基片式FBG在飞机蒙皮测试中的对称补偿研究*

2016-11-08鹿利单郭阳宽祝连庆

传感技术学报 2016年10期

鹿利单，郭阳宽，闫　光，祝连庆，*

（1.北京信息科技大学光电信息与仪器北京市工程研究中心，光电测试技术北京市重点验室，北京100016；2.北京信息科技大学生物医学检测技术及仪器北京实验室，北京100192）

鹿利单1，郭阳宽2，闫光1，祝连庆1，2*

基片式FBG传感器封装结构在应变测试中受到广泛关注，尤其是在航空航天领域，其粘贴方式对监测飞机蒙皮应变具有重要意义。为了提高基片式封装结构的FBG测量飞机蒙皮应变精度，对薄板试验件粘贴基片式FBG传感器进行力学性能研究，实验结果表明传统粘结基片式FBG传感器方式会引起被测薄板材在拉伸过程中产生非线性变形。据此，通过ANSYS有限元分析软件仿真粘贴1 mm传感单元的1.5 mm薄板静态加载过程，并进行静力学有限元优化分析，力学分析及理论推导结果显示，对称粘贴基片式FBG传感单元能够解决应变与波长非线性关系，且能够有效补偿温度对测量的影响。搭建FBG解调系统与MTS力学测试实验系统，实验结果表明，在对称补偿的布点方式下，应变测试线性度为0.998，传感单元应变灵敏度为0.946 pm/με，提高了应变测试精度，可以有效的应用到飞机蒙皮应变测试。

FBG；飞机蒙皮；有限元分析；粘贴方式；薄板试验件；力学性能；测试精度

EEACC：7620；7230E doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.012

FBG（Fiber Bragg Grating）传感器与传统电阻式应变相比，具有结构简单、质量轻、抗电磁干扰、高测量精度、波长编码和易于组网等优点，因此在航空航天领域有很大的应用前景［1-3］。

飞机结构经济寿命可靠性设计与评定需要借助某种敏感元件，对飞机结构关键危险部位的损伤状态进行监控［4］。高性能光纤光栅传感器已经应用到重大机械装备监测及其他场合［5-7］，FBG作为敏感元件测量飞机机翼结构很有必要，由于基片式FBG传感单元基底的杨氏模量等物理参数存在一定的差异，FBG传感器封装后粘贴在被测物体表面时对应变测量也因基底形状和材料的不同而存在差异。而进行不同封装后的FBG传感器所测得的应变和结构的真实应变值不一致，影响测试精度。Benjiamin Torres提出了一种不对称封装结构布局的FBG应变传感器固定到被测结构的表面上，用三维有限元数学模型分析传感器封装与试验件粘贴后FBG应变传感器的精度［8］；Panopoulou A、Andrea Bernasconi用有限元分析法分析了试验件上被选点的应力分布情况［9-10］。

目前很多研究都是针对传感器的本身结构，并未考虑传感器对粘贴所选择的被测件的影响，本文为了测量飞机机翼蒙皮载荷谱，对基片式FBG在飞机蒙皮测试中的对称补偿进行探究，研究薄板材被测件对薄板材拉伸时性能与传感器布点位置之间的关系，以期提高用基片式FBG传感器测量飞机机翼蒙皮应变测试精度。

1　基片式FBG不同黏贴方法的有限元分析

飞机的蒙皮材料是由航空铝7075-T6组成，不同部承载部位受力状况不同，蒙皮厚度不一，厚度一般分布在1 mm～5 mm间。为了测试所研制的基片式FBG传感器粘贴在飞机机翼蒙皮的测量精度，进行了薄板材拉伸测试实验，实验结果显示用基片式FBG传感器测量薄板试验件，FBG中心波长变化与薄板应变呈非线性线关系。可以通过大量的实验去控制变量，但是由于试验件或者基片的制造公差所造成的影响很难精确控制。于是对粘贴基片式FBG传感器的薄板试验件进行的ANSYS有限元分析与优化［11］。

1.1单片粘贴方式FBG应变传感器有限元分析

将基片式FBG应变传感器用环氧树脂单面粘贴在薄板试验件表面，FBG传感器结构如图1所示，粘贴部位如图2所示。薄板选用材料是航空铝7075-T6，尺寸是260 mm×25 mm×1.5 mm，薄板试验件两端加持端的有效长度是160 mm。选用带有聚酰亚胺涂覆层、光谱反射率达≥90%的切趾FBG，本文中使用的所有光纤光栅的性能指标参数如表1，FBG应变传感器基底和试验件材质相同，环氧树脂将光栅固定在基片槽内，光纤保护套与基片两端使用改性丙烯酸酯固定。

图1　基片式FBG传感器结构

图2　传感器粘贴部位

表1　光纤光栅

由FBG应变传感器通过粘结层固定到被测薄板进行拉伸试验所提供的数据与实验现象可知，FBG应变传感器所承受的应变与拉应力并不是线性关系。有限元模型中，薄板试验件一端固定，另外一段进行拉伸，研究基片式FBG传感器对薄板试验件拉伸性能的影响。利用Ansys有限元分析软件，选取solid185实体单元模型，solid185单元用于构造三维固体结构。单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。单元具有超弹性，应力钢化，蠕变，大变形和大应变能力。还可采用混合模式模拟几乎不可压缩弹塑材料和完全不可压缩超弹性材料。根据基片材质铝合金7075-T6性质，选用此单元体。根据实际尺寸进行建模，通过自底向上的方法建立模型，分块扫掠及自由网格相结合，建立的有限元模型及网格划分如图3（a）所。设置材料属性，基片式FBG通过胶层（弹性模量为2 GPa）单面黏贴在被测件（弹性模量为71 GPa）上，光纤通过胶层（弹性模量为20 GPa）紧固在基片槽内。连接方式采用Ansys里面的布尔操作对实体进行glue操作，使得接触面不发生相对位移。设置加载方式，基片左侧上下表面约束三向位移，基片右侧施加位移边界条件，即一端自由度为零，另一端X方向位移1 mm。模拟应力加载相应失稳波结果如图3（b），基片、胶层及光纤物理特性不一致，所产生的应变也不一致，当铝板上的应力水平在350 kPa左右时，光纤最终传递仅有40 kPa～60 kPa左右的水平，在试验件加载轴向最大位移量1 mm，试验件有很明显的弯曲，和实验现象吻合。

图3　薄板试验件单面粘贴有限元分析

1.2优化FBG应变传感器粘贴方式

为了平衡由于只在薄板试验件中间粘贴传感器所产生的变形，得出FBG传感器中心波长与所承受的应变呈线性关系，在厚度1.5 mm的薄试验件上均匀分布三个基片式FBG传感器，进行有限元模拟分析，应力分布如图4（a）所示，侧面局部变形如图4（b）所示。铝板受两端纯拉力变形，局部变形会有所改善，三个基片所处的应力状态比较接近，且都很低。光纤上的应力水平比铝板上的应力水平低一个量级，当铝板上的应力水平在350 kPa左右时，光纤上仅有60 kPa～120 kPa左右的水平，高应力区域的铝材进入屈服以后，基片上的应力相当于被卸载了，但是基片式FBG传感器也会随着试验件弯曲，仍未达到优化要求。

图4　单面粘贴三个传感器有限元分析

完全平衡掉由于单面粘贴所产生的局部弯曲，假定试验件上下表面对称，对称位置分别粘贴同质同型号的FBG1和FBG2。在所有引起光栅Bragg波长移位的因素中，最直接的是应力、应变参量。在引起波长移位可由方程式（1）来说明：

式中，λB为FBG波长；neff的纤芯有效折射率；Λ为光栅周期。FBG波长的漂移与应变与温度的关系为：

式中，ΔλB为波长变化；Pε为光弹常数；ξ为光纤热光系数；α为光纤热膨胀系数。而双面粘贴FBG中心波长变化量与试验件应变关系如下：

实际飞机机翼在空中受力，并不仅仅受到拉伸力，若由于被测件本身不仅受到拉伸加载，受到弯曲产生形变时，由于光栅粘贴位置的应变相等ε=ε1=-ε2，则式（3）与式（4）相减，可得

选定FBG后，光栅初始波长λ1与λ2为确定值，则两光栅波长差与应变成正比，消除了飞机机翼应变监测时受温度的影响。

在双面对称粘贴传感器应变分布分析结果如图5所示，粘贴传感器的薄板试验件在纯拉伸时并不会发生弯曲变形，两光栅波长差与应变成正比。基片上的应力水平140 kPa～220 kPa仍然比铝板上（350 kPa左右）的要小，但是由于应变传递效率随基片与胶层会有所降低的原因［12］，此种优化方案已经达到优化要求。

图5　双面对称粘贴传感器薄板材应变分布图

2　结果与讨论

2.1试验系统搭建

实验测试系统装置如图6所示，ASE（Amplified Spontaneous Emission）宽带光源，带宽范围1 525 nm～1 570 nm，平坦度2 dB。发出的宽谱光经过3 dB耦合器（插入损耗）入射到FBG，FBG受外界作用力产生形变，Ibsen解调仪（波长分辨率0.5 pm）对反射谱解调寻峰，通过上位机软件将中心波长值解调为FBG传感器的应变。

图6　系统示意图

2.2拉伸实验

拉伸试验件材料相关参数如表2，薄板实验件两端各夹持部位40 mm进行标记。选用高温航空胶353ND粘贴FBG与基片，低温固化环氧树脂DP420对称粘贴传感单元与试验件，固化后FBG中心波1 550.195 nm。试验在室温中采用30 t MTS（Material Test System）拉伸机，引伸计（标距20 mm）夹持在粘贴FBG应变传感器的位置如图7所示，同时记录FBG应变传感器中心波长变化，加载过程中的瞬态光谱如图8所示。

图7　单面粘贴FBG传感器的拉伸试验

图8　基片式光纤光栅反射谱

表2　薄板试验件

以0.02 mm/s缓慢施加拉伸载荷，加载100 s对应薄实验件拉伸3 000 με。通过MTS试验机引伸计采集到的应力应变关系曲线如图9（a）所示，基片式FBG传感器中心波长与应变关系曲线如图9（b）。

在FBG传感器测量到 1 967 με时候，对应FBG传感器的中心波长在1 550.917 nm处出现明显下降趋势，表明单面黏贴基片式FBG传感器出现了弯曲，且朝向有传感器的那一面弯曲，与理论分析相吻合。FBG监测的波形有一个突降现象，可能原因有两个：其一，由于胶层中有气泡，在拉伸的时候，会有突降情况。其二，引伸计测量应变时受到环境干扰。

图9　单面粘贴传感元件实验结果

2.3优化实验

本次实验对ANSYS优化结果进行验证，实验测试系统装置与上面相同。薄板试验件两边对应位置同时粘结光纤FBG（布拉格光栅）应变传感器，两个FBG传感器中心波长与所受载荷呈线性关系，在金属拉伸弹性范围内，线性度0.998。

图10　双面粘帖FBG的中心波长-应变关系曲线

如图10（a）所示，原始中心波长为1 530.828 nm的传感器在加载2 265 με内光栅中心波长与薄板试验件应变呈现线性关系，且应变灵敏度为0.947 pm/με，在薄板试验件加载到 2 265με～3 000 με范围时，试验件开始变形，中心波长开始随施加载荷缓慢上升，但并没有单面粘贴传感器时候的下降趋势。如图10（b）所示，原始中心波长为1 539.940 nm应变灵敏度为0.945 pm/με，在薄板试验件加载到2 060με～3 000 με范围内时，试验件开始变形。由于一般金属材料所能承受弹性微应变都是在2 000 με左右，在薄板试验件加载到2 000 με范围内时，试验件开始变形，这属于材料本质现象，且双面粘贴方式的基片式FBG应变传感器中心波长开始随施加载荷缓慢上升，但并没有单面粘贴传感器时候的下降趋势。

薄板试验件单面黏贴基片FBG传感器，传感器与薄试验件紧紧黏贴在一起，相当于薄板试验件在黏贴传感器的位置厚度增大，即截面积增大，在拉伸时加载同样的力时，产生的应变值小于没有黏贴传感器位置的应变，产生了弯曲现象，而双面对称黏贴时，平衡掉单面弯曲的现象，可以有效的应用到薄板材应变测量中。

2.4飞机蒙皮测试实验

在实验室飞机机翼模型上按照上面粘贴光纤光栅的布片方式，并用电阻应变计的1/4桥，电阻应变电阻值120 Ω，应变传递因子2.08。用解调仪记录光纤光栅中心波长值，同时DAQ-9188机箱的应变信号输入板卡DAQ-9237监测电阻应变计的应变量，加载应变量，实验现场如图11所示，在机翼的面部与背部黏贴作为对称应变补偿的基片式FBG传感器，中心波长分别为1 545.188 nm与1 559.275 nm，如图12（a）所示。

由于实际飞机机翼表面是有航空铝7075-T6，外界施加载荷所产生的应变值仍处于金属本身的拉伸弹性范围内，单点加载，对电阻应变计测量值与基片式FBG传感器进行监测采集进行拟合，中心波长与应变呈线性关系，如图12（b）所示，由于此时黏贴位置误差，实验测量与操作误差，使得机翼上表面应变值与翼背应变存在0.11%的误差。机翼测量的应变灵敏度约为0.849 5 pm/με，验证了将此种对称补偿研究的布片方式可以有效监测飞机蒙皮应变。

飞机蒙皮实验的应变灵敏度低于薄板材试验件的应变灵敏度，根据应变传递分析［12］，传感单元与被测件之间胶层的厚度是由手工点胶决定，厚度越大，传递效率越低，胶层厚度对于飞机蒙皮实验的影响，以待后续研究。

图11　飞机机翼模型应变测量现场

图12　飞机蒙皮实验数据处理

3　结论

通过对同质地薄板试验件与基片式FBG传感器进行建模，ANSYS有限元分析结果得出：1 mm厚的传感单元改变了1.5 mm薄板试验件结构的力学性能，最终引起传感单元屈曲变形。针对传感单元粘贴方式进行有限元优化分析，最终确定为双面对称粘贴方式进行应变补偿。MTS机对试验件进行拉伸测试，应变实验结果与理论模拟分析相吻合，薄板试验件应变与基片式FBG中心波长呈线性关系，线性度0.998，此种粘帖方式下的基片式FBG应变灵敏度为0.946 pm/με，飞机机翼测试中的对称补偿实验基片式FBG在飞机蒙皮。

本文传感器基片材料是铝7075-T6，比底部槽内的环氧树脂弹性模量要高很多，起到了一个阻隔（或者说降载）的作用，如果要提高FBG传感器灵敏度系数，应该选择小弹性模量的基片，最好是和环氧树脂相近的材质，这样有利于把底板的变形传递到光纤上；随着光纤光栅刻写工艺的提高，光纤光栅栅区减小，基片尺寸的减小可以降低传感单元对飞机蒙皮应变测量的影响，提高测量精度。

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鹿利单（1990-），女，北京信息科技大学在读硕士，研究方向为光纤传感技术，15201297184@163.com；

郭阳宽（1964-），男，北京信息科技大学教授，博士，研究方向为精密测量技术及生物医学测试技术及仪器，13693193028@ 163.com；

祝连庆（1963-），通讯作者，男，北京信息科技大学教授，博士，研究方向为精密测量技术、光纤传感技术及生物医学测试技术及仪器，zhulianqing@sina.com。

Symmetrical Compensation Research for Airplane Covering Measurement of Based on the Substrate FBG Sensor*

LU Lidan1，GUO Yangkuan2，YAN Guang1*，ZHU Lianqing1，2
（1.Beijing Engineering Research Center of Optoelectronic Information and Instruments，Beijing Key Laboratory for Optoelectronics Measurement Technology，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100016，China；2.Beijing Laboratory for Biomedical Detection Technology and Instrument，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100192，China）

Substrate type FBG sensor package structure attracted a wide spread attention in the strain tests，particularly in the fields of aeronautics and astronautics，which paste mode plays an important role for monitoring the strain of aircraft skin.In order to improve measurement precision on which the substrate package structure FBG measures the strain on wing surface.Tensile properties of the thin test piece pasted substrate FBG sensor was studied，experimental results showed that the traditional bonding method of substrate FBG sensor will cause the measured nonlinear deformation during stretching.Accordingly，emulation on static loading condition about pasting sensor unit（1 mm）to thin test-part（1.5 mm）was investigated by finite element analysis software-ANSYS，adding static optimization of finite element analysis and theoretical analysis，and results show the symmetrical pasted substrate type FBG strain sensor unit would solve non-linear relationship between the wavelength and the stain，effectively compensate for the effects of temperature on the measurement.FBG demodulation system with MTS mechanical testing experimental system was conducted，the experimental results show that the test linearity of new bonding method is 0.998，sensitivity of strain sensing unit is 0.946 pm/με，improving strain test accuracy and can be effectively applied to aircraft skin strain testing.

FBG；airplane covering；finite element analysis；bonding method；thin test-part；tensile properties；measurement accuracy