FBG应变传感器标定过程中的不确定度研究*

曹　敏， 王　恩， 李　博， 唐　标， 胡练华， 李　川

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明650217；2.南方电网公司电能计量重点实验室，云南 昆明 650217；3.昆明理工大学 信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500)



FBG应变传感器标定过程中的不确定度研究*

曹敏1,2， 王恩1,2， 李博1,2， 唐标1,2， 胡练华3， 李川3

(1.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明650217；2.南方电网公司电能计量重点实验室，云南 昆明 650217；3.昆明理工大学 信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500)

为实现光纤Bragg光栅(FBG)应变传感器静态的性能测试和试验分析，设计了一种量程为700×10-6的FBG应变传感器标定装置对其进行校准实验。通过运用最小二乘法对解调仪中的中心波长和计算得出的应变量进行拟合，得到FBG应变传感器的静态标定系数，并分析标定装置的不确定度大小。结果表明:该FBG应变传感器标定装置合成不确定度是2.55×10-6，标定得出的FBG应变传感器的灵敏度1.37×10-3nm/10-6，线性度为99.72 %，满足FBG应变传感器的标定要求，该传感器能够运用于工程实际中。

光纤Bragg光栅； 应变传感器； 标定； 不确定度

0　引　言

光纤传感器拥有耐腐蚀、耐高温、防爆等优点进而被大量运用于工程实际当中[1～3]。对于新型研制的传感器，光纤Bragg光栅(FBG)应变传感器静态的性能测试和试验分析是其运用于工程实际前的必然步骤[4,5]，而现在针对FBG应变传感器的标定研究还比较少。针对这种情况，冯勇建设计并制作了由微机电系统(MEMS)工艺实现的微型梁式电容应变传感器，并对其进行测试，这种方法制作的电容应变器件具有良好的线性、较小的滞后和稳定的工作特性，其中应变灵敏度10ffMPa，测量误差小于1 %FS[6]；袁子琳等人提出一种改进的光纤光栅应变传感器结构，用有限元分析软件对其进行建模和静力仿真并进一步分析了其关键区域的6个结构参量对应变灵敏度及量程的影响，用UV胶与玻璃焊接对光栅进行封装，得到灵敏度分别为249,330,1.1 pm/N[7]，但并未讨论不确定度来源；何俊等人通过研制了基片表面粘贴式和玻璃钢(fiberglass reinforced plastics,FRP)封装式两种封装结构的灵敏度系数可调应变传感器，并对其进行误差分析，两种封装结构的量程分别增加243 %和126 %，精度提高至0.51×10-6和0.52×10-6，相关系数达到0.999以上[8]。

针对FBG应变传感器的标定问题，本文设计了一种量程为700×10-6的FBG应变传感器标定装置,对其进行校准实验，并分析标定装置的不确定度，探讨其不确定度来源。运用最小二乘法对解调仪中的中心波长和计算得出的应变量进行拟合，从而实现对FBG应变传感器进行静态的测试和标定。

1　FBG应变传感器原理

FBG应变传感器的结构图，如图1。主要由FBG，304不锈钢、金属光缆固定头以及法兰盘组成，其实物图如图2所示。当两端的法兰盘受到应力时，导致整个传感器结构协同变形，应变ε与应力F的关系式为

(1)

式中L为传感器有效长度，F为应力，A为横截面积，E为弹性模量,ΔL为传感器长度变化量。

传感器变形后，通过两端金属光缆固定头与光纤光栅固定点带动光栅形变并使FBG中心波长变化。应变ε与波长变化量Δλ存在互相对应的关系

ΔλB=λB(1-Pe)ε

(2)

式中λB为中心波长，Pe为有效弹光系数。

图1　FBG应变传感器结构图

图2　FBG应变传感器实物图

2　FBG应变传感器标定装置

FBG应变传感器的标定系统由FBG应变传感器、光纤光栅解调仪、上位机和电子万能试验机组成。其工作原理是通过电子万能试验机对传感器两端的法兰盘产生一个不同应力，使传感器发生应变，而引起Bragg光栅波长的变化，通过解调仪中相应的波长值可实现FBG应变传感器的标定。其实验步骤参照JJG455—2000《工作测力仪检定规程》进行测试[9]，在0～6 kN间每隔1 kN设置一个检测点，并把传感器放入电子万能试验机上，依次连接传感器、解调仪、上位机并初始化解调仪、上位机和电子万能试验机，打开上位机中解调软件，记录初始波长；逐渐用电子万能试验机向传感器施加应力使传感器发生应变，保持10 min，记录解调仪中的中心波长和应力值，并通过公式(1)计算出应变值。具体标定装置实物图如图3所示。

图3　标定实物图

3　FBG应变传感器标定不确定度误差分析

通过实验所测量的应力计算出的应变值与测量所得的波长值，分别画出2次重复实验FBG应变传感器波长与应变量的散点图如图4所示，个检测点的误差如图5所示。

图4　波长散点图

图5　标定过程中的波长误差棒图

从图4可见，FBG应变传感器其应变值和波长值具有良好的线性关系，经最小二乘法计算可得出其静态指标如表1所示。

按照JJF 1059.1—2012《测量不确定度评价与表示》分析FBG应变传感器主要误差来源[10],并评价不确定度。

表1　FBG应变传感器静态指标

测量重复性引入的A类评定不确定度分量u(ε)。

(3)

4　结　论

针对FBG应变传感器标定问题，设计了一种量程为700×10-6的应变传感器标定装置对其进行标定，并分析标定装置的不确定度大小。实验结果表明:该FBG应变传感器标定装置的不确定度是2.55×10-6，标定得出的FBG应变传感器的灵敏度为1.37×10-3nm/10-6，线性度为99.72 %，满足FBG应变传感器的标定要求，传感器能够运用于工程实际中。

[1]毕卫红.光纤应变传感器的研究现状与发展[J].激光与光电子学进展，1999(12):1-6.

[2]张森，刘孟华，王臻，等.光纤传感器的研究及应用[J].光通信研究，2007(3):62-65.

[3]赵立.光纤传感器市场发展前景分析[J].光通信研究，2014(1):45-48.

[4]李乐，候正信.光纤应变传感器的设计[J].电子测量与仪器学报，2004，18(4):70-76.

[5]李之中，李杰，郑水华，等.位移、应变类传感器自动标定装置的研制[J].水电自动化与大坝监测，2012,36(3):54-57.

[6]冯永建.MEMS电容应变传感器[J].仪器仪表学报，2008,29(3):629-632.

[7]袁子琳，龚元，马耀远，等.光纤布喇格光栅应变传感器结构优化研究[J].光子学报，2012,41(11):1261-1265.

[8]何俊，周智，董慧娟，等.灵敏度系数可调布拉格光栅应变传感器的设计[J].光学·精密工程，2010,18(11):2339-2346.

[9]国家质量技术监督局.JJG144-2007工作测力仪检定规程[M].北京:中国计量出版社，2007.

[10] 国家质量技术监督局.JJF1059.1-2012测量不确定度评定与表示[M].北京:中国计量出版社，2012.

[11] 李川，李英娜，万舟,等.光纤传感技术[M].北京:科学出版社，2012:17-21.

[12] 陈杰，黄鸿.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社，2010:5-9.

李川，通讯作者,E—mail:boatriver@eyou.com。

Research on uncertainty in process of FBG strain sensor calibration*

CAO Min1,2， WANG En1,2， LI Bo1,2， TANG Biao1,2， HU Lian-hua3, LI Chuan3

(1.Yunnan Power Grid Electric Power Research Institute Limited Liability Company, Kunming 650217,China;2.Key Laboratory of CSG for Electric Power Measurement,Kunming 650217,China;3.School of Information Engineer and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

For realization of static performance test and test analysis of optical fiber Bragg grating (FBG) strain sensor, design a range of 700×10-6fiber Bragg strain sensor calibration device for calibration experiment.By using least square method,for fitting center wavelength and calculated variables of demodulation instrument obtain static calibration coefficient of FBG strain sensor, and analyze uncertainty of calibration device.Results show that synthesis uncertainty of calibration is 2.55×10-6, sensitivity of FBG strain sensor is 1.37×10-3nm/10-6, linearity is 99.72 %,satisfy requirement of calibration of FBG strain sensor, the sensor can be applied to engineering practice.

fiber-optic Bragg grating(FBG)； strain sensor； calibration； uncertainty

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0030—03

2015—11—23

云南省应用基础研究计划资助项目(2013FZ021)；昆明理工大学人才培养基金资助项目(KKSY201303044)；中国博士后科学基金面上资助(一等资助)项目(2014M552552XB)

TP 212.14

A

1000—9787(2016)09—0030—03

曹敏(1961-)，男，高级工程师，云南电网公司专家，主要从事计量、电气测量方面的研究工作。