一種新型結(jié)構(gòu)非本征F-P傳感器全應變測量性能研究

王元生，溫志勛，艾長勝，楊柳

（西北工業(yè)大學力學與土木建筑學院，西安710129）

0 引 言

航空發(fā)動機熱端部件材料處于復雜的工作環(huán)境，實時準確的應變測量技術對熱負載和機械負載共同作用下監(jiān)測評估發(fā)動機部件材料的性能至關重要，這就對測量傳感器和儀器技術的發(fā)展提出了較高要求［1-3］。傳統(tǒng)的基于壓電、壓阻、電容、磁感等原理的應變傳感器能夠滿足測量范圍、頻率響應和其他大部分要求，但這些傳感器僅能在常溫測試環(huán)境中表現(xiàn)良好，無法滿足航空發(fā)動機高溫環(huán)境測試要求。

光纖傳感與測量技術是儀器儀表領域重要的發(fā)展方向［4-5］，相對傳統(tǒng)的傳感器能起到擴展提高的作用，研究人員對其應用前景具有較高的期望。Tian Ye等［6］介紹了一種基于非對稱雙側(cè)孔光纖（DSHF）的高靈敏度液位傳感器；巴德欣等［7］闡述了分布式光纖傳感技術及其在航空航天領域的應用情況；牛杭等［8］開展了光纖傳感器光柵波長解調(diào)系統(tǒng)性能分析；張中流等［9］在現(xiàn)有分布式光纖傳感技術研究成果的基礎上，提出一種基于光纖傳感技術的結(jié)構(gòu)受力分布式測量方法；姚國珍等［10］設計了具有溫度補償功能的光纖振動測量系統(tǒng)。

與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖F-P傳感器具有精度高、線性好、靈敏度高、響應溫度范圍廣、質(zhì)量輕、尺寸小、安裝方便、抗干擾能力強等優(yōu)點，適合在振動以及高溫高壓等惡劣環(huán)境下進行測量，因此非常適合安裝在航空發(fā)動機高溫部件等受測結(jié)構(gòu)的內(nèi)部或者表面，用來實時測量應力、應變、變形、振動、溫度等物理量，并且可進行持續(xù)性檢測。Wang Tingting等［11］提出了一種基于混合式法布里—珀羅干涉儀的微型壓力傳感器設計，實現(xiàn)了對微小應變的測量。然而，為了準確評估材料的力學性能，必須實現(xiàn)對材料全應變的測量，因此要提高傳感器的應變測量范圍。李松等［12］開展了基于雙孔光纖并聯(lián)雙F-P干涉儀的傳感器設計，主要用于溫度與應力的同步測量；孟瑜［13］提出并制成了由動態(tài)光柵與傳統(tǒng)光柵構(gòu)成的新型F-P結(jié)構(gòu)，完成了對復合光譜變化規(guī)律的理論分析；Li Zhigang等［14］設計并制作了一種用以檢測空氣壓力和溫度的復合腔體結(jié)構(gòu)的光纖傳感器，并驗證了其測量精度。文獻［12-14］的研究證明了解調(diào)光纖中復合信號的可行性。劉冬冬［15］分析了多參數(shù)傳感單元受外界變化的傳感機理，設計了可同時測量壓力和溫度變化的復合結(jié)構(gòu)光纖傳感器，證明了光纖F-P結(jié)構(gòu)在50～200℃溫度范圍內(nèi)的可靠性；陶珺等［16］將稀疏快速傅里葉變換方法應用于光纖F-P傳感器的改進分析，提高了信號解調(diào)速率，使得F-P傳感器更適用于實時檢測應變。

針對目前光纖光柵傳感器應變測量量程受限等問題，本文根據(jù)其工作原理嘗試制作一種超量程非本征光纖F-P傳感器，探索其在常溫、高溫環(huán)境大變形靜力拉伸試驗過程中的應變測量性能，并與高級視頻引伸計（AVE）的測量結(jié)果進行對比，驗證非本征光纖F-P傳感器的精確性、穩(wěn)定性、響應溫度范圍等實際效果，以期為其應用于航空發(fā)動機部件材料微型試樣的高溫蠕變試驗打下基礎。

1 光纖F-P傳感器的傳感原理

光纖Fabry-Perot傳感器通常簡稱為光纖F-P傳感器，其結(jié)構(gòu)主要分為兩部分：敏感元件和信號解調(diào)裝置。根據(jù)敏感元件是否為光纖本身，可將光纖F-P傳感器分為兩種：本征型和非本征型。本征光纖F-P傳感器的敏感元件為光纖本身，工作時光纖內(nèi)部的干涉結(jié)構(gòu)隨著外界待測物理量的影響發(fā)生變化，通過探測器獲取光波的參量變化來得到外界待測物理量，是一種集測量和傳輸為一體的光纖傳感器。非本征光纖F-P傳感器的敏感元件不是光纖本身，其干涉結(jié)構(gòu)在光纖外部，光纖只作為傳光使用，這種結(jié)構(gòu)使非本征光纖F-P傳感器可以實現(xiàn)大范圍的變形測量。

非本征光纖F-P傳感器工作原理如下：光源打出的光波經(jīng)光纖傳輸至玻璃管內(nèi)部的空氣腔，在空氣腔兩端的光纖端面先后發(fā)生反射，兩束反射光發(fā)生干涉，并沿光纖返回，如圖1所示。將非本征光纖F-P傳感器固定在試樣的標距段上，試樣標距段發(fā)生的微小變形將會引起傳感器空氣腔長度變化，而兩束反射光的相位差會受到空氣腔長度的影響。

圖1 非本征型光纖F-P傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the extrinsic optical fiber F-P sensor

假設入射光垂直入射，即入射角Q=0，空氣折射率n=1，則根據(jù)多光束干涉原理，可將干涉光的光強表示為

式中：IR為干涉光強；為反射光的相位差，其中L為空氣腔腔長，λ為入射光波長；I0為入射光強；R1和R2分別為光纖1和光纖2的端面反射率。

因此，根據(jù)干涉光譜中光強在時域上的分布變化即可計算出兩束反射光相位差的變化，進而計算出非本征光纖F-P傳感器的實時腔長。根據(jù)實時腔長較初始腔長的變化量和試樣標距段的長度即可計算出試樣標距段的應變。由于制成光纖纖芯和玻璃管的材料均為熔點大于200℃且熱膨脹系數(shù)遠小于金屬的二氧化硅，故非本征型光纖傳感器在200℃以上航空發(fā)動機部件材料的超量程全應變測量中仍可穩(wěn)定工作。

2 非本征光纖F-P傳感器試驗方法

2.1 試驗準備

新型結(jié)構(gòu)的非本征光纖F-P傳感器制作需要光纖、帶金屬支撐的熱縮管、光纖跳線、毛細玻璃管、AB膠等材料。主要制作過程如下：（1）截取一段長光纖A，剝掉兩端涂覆層，進行端面切割；將光纖跳線接線端從熱縮管中穿出，與光纖A的一端相對放置于光纖焊接機中進行加熱，使光纖跳線與光纖A熔接；再將熱縮管加熱以保護熔接位置。截取一段短光纖B，剝掉一端的涂覆層，并進行端面切割。（2）把粗細兩個毛細玻璃管套在一起，將光纖A另一端的光纖端面從細毛細玻璃管中穿出并切出平整端面，再將光纖A進行回抽到細玻璃管內(nèi)部，此時將粗玻璃管沿著細玻璃管向光纖A的裸光纖移動，把裸光纖置入管內(nèi)進行固定。（3）光譜分析儀分別接光纖跳線和計算機。將光纖B的裸光纖由細玻璃管的另一側(cè)緩慢插入，將光纖B的端面向光纖A的端面靠近，直到光譜儀上顯示4～5個周期的正弦波時即可停止移動，光纖A和B分別與粗細玻璃管粘接，并將多余的光纖B截斷，兩根光纖的端面平行對立形成干涉結(jié)構(gòu)。至此，新型結(jié)構(gòu)的非本征光纖F-P傳感器制作完成，如圖2所示。

圖2 新型結(jié)構(gòu)的非本征光纖F-P傳感器Fig.2 Extrinsic optical fiber F-P sensor with new structure

與傳統(tǒng)型非本征光纖F-P結(jié)構(gòu)（如圖1所示）相比，新型結(jié)構(gòu)的非本征光纖F-P傳感器在裝配過程中將兩根玻璃管分別固定在試樣的標距段上，將標距段上的應變經(jīng)過玻璃管傳遞到傳感結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)對應變的測量。該結(jié)構(gòu)一方面避免了傳統(tǒng)型光纖傳感器固定在航空發(fā)動機部件材料表面，在高溫下光纖的涂覆層易受熱熔化，使光纖滑脫導致傳感器失效；另一方面，解決了在傳統(tǒng)型光纖傳感器裝配過程中，玻璃管兩端位置的光纖易彎折，而光纖纖芯的抗剪能力較弱，導致傳感光路中斷引起傳感器失效。同時，通過粗細玻璃管嵌套的新型結(jié)構(gòu)改善了在試樣拉伸過程中兩根光纖端面的對中性，使傳感器在大量程甚至超量程的全應變測量試驗中的穩(wěn)定性顯著增加。而傳統(tǒng)非本征型光纖F-P傳感器在試樣拉伸過程中，隨著應變的增加，玻璃管中的光纖長度減少，導致光纖纖芯的對中性變差，即測量的應變越大，傳感器的精度越差。

總之，相較于傳統(tǒng)型非本征F-P光纖傳感器，本文提出的新型結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境和大范圍的應變測量中更具優(yōu)勢，更加適用于航空發(fā)動機部件材料的超量程全應變測量。

2.2 試驗材料及方法

為驗證新型結(jié)構(gòu)的非本征光纖F-P傳感器的測量性能，將鋼材加工成平板和圓棒小試樣（國標），在靜力拉伸試驗機上進行拉伸過程全應力應變曲線測定，并對兩種不同試樣、兩種不同加載速率（0.5、1 mm/min）、溫度（室溫和200℃高溫）進行對比分析試驗。

試驗前需精確測量試樣尺寸，校準高溫爐溫度。將光纖傳感器裝配在試樣上，如圖3所示。將光纖跳線接入解調(diào)系統(tǒng)，如圖4所示。調(diào)整夾具及拉桿確保試樣對中性，加載預載荷。調(diào)整試驗機鏡頭對準試樣標距段并做標識。試驗停止條件為試樣斷裂或者光纖傳感器失去信號。其中，高溫試驗是在電子蠕變持久試驗機上進行的，溫度的控制誤差小于5℃，待溫度達到預設值以后，恒溫保溫10 min。

圖3 非本征光纖F-P傳感器裝配圖Fig.3 Assembly drawing of extrinsic optical fiber F-P sensor

圖4 試驗機測試件安裝及解調(diào)系統(tǒng)圖Fig.4 Installation and demodulation system diagram of test piece of testing machine

3 試驗結(jié)果分析

在光纖解調(diào)儀的數(shù)據(jù)存儲中設定時間參數(shù)，并將光纖傳感器的變形和時間的對應關系擬合出曲線公式；由于試驗數(shù)據(jù)的時間和應力一一對應，將試驗數(shù)據(jù)的時間帶入擬合曲線公式，得到與試驗機同時刻相對應的光纖應變數(shù)據(jù)，繼而可求出其應力應變關系。以0.5 mm/min加載速率的光滑平板試樣試驗結(jié)果為例，將光纖應變數(shù)值和時間參數(shù)進行擬合，擬合公式的確定系數(shù)為0.999 1，和方差為0.035 19。擬合曲線的公式為

式中：x為試驗過程中的時間；f(x)為時間x的計算應變。

將記錄試驗數(shù)據(jù)的時間點帶入擬合曲線公式求得計算應變，擬合后的計算應變與原光纖應變的曲線對比結(jié)果如圖5所示，可以看出：兩組數(shù)據(jù)的誤差很小，且在600 s以后，兩組數(shù)據(jù)的誤差穩(wěn)定縮小在0.4%以內(nèi)，證明了該擬合結(jié)果的準確性。

圖5 平板試樣計算應變與光纖應變結(jié)果對比Fig.5 Comparison results of calculated strain and fiber optic strain

將處理后的數(shù)據(jù)進行繪圖，制作出應力應變曲線，統(tǒng)計不同條件下的試驗結(jié)果，光纖F-P傳感器和AVE的對比結(jié)果如表1所示。

表1 光纖傳感器與AVE測量結(jié)果對比Table 1 Comparison of optical fiber sensor and AVE measurement results

光纖傳感器和AVE不同速率、不同粗糙度平板靜力拉伸的結(jié)果如圖6～圖7所示，可以看出：（1）光纖傳感器和AVE的測量結(jié)果在彈性階段基本重合，進入屈服階段時，AVE曲線有明顯轉(zhuǎn)折，形成拐角，而光纖傳感器曲線整體平滑過渡；（2）對于不光滑平板試樣，光纖傳感器和AVE的測試結(jié)果能保持基本重合；（3）對于光滑試樣，光纖傳感器測得的應變值明顯大于AVE測得的應變值，其原因是AVE通過鏡頭鎖定并實時測量試樣上的標記點，而光滑試樣表面過于光滑，在AVE進行紅外補光照射下試樣表面形成反射光，導致AVE測量出現(xiàn)誤差。

圖6 0.5 mm/min加載速率兩種測量方式對比結(jié)果Fig.6 Comparison results between optic F-P and AVE of 0.5 mm/min loading rate

圖7 1 mm/min加載速率兩種測量方式對比結(jié)果Fig.7 Comparison results between optic F-P and AVE of 1 mm/min loading rate

經(jīng)對比同種條件下表面光滑試樣斷后的總應變要大于表面不光滑的試樣。其中，在加載速率為0.5 mm/min，光滑平板較不光滑平板試樣的測量應變高出一倍；而在加載速率為1 mm/min，光滑平板試樣較不光滑平板試樣的測量應變高出近50%。由此可知表面粗糙度對拉伸結(jié)果影響較大，對AVE應變測量結(jié)果也有影響，但對光纖傳感器的測量結(jié)果影響較小。

光纖傳感器和AVE在兩種速率、不同試樣形式下的靜力拉伸結(jié)果如圖8～圖9所示，可以看出：（1）相同加載速率作用下，不同試樣形式的測量結(jié)果彈性階段基本重合；（2）光滑平板試樣測試中，光纖傳感器的應變要明顯大于AVE，這是由于AVE測量光滑平板試樣的過程中反光所引起的；（3）光滑圓棒試樣測試中，光纖傳感器和AVE的測量曲線大體上能保持重合，變化較??；（4）光滑平板試樣與光滑圓棒試樣的傳感器應變值差距較大，這是由于試樣裝夾方式造成的：對于光滑平板試樣只能在未安裝光纖傳感器的一側(cè)進行標識，而對于光滑圓棒試樣，可選擇在光纖傳感器表面是粗糙結(jié)構(gòu)的支架上進行標識，測量結(jié)果更好，由此展示出光纖傳感器不受外界干擾的測量優(yōu)勢。

圖8 0.5 mm/min加載速率的兩種光滑試樣對比結(jié)果Fig.8 Comparison results of two smooth samples with 0.5 mm/min loading rate

圖9 1 mm/min加載速率的兩種光滑試樣對比結(jié)果Fig.9 Comparison results of two smooth samples with 1 mm/min loading rate

本文高溫拉伸試驗依舊采用兩種加載速率，分析200℃高溫光纖傳感器相對AVE的測量性能。

在200℃高溫環(huán)境，兩種加載速率下光纖傳感器和AVE全應力應變曲線測量結(jié)果對比如圖10～圖11所示，可以看出：（1）兩種測量方式在試樣的彈性階段內(nèi)測量的曲線基本一致；（2）在屈服階段以后差異逐漸變大，進入強化階段后有細微差異，偏差約在1%應變以內(nèi)；（3）在高溫拉伸進入頸縮階段直至斷裂，引伸計測量得到的總應變偏小，最大差異約為8%應變，主要是由于輔助高溫合金裝置與試驗機的拉桿摩擦引起的，而光纖傳感器可直接裝夾在試樣表面無需借助任何輔助裝置，不存在與試驗機之間的摩擦問題，結(jié)果更為精確。

圖10 0.5 mm/min加載速率下兩種測量方式對比結(jié)果（高溫）Fig.10 Comparison results between optic F-P and AVE of 0.5 mm/min loading rate（high temperature）

圖11 1 mm/min加載速率下兩種測量方式對比結(jié)果（高溫）Fig.11 Comparison results between optic F-P and AVE of 1 mm/min loading rate（high temperature）

綜上，本文制作的新型結(jié)構(gòu)非本征F-P光纖傳感器應變測量效果可達到目前試驗室常用的引伸計測量水平，受外界因素影響極小，且其在測量變形的精度及設備體積上都表現(xiàn)出較大優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

（1）新型結(jié)構(gòu)的非本征光纖F-P傳感器較AVE測量結(jié)果穩(wěn)定，不易受試樣表面粗糙度和裝夾方式等外界因素的影響，且其應變測量精度滿足試驗要求。

（2）面對大變形試樣時，AVE受量程限制，無法實現(xiàn)超量程的全應變測量，而新型結(jié)構(gòu)的非本征光纖F-P傳感器可根據(jù)待測試樣的變形范圍進行定制，表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。

（3）在高溫環(huán)境下，光纖傳感器的性能不受高溫的影響，依舊保持良好的測量精度，相比AVE引伸計，新型結(jié)構(gòu)的非本征光纖F-P傳感器體積很小，可直接裝夾在試樣表面而不需要任何輔助裝置，測量結(jié)果更為精確。