yīng)變的變化會(huì)影響光纖光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯折射率，從而引起光纖光柵的反射或透射峰波長(zhǎng)的變化，溫度、應(yīng)變的變化會(huì)引起光纖布拉格光柵的周期和折射率的變化，從而使光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)光纖布拉格光柵的反射譜和透射譜的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度和應(yīng)變的信息，這就是用光纖布拉格光柵測(cè)量溫度和應(yīng)變的基本原理。

由光譜特性可知，F(xiàn)BG的反射譜中心波長(zhǎng)為

(1)

其中：λB光柵中心波長(zhǎng)；Λ為光柵折射率變化周期；neff為光柵有效折射率。

由式(1)可知，F(xiàn)BG的中心波長(zhǎng)λB隨有效折射率和光線(xiàn)光柵周期改變而改變。應(yīng)變可引起光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)，溫度可引起熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)，而彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)可使光柵的有效折射率neff發(fā)生變化，熱膨脹效應(yīng)可引起光柵周期Λ的變化，由式(1)可知FBG中心波長(zhǎng)的偏移可寫(xiě)成

(2)

由彈性力學(xué)及彈光效應(yīng)、熱光效應(yīng)、熱膨脹效應(yīng)的理論，式(2)可寫(xiě)成

(3)

其中：P11和P12為光纖的彈光系數(shù)；μ為泊松比；ε1為軸向應(yīng)變；αs為熱光系數(shù)；ξs為熱膨脹系數(shù)；ΔT為溫度變化量。

式(3)可以簡(jiǎn)化為

(4)

假設(shè)外界溫度恒定不變，即ΔT=0時(shí)，有

(5)

其中：ΔλB為傳感器中心波長(zhǎng)的漂移量;Kε為FBG的應(yīng)變靈敏度系;ε2為光柵應(yīng)變。

同樣，假設(shè)外界溫度恒定不變，式(4)可簡(jiǎn)化為

(6)

對(duì)于普通單模石英光纖，Pe約為0.22，按式(6)可計(jì)算出中心波長(zhǎng)1 510～1 590 nm的FBG傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)平均值為1.209 pm/με。

2FBG傳感器應(yīng)變標(biāo)定方法

應(yīng)變標(biāo)定方法主要采用準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單的四點(diǎn)彎等彎矩梁作為基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在標(biāo)準(zhǔn)梁粘貼FBG，通過(guò)施加載荷使梁上產(chǎn)生應(yīng)變，通過(guò)計(jì)算得到梁表面的應(yīng)變以及FBG的靈敏度系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)FBG傳感器的應(yīng)變特性標(biāo)定。

圖1　標(biāo)定方法原理Fig.1　Calibration method principle

根據(jù)材料力學(xué)理論可得，梁上加載點(diǎn)之間的等彎段應(yīng)力為

(7)

那么，梁上下表面上的應(yīng)變?yōu)?/p>

(8)

其中：M為梁等彎段彎矩；I為梁橫截面的慣性矩；h為梁的厚度；E為梁材料的彈性模量；l為梁上兩支撐點(diǎn)間的距離；a為支撐點(diǎn)到加載點(diǎn)之間的距離；ω為梁中點(diǎn)處的撓度。

由式(5)和式(8)可得FBG傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)為

(9)

3封裝FBG應(yīng)變傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與分析

采用該標(biāo)定方法對(duì)中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所研制的柔性基底封裝FBG傳感器[14]的應(yīng)變靈敏度系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，F(xiàn)BG傳感器粘貼在梁等彎部分的上下表面，上下表面共粘貼4支傳感器，如圖2所示。等彎矩標(biāo)定梁安裝在應(yīng)變計(jì)性能鑒定機(jī)上進(jìn)行加載，如圖3所示。

圖2　FBG傳感器安裝示意圖Fig.2　Installation position of FBG sensor

圖3　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3　Experiment device

按500 με一級(jí)逐級(jí)加載，直至±2 000 με后卸載，每組正式實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。實(shí)驗(yàn)加載擬合曲線(xiàn)如圖4～圖9所示。

圖4　FBG波長(zhǎng)變化與應(yīng)變之間關(guān)系(第1次拉伸)Fig.4　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain(the first stretch)

圖5　FBG波長(zhǎng)變化與應(yīng)變之間關(guān)系(第2次拉伸)Fig.5　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain (the second stretch)

圖6　FBG波長(zhǎng)變化與應(yīng)變之間關(guān)系(第3次拉伸)Fig.6　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain (the third stretch)

圖7　FBG波長(zhǎng)變化與應(yīng)變之間關(guān)系(第1次壓縮)Fig.7　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain (the first compress)

圖8　FBG波長(zhǎng)變化與應(yīng)變之間關(guān)系(第2次壓縮)Fig.8　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain (the second compress)

圖9　FBG波長(zhǎng)變化與應(yīng)變之間關(guān)系(第3次壓縮)Fig.9　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain (the third compress)

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及FBG傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)計(jì)算公式(9)得到,該批次柔性基底封裝FBG應(yīng)變傳感器的平均應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.246，具體如表1所示。

表1　FBG傳感器靈敏度系數(shù)

由此可見(jiàn)，封裝的FBG傳感器理論應(yīng)變靈敏度系數(shù)與經(jīng)過(guò)標(biāo)定的應(yīng)變靈敏度系數(shù)存在較大差異，其主要原因?yàn)镕BG傳感器在使用時(shí)通過(guò)粘接劑進(jìn)行安裝，并采用了封裝形式，封裝材料、安裝工藝(粘接劑的選擇、粘接長(zhǎng)度、寬度及厚度等)、環(huán)境條件(溫度、濕度)等影響了結(jié)構(gòu)真實(shí)應(yīng)變的傳遞。由此引起的應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)必然存在較大誤差。

因此在FBG傳感器的實(shí)際工程應(yīng)用中，不同批次FBG傳感器、不同的封裝方式、安裝工藝、環(huán)境條件下必須對(duì)FBG應(yīng)變傳感器靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)FBG傳感器在實(shí)際使用時(shí)，由于采用封裝形式、粘接劑安裝等造成FBG傳感器本身應(yīng)變靈敏度系數(shù)發(fā)生變化，影響到測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等問(wèn)題，提出了一種FBG傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)的標(biāo)定方法。該方法簡(jiǎn)單、易行，適用于FBG應(yīng)變傳感器使用前的標(biāo)定，為建立FBG傳感器高精度要求的結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)量、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和加快FBG傳感器的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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E-mail:bab623@163.com

doi:10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.02.018

收稿日期：2014-03-16；修回日期：2014-06-16

中圖分類(lèi)號(hào)TN253; V214.3+2; TP211.6; TH86

第一作者簡(jiǎn)介：白生寶，男，1979年12月生，高級(jí)工程師。主要研究方向?yàn)楣饫w光柵傳感技術(shù)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)。曾發(fā)表《基于FBG傳感器的沖擊損傷定位》(《振動(dòng)、測(cè)試與診斷》2011年第31卷第4期)等論文。

*中航工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2013F62348R)