夾持式封裝低溫敏FBG應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)*

王永洪,張明義*,張春巍,劉 倩,王 偉

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 青島 266033;2.藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心,青島理工大學(xué),山東 青島 266033;3.深圳市簡測科技有限公司,廣東 深圳 518061)

隨著光纖光柵傳感技術(shù)在應(yīng)變測量中得到普遍應(yīng)用[1-4],發(fā)現(xiàn)光纖光柵對溫度和應(yīng)變交叉敏感的特性,無法區(qū)分溫度和應(yīng)變分別引起的波長變化量,需要對光纖光柵應(yīng)變傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償[5-9]。目前進(jìn)行光纖光柵應(yīng)變傳感器溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕亲匝a(bǔ)償,但需要兩個(gè)性能參數(shù)相同的光柵,成本高且存活率不高[7]。本文設(shè)計(jì)了夾持式封裝的低溫敏FBG應(yīng)變傳感器,通過內(nèi)、外管產(chǎn)生的膨脹差值引起的光柵波長變化量,與熱膨脹和熱光效應(yīng)引起的光柵波長變化量抵消,大大降低了對溫度的靈敏性。

1 夾持式光纖光柵工作原理

兩端夾持式光纖光柵應(yīng)變傳感器,其原理如圖1所示。傳感器由光纖光柵、夾持套管和夾持支座組成。采用粘結(jié)劑將光纖光柵兩端固定,避免了粘結(jié)劑對光纖光柵應(yīng)變傳遞的影響[10-12]。

圖1 夾持式光纖光柵工作原理結(jié)構(gòu)圖

由圖1可見,兩端夾持支座固定點(diǎn)距離為L,兩端夾持套管內(nèi)端點(diǎn)的距離為Lf,夾持支座固定點(diǎn)到夾持套管內(nèi)端點(diǎn)距離為Ls,假設(shè)測試構(gòu)件在兩夾持支座之間發(fā)生軸向變形ΔL,相應(yīng)夾持套管和光纖光柵變形分別為ΔLs和ΔLf,光纖和夾持套管內(nèi)粘結(jié)劑不發(fā)生變形,由材料力學(xué)基本原理可得:

(1)

(2)

式中:Es和Ef分別為夾持套管和光纖光柵的彈性模量;As和Af分別為夾持套管和光纖光柵的橫截面積;P為傳感器產(chǎn)生的內(nèi)力。

根據(jù)傳感器產(chǎn)生的內(nèi)力均勻分布,由式(1)、式(2)可得:

(3)

將相應(yīng)參數(shù)Ef=7.2×1010Pa,Es=210×109Pa,df=0.125 mm,ds=0.8 mm代入式(3)可得:

εs/εf=0.008 4

(4)

由式(4)可知,傳感器中夾持套管變形可以忽略不計(jì),支持支座之間的變形全部由光纖光柵產(chǎn)生。因此傳感器應(yīng)變與光纖光柵應(yīng)變關(guān)系為[7]:

(5)

令K=Lf/L,K為傳感器的增減敏系數(shù),通過改變Lf與L的比值,可以調(diào)整傳感器的應(yīng)變測量靈敏度。K?1,傳感器減敏,K1,傳感器增敏。傳感器中光纖纖芯為純石英的中心波長處于1 550 nm波段時(shí),Kε≈1.2 pm/με,因此傳感器變形與測試構(gòu)件變形關(guān)系為:

(6)

圖2 夾持式光纖光柵封裝原理結(jié)構(gòu)圖

2 夾持式光纖光柵封裝原理

夾持式封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器,原理如圖2所示。傳感器封裝由金屬外管、金屬內(nèi)管、隔溫套管、光纖光柵、夾持支座和夾持鋼管組成。光纖光柵封裝在隔溫套管內(nèi)部,隔溫套管兩端用粘結(jié)劑與夾持鋼管粘結(jié),金屬外管套在金屬內(nèi)管上。

光纖光柵中心波長變化量與應(yīng)變和溫度的關(guān)系為[13-14]:

ΔλB/λB=(1-pe)Δε+(αf+ξ)ΔT

(7)

式中:ΔλB為光纖光柵中心波長變化量,λB為光纖光柵中心波長,Δε為應(yīng)變變化值,ΔT為溫度變化值,pe為光柵有效彈光系數(shù),αf和ξ分別為光柵熱膨脹系數(shù)和光柵熱光系數(shù)。

本設(shè)計(jì)利用內(nèi)、外管產(chǎn)生的膨脹差值引起的光柵波長變化量,與熱膨脹和熱光效應(yīng)引起的光柵波長變化量抵消,解決溫度變化引起的光纖光柵中心波長變化,式(6)可變?yōu)?

(8)

式中:應(yīng)變敏感系數(shù)Sε=1-pe=0.784/με,溫度敏感系數(shù)ST=αf+ξ=7.35×10-6/℃,α1和α2分別為外管和內(nèi)管的熱膨脹系數(shù),α1=10×10-6/℃,α2=11×10-6/℃,L1和L2分別為外管和內(nèi)管的長度,L1=100 mm,L2=50 mm,Lf為光纖光柵的長度,Lf=10.6 mm。由以上可得式(7)中

(9)

因此光纖光柵的中心波長只受到應(yīng)變變化的影響,得

ΔλB/λB=(1-Pe)Δε=SεΔε

(10)

圖3 低溫敏FBG傳感器實(shí)物圖

3 低溫敏FBG應(yīng)變傳感器的設(shè)計(jì)

根據(jù)夾持式封裝光纖光柵工作原理,設(shè)計(jì)低溫敏FBG應(yīng)變傳感器如圖3所示。金屬外管直徑為3.5 mm,長度為50 mm,夾持鋼管直徑為4 mm,長度為20 mm,夾持支座底座長度為17 mm,寬度為15 mm,夾持支座上部固定構(gòu)件寬度為8 mm,尾纖鎧裝光纜直徑為3 mm。將隔溫套管內(nèi)光纖光柵一端放入涂滿粘結(jié)劑的夾持鋼管內(nèi),尾纖用鎧裝光纜保護(hù),光纖光柵的一端固定,金屬外管套在金屬內(nèi)管上,光纖光柵另一端放入涂滿膠的夾持鋼管內(nèi),尾纖也用鎧裝光纜保護(hù)并與夾持鋼管粘結(jié)。

4 標(biāo)定試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 溫度標(biāo)定

在恒溫油槽內(nèi)對低溫敏FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行溫度標(biāo)定,3次溫度試驗(yàn)光纖光柵中心波長與溫度的關(guān)系曲線如圖4所示。根據(jù)應(yīng)變傳感器的溫度靈敏度系數(shù)ST=Δλ/ΔT,其中Δλ為中心波長偏移量,ΔT為溫度增量,溫度在20 ℃～120 ℃內(nèi)變化,光纖光柵波長平均變化0.078 nm,該低溫敏FBG應(yīng)變傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為0.78 pm/ ℃。中心波長 1 550 nm 的裸光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)為10.8 pm/ ℃,低溫敏FBG應(yīng)變傳感器的溫度靈敏度為裸光纖光柵的7.2%,大大降低了對溫度的靈敏性。

圖4 3次溫度試驗(yàn)中心波長與溫度的關(guān)系曲線

4.2 應(yīng)變標(biāo)定

在萬能試驗(yàn)機(jī)上對低溫敏FBG應(yīng)變傳感器進(jìn)行標(biāo)定,5次應(yīng)變試驗(yàn)光纖光柵中心波長與應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖5所示,該傳感器具有良好的線性關(guān)系,線性擬合度達(dá)到99.9%以上。根據(jù)應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)Sε=Δλ/Δε,其中Δλ為中心波長偏移量,Δε為應(yīng)變增量,應(yīng)變增量300 με光纖光柵波長平均變化0.041 nm,該低溫敏FBG應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.377 pm/ ℃。

圖5 5次試驗(yàn)中心波長與應(yīng)變的關(guān)系曲線

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種低溫敏FBG應(yīng)變傳感器,利用內(nèi)、外鋼管及隔溫套管進(jìn)行封裝,傳感器兩端夾持支座與測試構(gòu)件固定連接進(jìn)行應(yīng)變測試,內(nèi)、外管產(chǎn)生的膨脹差值引起的光柵波長變化量,與熱膨脹和熱光效應(yīng)引起的光柵波長變化量抵消,實(shí)現(xiàn)了低溫敏效果。對該傳感器進(jìn)行了溫度和應(yīng)變標(biāo)定試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,該傳感器的溫度靈敏度系數(shù)為0.78 pm/ ℃,是裸光纖光柵溫度靈敏度的7.2%,大大降低了對溫度的靈敏性,應(yīng)變靈敏度系數(shù)為1.377 pm/ ℃。

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