光纖應變傳感器標定技術研究

徐軍 李曉強 陳偉

摘要：提出一種基于等強度懸臂梁的光纖光柵應變傳感器標定方法，通過理論分析和實驗驗證標定了研制的光纖光柵應變傳感器的靈敏度系數(shù)，分析對比理論值與實驗值的靈敏度系數(shù)誤差，證實該標定方法簡單、可靠，可用于多種類型光纖應變傳感器的標定，并能繼續(xù)推廣到實際的工程運用中去。

關鍵詞：光纖光柵;標定;靈敏度系數(shù);應變

引言

導彈發(fā)射箱結構應變監(jiān)測技術是利用粘貼在其表面的光纖應變傳感網絡，在線獲取應變箱重點部位的應變等參數(shù)的綜合測量系統(tǒng)。持續(xù)監(jiān)測發(fā)射箱結構應變對提升武器裝備性能改進，減小導彈發(fā)射風險具有重要意義。光纖布拉格光柵（簡稱光纖光柵）利用刻蝕在光纖內部的光柵反射傳感光束，并通過光纖解調儀將傳感光束解調成應變信號，實現(xiàn)應變測試。它具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、抗腐蝕等優(yōu)點，因而被認為是航空航天領域結構健康監(jiān)測中極具應用前景的傳感器。

光纖光柵傳感器的應變靈敏度系數(shù)是表征一個傳感器性能優(yōu)劣的重要指標，直接影響最終的測試結果。由于光纖光柵傳感器在使用過程中為了保證傳感單元的有效成活率，必須對裸光柵進行必要的封裝，光纖光柵本身的傳感特性因而會發(fā)生改變。這就需要在使用前對封裝好的傳感元進行標定。

1.光纖光柵傳感器應變傳感機制

光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外接物理量對光纖布拉格波長的調制來獲取傳感信息，是一種波長調制型光纖傳感器。也就是說當寬帶光源發(fā)出的光入射到光纖光柵中時，只有滿足其反射條件的光才會被反射回來，其余的光全部透射出去。光纖光柵傳感器結構圖和反射透射光譜圖如圖1所示。

2.光纖光柵傳感器應變標定

應變標定采用等強度懸臂梁作為基本結構，如圖2所示。在等強度懸臂梁適當位置粘貼封裝后的光纖光柵應變傳感器，在同一位置的正下方粘貼標準應變片。通過步進電機驅動懸臂梁產生彎折，使粘貼應變傳感器位置處產生應變，攜帶有傳感信息的傳感光束經光纖解調儀計算出該點的應變并與標準應變片測得的應變量進行比對，計算出光纖光柵的靈敏度系數(shù)，進而實現(xiàn)傳感器的應變特性標定。

封裝后的光纖光柵應變傳感器如圖3所示粘貼在等強度懸臂梁上表面，標準應變片粘貼在對應位置處的下表面。光纖光柵作為應變測量的傳感組件，應變量由解調系統(tǒng)測出，電阻應變片作為傳感組件，應變大小由電阻應變測試儀測得。

待各系統(tǒng)安裝調試完成后，進行加載實驗。驅動電機使等強度懸臂梁產生周期變化的均勻應變。待光纖光柵傳感系統(tǒng)應變曲線逐步趨于穩(wěn)定后，同時記錄下光纖光柵傳感系統(tǒng)和電阻應變片傳感系統(tǒng)的應變值。標定系統(tǒng)中光纖光柵傳感系統(tǒng)的應變值如表1所示，標定系統(tǒng)中電阻應變片傳感系統(tǒng)的應變值如表2所示。對測得的兩組應變值做數(shù)據(jù)處理。

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（作者單位：貴州航天計量測試技術研究所）