FBG應變傳感器標定過程中的不確定度研究*

曹　敏， 王　恩， 李　博， 唐　標， 胡練華， 李　川

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明650217；2.南方電網公司電能計量重點實驗室，云南 昆明 650217；3.昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500)

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FBG應變傳感器標定過程中的不確定度研究*

曹敏1,2， 王恩1,2， 李博1,2， 唐標1,2， 胡練華3， 李川3

(1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明650217；2.南方電網公司電能計量重點實驗室，云南 昆明 650217；3.昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500)

為實現光纖Bragg光柵(FBG)應變傳感器靜態的性能測試和試驗分析，設計了一種量程為700×10-6的FBG應變傳感器標定裝置對其進行校準實驗。通過運用最小二乘法對解調儀中的中心波長和計算得出的應變量進行擬合，得到FBG應變傳感器的靜態標定系數，并分析標定裝置的不確定度大小。結果表明:該FBG應變傳感器標定裝置合成不確定度是2.55×10-6，標定得出的FBG應變傳感器的靈敏度1.37×10-3nm/10-6，線性度為99.72 %，滿足FBG應變傳感器的標定要求，該傳感器能夠運用于工程實際中。

光纖Bragg光柵； 應變傳感器； 標定； 不確定度

0　引　言

光纖傳感器擁有耐腐蝕、耐高溫、防爆等優點進而被大量運用于工程實際當中[1～3]。對于新型研制的傳感器，光纖Bragg光柵(FBG)應變傳感器靜態的性能測試和試驗分析是其運用于工程實際前的必然步驟[4,5]，而現在針對FBG應變傳感器的標定研究還比較少。針對這種情況，馮勇建設計并制作了由微機電系統(MEMS)工藝實現的微型梁式電容應變傳感器，并對其進行測試，這種方法制作的電容應變器件具有良好的線性、較小的滯后和穩定的工作特性，其中應變靈敏度10ffMPa，測量誤差小于1 %FS[6]；袁子琳等人提出一種改進的光纖光柵應變傳感器結構，用有限元分析軟件對其進行建模和靜力仿真并進一步分析了其關鍵區域的6個結構參量對應變靈敏度及量程的影響，用UV膠與玻璃焊接對光柵進行封裝，得到靈敏度分別為249,330,1.1 pm/N[7]，但并未討論不確定度來源；何俊等人通過研制了基片表面粘貼式和玻璃鋼(fiberglass reinforced plastics,FRP)封裝式兩種封裝結構的靈敏度系數可調應變傳感器，并對其進行誤差分析，兩種封裝結構的量程分別增加243 %和126 %，精度提高至0.51×10-6和0.52×10-6，相關系數達到0.999以上[8]。

針對FBG應變傳感器的標定問題，本文設計了一種量程為700×10-6的FBG應變傳感器標定裝置,對其進行校準實驗，并分析標定裝置的不確定度，探討其不確定度來源。運用最小二乘法對解調儀中的中心波長和計算得出的應變量進行擬合，從而實現對FBG應變傳感器進行靜態的測試和標定。

1　FBG應變傳感器原理

FBG應變傳感器的結構圖，如圖1。主要由FBG，304不銹鋼、金屬光纜固定頭以及法蘭盤組成，其實物圖如圖2所示。當兩端的法蘭盤受到應力時，導致整個傳感器結構協同變形，應變ε與應力F的關系式為

(1)

式中L為傳感器有效長度，F為應力，A為橫截面積，E為彈性模量,ΔL為傳感器長度變化量。

傳感器變形后，通過兩端金屬光纜固定頭與光纖光柵固定點帶動光柵形變并使FBG中心波長變化。應變ε與波長變化量Δλ存在互相對應的關系

ΔλB=λB(1-Pe)ε

(2)

式中λB為中心波長，Pe為有效彈光系數。

圖1　FBG應變傳感器結構圖

圖2　FBG應變傳感器實物圖

2　FBG應變傳感器標定裝置

FBG應變傳感器的標定系統由FBG應變傳感器、光纖光柵解調儀、上位機和電子萬能試驗機組成。其工作原理是通過電子萬能試驗機對傳感器兩端的法蘭盤產生一個不同應力，使傳感器發生應變，而引起Bragg光柵波長的變化，通過解調儀中相應的波長值可實現FBG應變傳感器的標定。其實驗步驟參照JJG455—2000《工作測力儀檢定規程》進行測試[9]，在0～6 kN間每隔1 kN設置一個檢測點，并把傳感器放入電子萬能試驗機上，依次連接傳感器、解調儀、上位機并初始化解調儀、上位機和電子萬能試驗機，打開上位機中解調軟件，記錄初始波長；逐漸用電子萬能試驗機向傳感器施加應力使傳感器發生應變，保持10 min，記錄解調儀中的中心波長和應力值，并通過公式(1)計算出應變值。具體標定裝置實物圖如圖3所示。

圖3　標定實物圖

3　FBG應變傳感器標定不確定度誤差分析

通過實驗所測量的應力計算出的應變值與測量所得的波長值，分別畫出2次重復實驗FBG應變傳感器波長與應變量的散點圖如圖4所示，個檢測點的誤差如圖5所示。

圖4　波長散點圖

圖5　標定過程中的波長誤差棒圖

從圖4可見，FBG應變傳感器其應變值和波長值具有良好的線性關系，經最小二乘法計算可得出其靜態指標如表1所示。

按照JJF 1059.1—2012《測量不確定度評價與表示》分析FBG應變傳感器主要誤差來源[10],并評價不確定度。

表1　FBG應變傳感器靜態指標

測量重復性引入的A類評定不確定度分量u(ε)。

(3)

4　結　論

針對FBG應變傳感器標定問題，設計了一種量程為700×10-6的應變傳感器標定裝置對其進行標定，并分析標定裝置的不確定度大小。實驗結果表明:該FBG應變傳感器標定裝置的不確定度是2.55×10-6，標定得出的FBG應變傳感器的靈敏度為1.37×10-3nm/10-6，線性度為99.72 %，滿足FBG應變傳感器的標定要求，傳感器能夠運用于工程實際中。

[1]畢衛紅.光纖應變傳感器的研究現狀與發展[J].激光與光電子學進展，1999(12):1-6.

[2]張森，劉孟華，王臻，等.光纖傳感器的研究及應用[J].光通信研究，2007(3):62-65.

[3]趙立.光纖傳感器市場發展前景分析[J].光通信研究，2014(1):45-48.

[4]李樂，候正信.光纖應變傳感器的設計[J].電子測量與儀器學報，2004，18(4):70-76.

[5]李之中，李杰，鄭水華，等.位移、應變類傳感器自動標定裝置的研制[J].水電自動化與大壩監測，2012,36(3):54-57.

[6]馮永建.MEMS電容應變傳感器[J].儀器儀表學報，2008,29(3):629-632.

[7]袁子琳，龔元，馬耀遠，等.光纖布喇格光柵應變傳感器結構優化研究[J].光子學報，2012,41(11):1261-1265.

[8]何俊，周智，董慧娟，等.靈敏度系數可調布拉格光柵應變傳感器的設計[J].光學·精密工程，2010,18(11):2339-2346.

[9]國家質量技術監督局.JJG144-2007工作測力儀檢定規程[M].北京:中國計量出版社，2007.

[10] 國家質量技術監督局.JJF1059.1-2012測量不確定度評定與表示[M].北京:中國計量出版社，2012.

[11] 李川，李英娜，萬舟,等.光纖傳感技術[M].北京:科學出版社，2012:17-21.

[12] 陳杰，黃鴻.傳感器與檢測技術[M].北京:高等教育出版社，2010:5-9.

李川，通訊作者,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

云南省應用基礎研究計劃資助項目(2013FZ021)；昆明理工大學人才培養基金資助項目(KKSY201303044)；中國博士后科學基金面上資助(一等資助)項目(2014M552552XB)

TP 212.14

A

1000—9787(2016)09—0030—03

曹敏(1961-)，男，高級工程師，云南電網公司專家，主要從事計量、電氣測量方面的研究工作。