FBG传感器应变标定方法*

2016-08-03白生宝肖迎春刘国强

振动、测试与诊断 2016年2期

关键词：应变标定灵敏度

白生宝，　肖迎春，　黄　博，　刘国强

(中国飞机强度研究所全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室　西安，710065)

FBG传感器应变标定方法*

白生宝，肖迎春，黄博，刘国强

(中国飞机强度研究所全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室西安，710065)

摘要为了提高光纤光栅应变传感器测量精度，针对光纤光栅传感器工程应用情况，提出了一种光纤布拉格光栅(fiber bragg grating, 简称FBG)传感器应变特性标定方法。通过理论分析和实验标定了封装式光纤光栅应变传感器的灵敏度系数，对传感器理论与实验灵敏度系数误差进行了分析。实验结果表明，该方法简单、易行，用于光纤光栅传感器使用前的标定，可以提高基于光栅光栅传感器的测量精度和准确性。同时，该方法为光纤光栅传感器的工程推广应用奠定了基础。

关键词光纤布拉格光栅; 标定; 应变; 灵敏度

引言

飞机结构健康监测技术是利用集成在结构中的先进传感器/驱动器网络，在线实时地获取与结构健康状况有关的信息(如应力、应变、温度及损伤等)，结合先进的信息处理方法和力学建模方法，提取结构特征参数，识别结构的状态和故障，从而实现对结构状态的连续监测[1-2]。连续监测可以使飞机结构实施“视情维护”策略，因而可提高飞机安全性，同时可减少直接运营成本和直接维护成本。光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating ，简称FBG)传感器利用反射波长对温度、应力、应变、压力等物理参数的敏感特性为基础，相对于传统传感器，FBG具有体积小、重量轻、可复用、抗电磁干扰、抗腐蚀、可埋入复合材料结构中等优点，因而FBG传感器被认为是航空航天结构健康监测中最有前途的传感器之一[3]。近年来，国内外针对FBG传感器工程应用问题开展了大量的研究[4-11]，重点研究了FBG应变/温度传感器特性、安装工艺、封装技术、补偿技术及应用测试等，取得了很多成果，加快了FBG传感器在工程应用中的进程。

FBG传感器的应变灵敏度系数是一个极其重要的参数，它直接影响测量结果，但由于FBG传感器在使用过程中为了保证传感器成活率和监测的长期性，一般都要对其进行不同形式封装和使用粘接剂进行安装，加之使用环境的不同，FBG本身的传感特性会发生变化。为了保证监测数据真实性和测量结果准确性，在使用前根据不同使用要求和环境条件必须对FBG传感器的应变灵敏度系数进行标定[12-13]，但对FBG传感器的标定国内外尚无标准。笔者提出了一种新颖的FBG应变传感器的标定方法，该方法采用等弯矩梁和四点弯曲加载实现了对FBG传感器应变灵敏度系数的标定，且简单易行；并对柔性基底封装的FBG传感器[14]进行了标定实验，验证了该方法的可行性。结果表明，该标定方法可有利提高测量结果的准确性，为基于FBG应变传感器的航空航天器结构应变测量和健康监测可靠性奠定了基础。

1FBG传感器应变传感原理

FBG是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性调制的一种光纤传感组件，其作用效果相当于在纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤光器或反射镜，当一束中心波长为λ的宽光谱光经过FBG时，被光栅反射回一束单色光λB。光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯有效折射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤布拉格光栅测量温度和应变的基本原理。

由光谱特性可知，FBG的反射谱中心波长为

(1)

其中：λB光栅中心波长；Λ为光栅折射率变化周期；neff为光栅有效折射率。

由式(1)可知，FBG的中心波长λB随有效折射率和光线光栅周期改变而改变。应变可引起光栅周期的伸缩和弹光效应，温度可引起热膨胀效应和热光效应，而弹光效应和热光效应可使光栅的有效折射率neff发生变化，热膨胀效应可引起光栅周期Λ的变化，由式(1)可知FBG中心波长的偏移可写成

(2)

由弹性力学及弹光效应、热光效应、热膨胀效应的理论，式(2)可写成

(3)

其中：P11和P12为光纤的弹光系数；μ为泊松比；ε1为轴向应变；αs为热光系数；ξs为热膨胀系数；ΔT为温度变化量。

式(3)可以简化为

(4)

假设外界温度恒定不变，即ΔT=0时，有

(5)

其中：ΔλB为传感器中心波长的漂移量;Kε为FBG的应变灵敏度系;ε2为光栅应变。

同样，假设外界温度恒定不变，式(4)可简化为

(6)

对于普通单模石英光纤，Pe约为0.22，按式(6)可计算出中心波长1 510～1 590 nm的FBG传感器应变灵敏度系数平均值为1.209 pm/με。

2FBG传感器应变标定方法

应变标定方法主要采用准确、简单的四点弯等弯矩梁作为基本结构，如图1所示。在标准梁粘贴FBG，通过施加载荷使梁上产生应变，通过计算得到梁表面的应变以及FBG的灵敏度系数，从而实现FBG传感器的应变特性标定。

图1　标定方法原理Fig.1　Calibration method principle

根据材料力学理论可得，梁上加载点之间的等弯段应力为

(7)

那么，梁上下表面上的应变为

(8)

其中：M为梁等弯段弯矩；I为梁横截面的惯性矩；h为梁的厚度；E为梁材料的弹性模量；l为梁上两支撑点间的距离；a为支撑点到加载点之间的距离；ω为梁中点处的挠度。

由式(5)和式(8)可得FBG传感器应变灵敏度系数为

(9)

3封装FBG应变传感器标定实验与分析

采用该标定方法对中国飞机强度研究所研制的柔性基底封装FBG传感器[14]的应变灵敏度系数进行标定，FBG传感器粘贴在梁等弯部分的上下表面，上下表面共粘贴4支传感器，如图2所示。等弯矩标定梁安装在应变计性能鉴定机上进行加载，如图3所示。

图2　FBG传感器安装示意图Fig.2　Installation position of FBG sensor

图3　实验装置Fig.3　Experiment device

按500 με一级逐级加载，直至±2 000 με后卸载，每组正式实验重复3次。实验加载拟合曲线如图4～图9所示。

图4　FBG波长变化与应变之间关系(第1次拉伸)Fig.4　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain(the first stretch)

图5　FBG波长变化与应变之间关系(第2次拉伸)Fig.5　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain (the second stretch)

图6　FBG波长变化与应变之间关系(第3次拉伸)Fig.6　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain (the third stretch)

图7　FBG波长变化与应变之间关系(第1次压缩)Fig.7　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain (the first compress)

图8　FBG波长变化与应变之间关系(第2次压缩)Fig.8　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain (the second compress)

图9　FBG波长变化与应变之间关系(第3次压缩)Fig.9　The relationship between FBG sensor central wavelength and strain (the third compress)

由以上实验数据及FBG传感器应变灵敏度系数计算公式(9)得到,该批次柔性基底封装FBG应变传感器的平均应变灵敏度系数为1.246，具体如表1所示。

表1　FBG传感器灵敏度系数

由此可见，封装的FBG传感器理论应变灵敏度系数与经过标定的应变灵敏度系数存在较大差异，其主要原因为FBG传感器在使用时通过粘接剂进行安装，并采用了封装形式，封装材料、安装工艺(粘接剂的选择、粘接长度、宽度及厚度等)、环境条件(温度、湿度)等影响了结构真实应变的传递。由此引起的应变测量数据必然存在较大误差。

因此在FBG传感器的实际工程应用中，不同批次FBG传感器、不同的封装方式、安装工艺、环境条件下必须对FBG应变传感器灵敏度进行标定，以保证测量数据准确。

4结束语

针对FBG传感器在实际使用时，由于采用封装形式、粘接剂安装等造成FBG传感器本身应变灵敏度系数发生变化，影响到测量数据的准确性等问题，提出了一种FBG传感器应变灵敏度系数的标定方法。该方法简单、易行，适用于FBG应变传感器使用前的标定，为建立FBG传感器高精度要求的结构应变测量、结构健康监测和加快FBG传感器的推广应用奠定了基础。

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