光纖琺珀應(yīng)變計應(yīng)力溫度影響實驗分析

閔 夫，楊彥廣，戴金雯，冉曾令

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所，四川綿陽 621000；2.電子科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，光纖傳感與通信教育部重點實驗室，四川成都 610000)

0 引言

風(fēng)洞是進行空氣動力學(xué)研究與飛行器研制的最基本的試驗設(shè)備[1]，而應(yīng)變天平是風(fēng)洞氣動力試驗中最重要的儀器。應(yīng)變天平結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可供應(yīng)變計安裝的空間小，且天平常應(yīng)用于強電磁干擾、高溫、水、粉塵、油污等惡劣環(huán)境。受限于電阻應(yīng)變計固有屬性，電阻天平難以從根本上消除電磁和高溫等環(huán)境影響，難以實現(xiàn)強電磁和高溫環(huán)境下的高精度應(yīng)變測量。而光纖傳感器具有抗電磁干擾、耐高溫、耐腐蝕、可靠性高等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于航天航空、航海、土木工程、環(huán)境監(jiān)測等諸多領(lǐng)域[2]，光纖應(yīng)變傳感為應(yīng)變天平在惡劣環(huán)境下高精度測量提供了一種技術(shù)方案。國內(nèi)外已有多家機構(gòu)開展了光纖天平技術(shù)的研究，所采用的光纖應(yīng)變計以光纖琺珀(FP)應(yīng)變計和光纖布拉格光柵(FBG)為主。印度科學(xué)院[6]、美國AEDC[7]、南非約翰內(nèi)斯堡大學(xué)[9]等高校和研究機構(gòu)均開展了光纖天平的應(yīng)用驗證與光纖天平結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等工作；在國內(nèi)，中國空氣動力研究與發(fā)展中心與電子科技大學(xué)聯(lián)合開展了光纖應(yīng)變計的研制和光纖天平的風(fēng)洞試驗研究[11]。

本文主要開展了基于157 nm準(zhǔn)分子激光[12]加工制作的光纖FP應(yīng)變計的實驗研究，在懸臂梁上測試了光纖應(yīng)變計的靜態(tài)加載特性和溫度輸出特性，基于測試結(jié)果分析了光纖應(yīng)變計的熱輸出來源，提出了對稱耦合求解的溫度補償方法，該方法能夠有效地減小熱輸出，提供光纖應(yīng)變計的應(yīng)變測量精度。該研究初步分析了光纖天平的基本性能，為下一步光纖應(yīng)變計在多(六)分量天平的應(yīng)用提供技術(shù)保障。

1 光纖FP應(yīng)變計

光纖FP應(yīng)變計采用157 nm激光微加工系統(tǒng)制作，如圖1所示，加工裝置由激光模塊、光學(xué)模塊、控制模塊和三坐標(biāo)機構(gòu)等結(jié)構(gòu)組成。157 nm激光經(jīng)光學(xué)模塊整形匯聚，通過控制模塊和三坐標(biāo)機構(gòu)的準(zhǔn)確控制，能定位在單模光纖端面，刻蝕出一定寬度和深度的凹腔，再與另一支單模光纖熔接，形成FP腔，即制作成了光纖FP應(yīng)變計。采用157 nm激光加工法制作光纖FP應(yīng)變計工藝流程少，制作的應(yīng)變計結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小。

圖1 激光加工系統(tǒng)

光纖FP腔的工作原理為多光束干涉，但由于激光刻蝕的光纖端面反射率較低，經(jīng)多次透射反射后光線強度很低，因而可用雙光束干涉近似模擬多光束干涉。入射光經(jīng)FP腔反射后的強度可表示為

(1)

式中：Ir反射光強度；Ii為入射光強度；R為FP腔的反射率；d為FP腔的長度；λ為入射光的波長。

圖2為光纖FP應(yīng)變計的反射光譜。

圖2 光纖應(yīng)變計反射光譜圖

反射光譜與FP腔的長度密切相關(guān)，光纖FP應(yīng)變計受拉(壓)應(yīng)力作用時，F(xiàn)P腔變長(短)，應(yīng)變計的反射光譜相位變化，信號解調(diào)儀檢測其相位變化，通過校準(zhǔn)得到相位與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，可求解應(yīng)變計的應(yīng)變。

2 實驗與結(jié)果分析

采用圖1所示的激光加工系統(tǒng)制作了2支光纖FP應(yīng)變計。光纖應(yīng)變計的靜態(tài)實驗在懸臂梁上進行，懸臂梁材料為馬氏體實效鋼(00Ni18Co8Mo5TiAl)，應(yīng)變量與加載量關(guān)系為0.198 με/g。用陶瓷膠將應(yīng)變計1和應(yīng)變計2粘貼在等強度梁的上下表面的對稱位置，實驗裝置如圖3所示。其中應(yīng)變計輸出信號用相位解調(diào)儀測量，相位分辨率為10-4rad。

圖3 懸臂梁裝置圖

2.1 應(yīng)變計加載和溫升測試

在懸臂梁上進行了3次靜態(tài)加卸載測試，2支應(yīng)變計的輸出曲線如圖4所示。光纖應(yīng)變計輸出與載荷的線性度較好，線性系數(shù)均優(yōu)于0.999，2支應(yīng)變計的輸出重復(fù)性均優(yōu)于1%，加載與卸載的滯后均小于0.1%。2支應(yīng)變計3次加卸載平均靈敏度分別為1.66×10-3、1.62×10-3rad/με，因此該光纖應(yīng)變計的應(yīng)變分辨率約為0.06 με。

圖4 安裝后應(yīng)變計載荷輸出曲線

將懸臂梁置于水浴裝置中進行升溫實驗，2支應(yīng)變計的溫度輸出曲線如圖5所示。粘貼安裝后的應(yīng)變計相位輸出與溫度的線性相關(guān)性較好，應(yīng)變計的溫度靈敏度(一次擬合)分別為9.23×10-3、1.066×10-2rad/℃。

圖5 安裝后應(yīng)變計溫度輸出曲線

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)光纖FP應(yīng)變計靜態(tài)加卸載和溫升實驗數(shù)據(jù)可知，粘貼后的應(yīng)變計的輸出信號與載荷量線性系數(shù)優(yōu)于0.999，測量重復(fù)性優(yōu)于1%，應(yīng)變分辨率為0.06 με，可適合于高精度應(yīng)變測量。溫度每變化1 ℃，應(yīng)變計1與應(yīng)變計2的溫度靈敏度是應(yīng)變靈敏度的5～6倍，故光纖應(yīng)變計的輸出信號受溫度影響較應(yīng)變影響更為嚴(yán)重。因而，為提高光纖FP應(yīng)變計在變化溫度場中應(yīng)變的測量精度，須采取一定的溫度補償措施。

當(dāng)只考慮應(yīng)變計和等強度梁的熱膨脹并忽略粘貼劑對應(yīng)變計的影響時，安裝在等強度梁上的光纖FP應(yīng)變計熱輸出如圖6所示。按上述應(yīng)變計熱輸出原理分析，安裝前后應(yīng)變計的溫度靈敏度見表1。懸臂梁材料的熱膨脹系數(shù)為10.8×10-6/℃，光纖的熱膨脹系數(shù)為5.5×10-7/℃。

圖6 光纖應(yīng)變計的熱輸出示意圖

表1 光纖FP應(yīng)變計應(yīng)變和溫度靈敏度數(shù)據(jù)表

僅考慮梁與光纖熱膨脹的應(yīng)變計溫度靈敏度大于測量值，說明溫度對應(yīng)變計輸出的影響不僅包括應(yīng)變計和基底材料的熱膨脹，還可能與其他因素有關(guān)，如陶瓷膠粘貼情況等。

盡管影響應(yīng)變計熱輸出的因素多，但懸臂梁上對稱位置的應(yīng)變計溫度輸出相關(guān)性較好，如圖7所示。因此，可采用對稱耦合求解的補償方法對應(yīng)變計溫度輸出進行修正，以消除或減小光纖FP應(yīng)變計的熱輸出。為了驗證對稱耦合求解方法的可行性，進行了第二次溫升實驗，溫升約60 ℃，補償前后應(yīng)變計2溫度輸出曲線如圖8所示。由圖8可知，對稱耦合求解效果明顯，補償后應(yīng)變計60 ℃溫度變化的熱輸出是補償前熱輸出的2.1%；補償后應(yīng)變計熱輸出僅為應(yīng)變計滿量程(200 με)的4.1%。

圖7 應(yīng)變計熱輸出相關(guān)曲線

圖8 補償前后應(yīng)變計2溫度輸出曲線

3 結(jié)論

本文對157 nm激光加工的光纖FP應(yīng)變計進行了實驗研究，將光纖FP應(yīng)變計安裝于懸臂梁，測試其加卸載特性和溫度特性，實驗結(jié)果表明光纖FP應(yīng)變計的輸出與載荷(應(yīng)變)線性度好，應(yīng)變靈敏度高；安裝在懸臂梁上的光纖應(yīng)變計受溫度影響明顯，在變溫環(huán)境中進行應(yīng)變測量時必須對熱輸出進行補償。光纖應(yīng)變計安裝在懸臂梁后溫度靈敏度明顯變大，其原因復(fù)雜，不僅與天平梁的熱膨脹有關(guān)，也與陶瓷膠安裝相關(guān)。在下一步工作中，將會對應(yīng)變計的安裝方式進行實驗分析，同時將光纖應(yīng)變計應(yīng)用于六分量天平并進行風(fēng)洞試驗，驗證其測試精度。