陳　光　丁克勤　鄭健

(1.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029；2.北京交通大學(xué)理學(xué)院，北京 100044；3.中國計量學(xué)院光學(xué)與電子科技學(xué)院，杭州 310018)

0　引言

應(yīng)變是材料與結(jié)構(gòu)的重要物理特性，最能反映結(jié)構(gòu)局部特性，是材料和工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測最為重要的參數(shù)[1-2]。對結(jié)構(gòu)或材料應(yīng)變測量，可以預(yù)知局部荷載的狀態(tài)，對保障工程結(jié)構(gòu)的安全具有重要意義。目前應(yīng)力應(yīng)變測量主要采用電阻應(yīng)變片方法。然而，該方法因易受環(huán)境 (如電磁場、溫度、濕度、化學(xué)腐蝕等) 影響、硬件壽命短等原因，使其應(yīng)用受到一定程度的限制。近年來發(fā)展起來的光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，簡稱FBG)應(yīng)變傳感器，具有應(yīng)變靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗電磁干擾等特點，而且可以粘貼、焊接在結(jié)構(gòu)表面(或埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長期監(jiān)測。同時光纖光柵傳感器還可以組成準(zhǔn)分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，更適用于大型工程結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，是一種極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價值的應(yīng)變傳感器[3-7]。

目前國外光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)雖然精度較高，但是價格偏貴。據(jù)此，國內(nèi)開發(fā)了光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)，但是目前缺乏行之有效、快速簡潔的手段測試其性能。本文針對光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)應(yīng)用測試問題，基于懸臂等強(qiáng)度梁應(yīng)變實驗，提出了簡易測量光纖光柵傳感器和光纖傳感分析儀的性能方法。并針對準(zhǔn)分布式監(jiān)測問題，說明了光分路器對光纖光柵傳感器應(yīng)變測量的影響。

1　光纖光柵傳感器測量原理

光纖光柵傳感工作原理如圖1所示，當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光通過傳輸光纖射入時，它與光場發(fā)生耦合作用，光柵對該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個窄帶光，并沿原傳輸光纖返回；其余寬帶光則直接透射過去。反射回的窄帶光的中心波長值(Bragg波長)為：

lB=2neff·Λ

(1)

式中，lB為FBG的中心波長；neff為纖芯的有效折射率；Λ為光柵周期。

圖1　光纖光柵傳感器測量原理

當(dāng)光纖布拉格光柵受到軸向應(yīng)力作用或者溫度變化影響時，其neff和Λ都會發(fā)生變化，使?jié)M足式(1)的反射波長發(fā)生偏移ΔlB。當(dāng)環(huán)境溫度一定時，反射波長的偏移與所受應(yīng)變的關(guān)系如下：

(2)

或

(3)

式中，ρ11、ρ12為光纖材料的光彈性系數(shù)；μ為光纖材料的泊松比。由式(2)可以看出Bragg波長的變化ΔlB與所受應(yīng)變ε成線性關(guān)系[6-7]。

2　應(yīng)變測量及分析

2.1　懸臂等強(qiáng)度梁

實驗中選用的懸臂等強(qiáng)度梁如圖2所示，圖中L為梁長；b為梁自由端寬度；x為載荷作用點到測試點距離；bx為距載荷點x處梁的寬度。該等強(qiáng)度梁的楊氏模量為210GPa，梁長295mm，厚度40mm，并配有1個156g的托盤和4個200g砝碼。

圖2　懸臂等強(qiáng)度梁示意圖

利用等強(qiáng)度梁上的應(yīng)變值處處相等的原理，通過不同的光纖光柵傳感分析儀對梁上不同位置的光纖光柵傳感器進(jìn)行應(yīng)變測量，結(jié)合高精度電阻應(yīng)變儀和理論計算值，對光纖光柵測量應(yīng)變的方法進(jìn)行分析。

2.2　應(yīng)變的計算和測量

2.2.1理論計算

根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]，對于尺寸較小的等強(qiáng)度梁，由于梁受載荷時撓度較小，測量誤差比較大。利用公式(4)計算的應(yīng)變值具有更高的準(zhǔn)確性。本文選用式(4)計算等強(qiáng)度梁在不同載荷下理論應(yīng)變值。

(4)

式中，bx為測量距載荷點x處梁的寬度；h為梁的厚度；x為載荷作用點到測試點距離；P為載荷量；E為梁的彈性模量。

實驗中通過鋼板尺以及游標(biāo)卡尺測得距載荷點120mm處的梁寬為18.5mm。

2.2.2實驗測量

本文利用高精度電阻應(yīng)變儀和光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)測量等強(qiáng)度梁在不同載荷下的應(yīng)變值。采用的電阻應(yīng)變儀為秦皇島蘭德科技有限公司生產(chǎn)的 BZ2204-2A，光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)主要為美國 MICRON OPTICS公司(簡稱MOI)生產(chǎn)的基片式光纖光柵傳感器和sm130光纖光柵傳感分析儀。

實驗時，將電阻應(yīng)變片和光纖光柵傳感器安裝到等強(qiáng)度梁上，為了減小等強(qiáng)度梁的機(jī)械誤差對實驗結(jié)果造成影響，基片式光纖光柵傳感器與電阻應(yīng)變片按圖3所示安裝在等強(qiáng)度梁中部的A位置，并且關(guān)于等強(qiáng)度梁的中心線呈軸對稱。安裝時還需使光纖光柵傳感器與電阻應(yīng)變片的軸向與等強(qiáng)度梁軸向平行。在等強(qiáng)度梁的測量點上分10次放置不同的載荷量，10次的載荷量分別為：0、1.529、3.489、5.449、7.409、9.36、7.409、5.449、3.489、1.529N，在等強(qiáng)度梁的測量點施加不同的載荷，并記錄電阻應(yīng)變儀和光纖光柵傳感儀上的應(yīng)變值。

圖3　實驗裝置示意圖

理論計算值、高精度電阻應(yīng)變儀和光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)所測得的應(yīng)變值如圖4所示。

圖4　應(yīng)變計算方法對比分析

由圖4可以看出，理論計算值、光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)和電阻應(yīng)變儀的測量的應(yīng)變值具有較好的一致性，呈明顯的線性關(guān)系。相比光纖光柵測量系統(tǒng)，電阻應(yīng)變儀測量的應(yīng)變值更接近理論計算值。與理論計算和應(yīng)變儀測量值相比，光纖光柵測量系統(tǒng)測量的應(yīng)變值最大誤差在5με，在工程上是可以接受的。

2.3　簡易光纖光柵傳感器和傳感分析儀性能測試

在光纖光柵測量系統(tǒng)中，最主要的兩個組成部分是光纖光柵傳感器和光纖光柵傳感分析儀。實驗中采用的光纖光柵傳感器和傳感分析儀雖然精度較高，但是價格偏貴。另外，雖然光譜分析儀能測出光纖光柵傳感器波長信息，但是高精度光譜分析儀價格昂貴。本文提出利用MOI光纖光柵傳感分析儀測試國內(nèi)光纖光柵應(yīng)變傳感器靈敏度和利用基片式光纖光柵傳感器測量國內(nèi)解調(diào)儀基本參數(shù)的簡易方法。

2.3.1簡易光纖光柵傳感器性能測試方法

實驗中被測量的應(yīng)變傳感器靈敏度系數(shù)為1.2pm /με。通過高精度電阻應(yīng)變儀測量的應(yīng)變值，MOI光纖光柵傳感分析儀測量光纖光柵傳感器的反射波長，對光纖光柵傳感器的性能進(jìn)行評價分析。所得數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5　光纖光柵傳感分析儀測量反射波長與應(yīng)變關(guān)系

由圖5可知，該光纖光柵傳感器的反射波長與應(yīng)變值具有很高的線性度，應(yīng)變靈敏度為1.24pm/με，與廠家所給的器件參數(shù)基本一致。三次試驗均保持良好的線性度和應(yīng)變靈敏度，但初始波長漂移較大，這與使用環(huán)境和儀器自熱有關(guān)，不影響應(yīng)變測量。

但需注意，由于基片式光纖光柵傳感器和梁能有緊密的結(jié)合，所以利用懸臂梁測試其性能影響較小。對于標(biāo)距較大或者封裝形式使得光柵離梁較遠(yuǎn)時，由于加載時彎曲變形不一致，應(yīng)采用拉伸試驗機(jī)來測量其性能。

2.3.2簡易光纖光柵傳感分析儀性能測量方法

利用國外光纖光柵傳感器和高精度電阻應(yīng)變儀測試國內(nèi)光纖光柵傳感分析儀的性能。采集的數(shù)據(jù)整理如圖6所示。

圖6　采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)對比

圖6可以看出，應(yīng)變值最高相差10με，在精度要求不高的情況下，國內(nèi)此款光纖光柵傳感分析儀尚可使用。

2.4　光分路器的影響

光纖光柵傳感器用于分布式測量時需串接或并接光纖光柵傳感器。光纖光柵傳感器串接使用時，不容許任何一個傳感器出現(xiàn)問題，導(dǎo)致了風(fēng)險的增加。工程上多應(yīng)用并聯(lián)傳感器，使用光分路器實現(xiàn)各個傳感器的連接而互不影響。

光纖光柵傳感器粘貼到等強(qiáng)度梁的B位置(如圖3 所示)，并將傳感器經(jīng)過分路器與光纖光柵傳感分析儀連接。在等強(qiáng)度梁的測量點施加不同的載荷量，并記錄光纖光柵傳感分析儀所得的數(shù)據(jù)。隨后將分路器去除，使傳感器直接連接光纖光柵傳感分析儀，重復(fù)上述實驗。將兩次實驗所得數(shù)據(jù)同時與高精度電阻應(yīng)變儀采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　光分路器對光纖光柵傳感器參數(shù)影響

由表1可以看出，未接光分路器時光纖光柵傳感器反射回的光強(qiáng)度為2018cd，是接光分路器時的24倍。可見接分路器時光能損耗嚴(yán)重，光纖傳感分析儀接收到的光能量較弱。在使用光分路器實現(xiàn)分布式測量時，應(yīng)充分考慮光能量衰減因素。除此之外，光分路器的使用對光纖光柵傳感器應(yīng)變測量的波長漂移和準(zhǔn)確度影響均較小。

3　結(jié)論

本文通過對懸臂等強(qiáng)度梁應(yīng)變實驗分析，得出光纖光柵測量系統(tǒng)具有較好的可靠性和準(zhǔn)確性。提出了測量光纖光柵傳感器和傳感分析儀性能的測量方法，具有簡單、準(zhǔn)確、高效及實用等特點。同時指出對于標(biāo)距較大或者封裝形式使光柵離梁較遠(yuǎn)時，由于加載時彎曲變形不一致，應(yīng)采用拉伸試驗機(jī)來測量其性能。在使用光分路器實現(xiàn)分布式測量時，應(yīng)充分考慮光能量衰減因素。上述分析，為光纖光柵應(yīng)變測量系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用提供充分依據(jù)。

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