光纤应变传感器标定技术研究

徐军 李晓强 陈伟

摘要：提出一种基于等强度悬臂梁的光纤光栅应变传感器标定方法，通过理论分析和实验验证标定了研制的光纤光栅应变传感器的灵敏度系数，分析对比理论值与实验值的灵敏度系数误差，证实该标定方法简单、可靠，可用于多种类型光纤应变传感器的标定，并能继续推广到实际的工程运用中去。

关键词：光纤光栅;标定;灵敏度系數;应变

引言

导弹发射箱结构应变监测技术是利用粘贴在其表面的光纤应变传感网络，在线获取应变箱重点部位的应变等参数的综合测量系统。持续监测发射箱结构应变对提升武器装备性能改进，减小导弹发射风险具有重要意义。光纤布拉格光栅（简称光纤光栅）利用刻蚀在光纤内部的光栅反射传感光束，并通过光纤解调仪将传感光束解调成应变信号，实现应变测试。它具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、抗腐蚀等优点，因而被认为是航空航天领域结构健康监测中极具应用前景的传感器。

光纤光栅传感器的应变灵敏度系数是表征一个传感器性能优劣的重要指标，直接影响最终的测试结果。由于光纤光栅传感器在使用过程中为了保证传感单元的有效成活率，必须对裸光栅进行必要的封装，光纤光栅本身的传感特性因而会发生改变。这就需要在使用前对封装好的传感元进行标定。

1.光纤光栅传感器应变传感机制

光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外接物理量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。也就是说当宽带光源发出的光入射到光纤光栅中时，只有满足其反射条件的光才会被反射回来，其余的光全部透射出去。光纤光栅传感器结构图和反射透射光谱图如图1所示。

2.光纤光栅传感器应变标定

应变标定采用等强度悬臂梁作为基本结构，如图2所示。在等强度悬臂梁适当位置粘贴封装后的光纤光栅应变传感器，在同一位置的正下方粘贴标准应变片。通过步进电机驱动悬臂梁产生弯折，使粘贴应变传感器位置处产生应变，携带有传感信息的传感光束经光纤解调仪计算出该点的应变并与标准应变片测得的应变量进行比对，计算出光纤光栅的灵敏度系数，进而实现传感器的应变特性标定。

封装后的光纤光栅应变传感器如图3所示粘贴在等强度悬臂梁上表面，标准应变片粘贴在对应位置处的下表面。光纤光栅作为应变测量的传感组件，应变量由解调系统测出，电阻应变片作为传感组件，应变大小由电阻应变测试仪测得。

待各系统安装调试完成后，进行加载实验。驱动电机使等强度悬臂梁产生周期变化的均匀应变。待光纤光栅传感系统应变曲线逐步趋于稳定后，同时记录下光纤光栅传感系统和电阻应变片传感系统的应变值。标定系统中光纤光栅传感系统的应变值如表1所示，标定系统中电阻应变片传感系统的应变值如表2所示。对测得的两组应变值做数据处理。

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（作者单位：贵州航天计量测试技术研究所）