具有自標(biāo)定功能的光纖光柵位移傳感器

倪 岳,辛璟燾,2,宋言明,2,呂 崢,祝連慶,2

(1.北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100192;2.廣州南沙紫溪智能感知研究院,廣東 廣州 511462)

1 引 言

光纖光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好、抗電磁干擾、抗腐蝕、絕緣性能好等優(yōu)點(diǎn)[1-3],同時(shí),可在惡劣的環(huán)境下使用,被廣泛應(yīng)用于測(cè)溫度、應(yīng)變、位移等領(lǐng)域[4-7]。目前,FBG溫度、位移傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、工程結(jié)構(gòu)等動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中[8-9],其中FBG位移傳感器也被用于邊坡、橋梁、道路等監(jiān)測(cè)場(chǎng)景[10-13]?，F(xiàn)階段,研制的FBG位移傳感器存在尺寸較大、測(cè)量重復(fù)性差等問(wèn)題,使其應(yīng)用受到了限制。

目前,FBG位移傳感器在較小量程范圍內(nèi),文獻(xiàn)[14]提出了利用彈簧與滑塊相結(jié)合的方式,將FBG粘貼于石英玻璃管內(nèi),當(dāng)滑塊移動(dòng)時(shí),彈簧產(chǎn)生的彈力作用在石英玻璃管上,通過(guò)檢測(cè)FBG中心波長(zhǎng)的變化量,得到外界位移量,該傳感器的量程為10 mm,精度可達(dá)到0.143 mm;文獻(xiàn)[15]提出了利用彈性環(huán)作為FBG預(yù)拉伸后的彈性轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),通過(guò)優(yōu)化此結(jié)構(gòu),該傳感器的量程為20 mm,精度可達(dá)到0.018 mm。FBG位移傳感器在較大量程范圍內(nèi),文獻(xiàn)[16]通過(guò)彈簧將結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移轉(zhuǎn)化成應(yīng)力,作用到FBG上,引起FBG中心波長(zhǎng)的變化,該傳感器的量程為100 mm,重復(fù)性誤差為1.326 mm;文獻(xiàn)[17]通過(guò)將測(cè)量線(xiàn)的位移轉(zhuǎn)化為傳感臂的彈性撓度,設(shè)計(jì)了一種機(jī)械傳遞結(jié)構(gòu),此設(shè)計(jì)下的FBG位移傳感器量程為150 mm,重復(fù)性誤差為2.625 mm。

目前,FBG位移傳感器在量程較小時(shí),精度會(huì)相對(duì)較高;量程較大時(shí),精度會(huì)相對(duì)較低,且在工作中存在機(jī)械誤差、測(cè)量重復(fù)性差的問(wèn)題[18-19]。因此,研究出一種在較大量程范圍內(nèi),精度相對(duì)較高且測(cè)量重復(fù)性好的FBG位移傳感器,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文提出了一種具有自標(biāo)定功能的FBG位移傳感器,使其在大量程范圍內(nèi)工作時(shí),可進(jìn)行在線(xiàn)自標(biāo)定。首先,對(duì)自校準(zhǔn)裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和有限元仿真分析,得到了位置標(biāo)定端磁鐵受力與移動(dòng)端磁鐵位置的關(guān)系。其次,制備光纖光柵,將其用于自校準(zhǔn)裝置,對(duì)自校準(zhǔn)裝置進(jìn)行性能測(cè)試,得到位置校準(zhǔn)分辨率為0.057 mm。最后搭建測(cè)試系統(tǒng)對(duì)位移傳感器的傳感特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在0～360 mm的測(cè)量范圍內(nèi),所設(shè)計(jì)的傳感器線(xiàn)性度為0.99991,校準(zhǔn)前平均均方根誤差為5.838 mm,校準(zhǔn)后平均均方根誤差為0.953 mm。本文提出的位移自校準(zhǔn)方法,提高了傳感器的測(cè)量重復(fù)性,是提升FBG位移傳感器性能的一種新技術(shù)。

2 自校準(zhǔn)方法

2.1 基本原理

如圖1所示,為本文所設(shè)計(jì)的自校準(zhǔn)裝置原理圖,由FBG、應(yīng)變傳遞梁、移動(dòng)端、永磁體、解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)組成。將FBG封裝在應(yīng)變傳遞梁的上表面,梁的一端粘貼直徑為2 mm、高為4 mm的磁鐵,此整體作為位置標(biāo)定端。當(dāng)移動(dòng)端磁鐵徑向移動(dòng)時(shí),梁上的磁鐵與移動(dòng)端磁鐵相互吸引,梁會(huì)因磁力作用向下彎曲,進(jìn)而使FBG發(fā)生應(yīng)變,產(chǎn)生中心波長(zhǎng)的漂移。

圖1 自校準(zhǔn)裝置基本原理圖

使用有限元分析軟件COMSOL對(duì)位置標(biāo)定端磁鐵的軸向受力情況進(jìn)行分析,設(shè)置兩個(gè)磁鐵直徑為2 mm、高為4 mm,上面的作為位置標(biāo)定端磁鐵,下面的作為移動(dòng)端磁鐵,兩者縱向排布間距為0.2mm,磁鐵周?chē)O(shè)置為空氣,磁化強(qiáng)度縱向設(shè)置為750 kA/m,對(duì)移動(dòng)端磁鐵進(jìn)行參數(shù)化掃描,長(zhǎng)度設(shè)置從0～4 mm、步進(jìn)為0.1 mm。仿真結(jié)果如圖2(a)所示,歸一化結(jié)果如圖2(b)所示。

(a)位置標(biāo)定端磁鐵軸向受力與移動(dòng)端磁鐵位置關(guān)系的仿真圖

由圖2(a)可得,磁力線(xiàn)越密集,顏色越深,磁力越大。由圖2(b)可得,當(dāng)移動(dòng)端磁鐵從圖1中①移動(dòng)到③的位置時(shí),梁上磁鐵所受磁力會(huì)從小變大再變小,當(dāng)移動(dòng)端磁鐵與梁上磁鐵位置重合時(shí),梁上磁鐵受力最大,此時(shí)FBG波長(zhǎng)漂移處于最大狀態(tài),如圖1中②位置所示,將此處作為已知點(diǎn),進(jìn)行標(biāo)定。

2.2 應(yīng)變傳遞梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

FBG封裝方法主要包括表貼式和兩點(diǎn)式:采用兩點(diǎn)式封裝方法時(shí),由于光纖的約束,梁上的磁鐵向下移動(dòng)的距離極小,為微米級(jí);采用表貼式封裝方法時(shí),由于光纖的約束,梁上的磁鐵向下移動(dòng)的距離較大,為毫米級(jí)。當(dāng)位移變化值較大,即傳感頭移動(dòng)速度較快時(shí),若采用表貼式封裝方法,自校準(zhǔn)裝置響應(yīng)滯后,影響自標(biāo)定效果;若采用兩點(diǎn)式封裝方法時(shí),自校準(zhǔn)裝置響應(yīng)較好。因此在后續(xù)研究中選用兩點(diǎn)式封裝方法,并設(shè)計(jì)了一種工字型懸臂梁結(jié)構(gòu)。

圖3為工字型懸臂梁結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物圖,工字型懸臂梁由固定端、標(biāo)定端和連接端組成。固定端長(zhǎng)30 mm、寬3 mm、高6.2 mm,起固定梁的作用,材質(zhì)為銅;標(biāo)定端長(zhǎng)6 mm、寬3 mm、高6.2 mm,材質(zhì)為銅,其上的孔內(nèi)放入直徑2 mm的磁鐵;連接端長(zhǎng)20 mm、寬2 mm、高0.2 mm,材質(zhì)為鎳鈦合金。其中,固定端與標(biāo)定端之間的水平距離為6.2 mm。

圖3 工字型懸臂梁結(jié)構(gòu)圖與實(shí)物圖

2.3 應(yīng)變傳遞梁的特性研究

當(dāng)移動(dòng)端磁鐵距離工字型懸臂梁上磁鐵的水平距離達(dá)到4 mm時(shí),校準(zhǔn)FBG的中心波長(zhǎng)變化處于穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí),將移動(dòng)端磁鐵向梁上磁鐵的方向水平移動(dòng),直到校準(zhǔn)FBG的中心波長(zhǎng)變化值再次趨于穩(wěn)定狀態(tài)。移動(dòng)端步進(jìn)為0.01 mm,對(duì)每個(gè)點(diǎn)的中心波長(zhǎng)值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,將采集到的數(shù)據(jù)取平均,作為該點(diǎn)的中心波長(zhǎng)值。圖4為移動(dòng)端磁鐵位置與工字型懸臂梁上的FBG中心波長(zhǎng)變化的關(guān)系圖,使用Origin軟件對(duì)局部放大圖進(jìn)行非線(xiàn)性高斯擬合,可得波長(zhǎng)平均值最大為1544.538 nm,位置校準(zhǔn)分辨率為0.057 mm。

圖4 工字型懸臂梁特性研究曲線(xiàn)圖

3 具有自標(biāo)定功能的FBG位移傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于卷尺結(jié)構(gòu)的FBG位移傳感器由上壓片、等強(qiáng)度懸臂梁、主軸、微分頭、發(fā)條內(nèi)圈、轉(zhuǎn)盤(pán)等結(jié)構(gòu)組成,如圖5所示,傳感器整體長(zhǎng)為80 mm,寬為54 mm,高為30 mm。當(dāng)外界產(chǎn)生位移時(shí),主軸會(huì)帶動(dòng)微分頭產(chǎn)生向上或向下的位移量,進(jìn)而導(dǎo)致等強(qiáng)度懸臂梁彎曲變形,通過(guò)監(jiān)測(cè)其上的FBG中心波長(zhǎng)值可得外界的位移量。

圖5 具有自標(biāo)定功能的FBG位移傳感器結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)FBG位移傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如圖6所示,將工字型懸臂梁裝配到位移傳感器上,傳感器內(nèi)部的轉(zhuǎn)盤(pán)與工字型懸臂梁之間的垂直距離為0.2 mm,使傳感器具有自標(biāo)定功能。轉(zhuǎn)盤(pán)半徑為21 mm,在其側(cè)面均勻放置8個(gè)長(zhǎng)4 mm、直徑2 mm的磁鐵,每相鄰兩磁鐵間距離均為16.485 mm,轉(zhuǎn)盤(pán)為工字型懸臂梁的移動(dòng)端。由自校準(zhǔn)裝置的基本原理可得下式:

(1)

(a)

式中,x為校準(zhǔn)后位移值,單位為 mm;n為總校準(zhǔn)點(diǎn)數(shù);n1=當(dāng)前校準(zhǔn)點(diǎn)個(gè)數(shù)-1;r為轉(zhuǎn)盤(pán)半徑,單位為 mm。

傳感繩開(kāi)始和結(jié)束移動(dòng)時(shí),自校準(zhǔn)裝置均位于校準(zhǔn)點(diǎn)處,通過(guò)記錄中心波長(zhǎng)變化的最大值點(diǎn),判斷工字型梁上的磁鐵經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)上的磁鐵數(shù)量,每經(jīng)過(guò)一個(gè)磁鐵,便按公式(1)進(jìn)行計(jì)算,并將結(jié)果賦給位移傳感器,作為位移傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量值,然后按照標(biāo)定的系數(shù)進(jìn)行測(cè)量值的輸出,直到經(jīng)過(guò)下一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn),重復(fù)上面的步驟直到結(jié)束。

4 傳感特性實(shí)驗(yàn)研究

4.1 具有自標(biāo)定功能的FBG位移傳感器測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)由具有自標(biāo)定功能的FBG位移傳感器、解調(diào)儀、精密步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、上位機(jī)組成。如圖7所示,將位移傳感器固定在精密步進(jìn)電機(jī)的一端,傳感繩固定在精密步進(jìn)電機(jī)的平移臺(tái)上,保持水平,確保傳感繩被拉動(dòng)時(shí),受力均勻。

圖7 FBG位移傳感器自校準(zhǔn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖

對(duì)FBG卷尺結(jié)構(gòu)位移傳感器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn),找到波長(zhǎng)和位移之間的比例關(guān)系。通過(guò)程序控制驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)上的平移臺(tái)左右移動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)傳感繩進(jìn)行線(xiàn)性運(yùn)動(dòng),FBG的波長(zhǎng)變化通過(guò)解調(diào)儀傳輸給計(jì)算機(jī),在計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)顯示。

傳感器的量程范圍為0～360 mm,將采集到的中心波長(zhǎng)值的平均值作為該點(diǎn)波長(zhǎng)值,得到等強(qiáng)度懸臂梁上的FBG中心波長(zhǎng)與外界位移量之間的關(guān)系,如圖8所示。

圖8 FBG卷尺結(jié)構(gòu)位移傳感器標(biāo)定曲線(xiàn)圖

由圖8所示,中心波長(zhǎng)隨位移變化的關(guān)系式為:

λ=-0.00556x+1557.41597

(2)

線(xiàn)性度R2=0.9999,該位移傳感器具有良好的線(xiàn)性度。

根據(jù)靈敏度計(jì)算公式:

(3)

可計(jì)算出傳感器的靈敏度為5.56 pm/mm。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

對(duì)具有自標(biāo)定功能的FBG位移傳感器進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖9所示,通過(guò)計(jì)算可得,FBG位移傳感器在校準(zhǔn)前三次往返的均方根誤差分別為6.279 mm,5.528 mm,5.706 mm;對(duì)應(yīng)校準(zhǔn)后三次往返的均方根誤差分別為0.956 mm,0.989 mm,0.913 mm。如圖10所示,校準(zhǔn)前相對(duì)誤差在5 %以?xún)?nèi),校準(zhǔn)后相對(duì)誤差在2 %以?xún)?nèi),傳感器的測(cè)量重復(fù)性得到了提升。

圖9 校準(zhǔn)前后測(cè)量值與基準(zhǔn)值對(duì)比關(guān)系圖

圖10 校準(zhǔn)前后相對(duì)誤差對(duì)比圖

5 結(jié) 論

針對(duì)FBG位移傳感器在使用過(guò)程中易受外界因素影響使其測(cè)量重復(fù)性差的問(wèn)題,本文利用磁鐵非接觸的力傳遞特性,研究了一種FBG位移自校準(zhǔn)裝置。校準(zhǔn)FBG的封裝方式選用兩點(diǎn)式封裝法,設(shè)計(jì)了工字型懸臂梁結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)裝配好的FBG位移傳感器進(jìn)行傳感特性研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在0～360 mm的測(cè)量范圍內(nèi),該傳感器具有良好的線(xiàn)性度,校準(zhǔn)前后往返的均方根誤差從最大為6.279 mm降到0.956 mm,FBG位移傳感器的測(cè)量重復(fù)性得到了顯著提高。