某型Fabry-Perot光（guāng）纖應變計的傳感特性試（shì）驗-刀具網-數控機（jī）床市場網

您現在（zài）的位置：數控（kòng）係統網（wǎng）> 技術前（qián）沿>某型Fabry-Perot光纖應變計的傳（chuán）感特性試驗

某型（xíng）Fabry-Perot光纖應變計的傳感特性試驗

2016-2-3 來（lái）源：中國艦船研究設計中心作者：肖邵予汪浩

摘要：光纖應變傳感技術在（zài）國外已廣泛應用於船體結構健康監測之中，而（ér）在（zài）國內鮮有工程實際應用的嚐試，究其原因，光（guāng）纖傳感器的結構封裝是影響光纖傳感技術工程化應用（yòng）的重要因素。針對某船體結構應力監測係統原理樣機所選（xuǎn）型的Fabry-Perot光纖應變計，介（jiè）紹其測量（liàng）原理，建立封裝結構試驗模型，並對該結構開展了靜態應變傳感特性、動態（tài）應變傳感特性（xìng）以及溫度特性的試（shì）驗研（yán）究。分析結果表明，該（gāi）型光纖應（yīng）變計靜態、動態應（yīng）變測量結果與基於電阻應變片的電測法結果偏差小於（yú）2%，從而驗（yàn）證了光纖（xiān）應變計測量（liàng）數據的準確性。同時，應變—溫度的關係曲（qǔ）線也表現出良好的一致性和線性，這表明該型光纖應變（biàn）計的封（fēng）裝結構能滿（mǎn）足艦船（chuán）溫度環境條（tiáo）件。

關鍵詞： Fabry-Perot；光纖應變（biàn）計；光纖（xiān）傳感；船體（tǐ）結構；健（jiàn）康（kāng）監測

0 引言

應變測量是土木（mù）建（jiàn）築、石油工業、汽車、航天飛行器和船舶等結構健康監測中的重要測量項目。近30 年來，隨（suí）著光纖傳感技（jì）術的（de）飛速發展，以光波為載體、光纖為媒質來感知和傳輸外界被測信號的光纖傳感技術在很多場合（hé）已取代（dài）基於電阻應變片的電（diàn）測法（fǎ），並（bìng）應用到結（jié）構健康監測中去。由於光纖傳感技術具有（yǒu）抗電磁幹擾（rǎo）、電絕緣、本質安全、便於複用以及便於成網等優點，現已成為傳感領域最重要的技術之一，並形（xíng）成了一個龐大的產業和穩定的研（yán）究（jiū）領域。其中，從上世紀90年代起，國外已將光纖傳感技術應用到船（chuán）體（tǐ）結構健康監測中。

光纖傳感器不同於傳（chuán）統（tǒng）傳（chuán）感器，其裸光纖（xiān）非常纖細，抗剪（jiǎn）能力差，除要考慮光纖傳感（gǎn）的基本原理外，其傳感器的封裝工藝也必須滿足工程應用需求，這是因為封裝工藝（yì）一方麵能（néng）夠保護傳感（gǎn）器，以增加其在安裝和使用過程中的（de）存活率，另一方麵封裝工藝還能改變傳感（gǎn）器的應變傳遞特性。因此，光纖（xiān）傳感器結（jié）構封裝是影響光纖傳感技（jì）術（shù）工程化應用的主要原因之一。美國、日本、英國、加拿大（dà）、荷蘭等國在光纖傳感（gǎn）器研製領（lǐng）域已處於領先地位，這些國家基本實現了光纖傳感器的（de）產業化和工程化，而國內主要集中在一些（xiē）研究單位，仍未完成由實驗室向產品過渡的階段。

國內武漢理工大學、天（tiān）津大學（xué）等高校已經（jīng）開展光纖傳感技術在船體結構監測應用的相關研究。侯超針對集裝箱船的結構特點，以光（guāng）纖（xiān）傳感技術為基礎對集裝箱船的疲勞和應力集中部位監測進行研究，從理論角度論（lùn）證了光纖（xiān）應變傳感（gǎn）器在船（chuán）體結（jié）構監測中應（yīng）用的可行性。王為指出（chū）光纖傳感器結（jié）構封（fēng）裝設計是船體結構健康監測的關鍵技術之一，並選用 Micron Optics 公司的 2 型點焊式應變計（jì）開展（zhǎn）傳感器性能試（shì）驗（yàn）研究。梁文彬針對船體（tǐ）結構特點提出了一種（zhǒng）簡易的表麵粘貼式光纖（xiān）應變計結構封裝方案，並對幾種（zhǒng）不同封裝材料和粘接膠進行對比試驗。本文針對某船體結構應力監測係統原理樣機所選型的Fabry-Perot（F-P）光纖應變計，在實驗室條（tiáo）件下分別對其（qí）進行靜態應變傳感特性（xìng）、動態應變傳感（gǎn）特性以及溫度特性的試驗研究。

1 Fabry-Perot光纖應變計原理

1.1 測量原理

Fabry-Perot 光纖應變計是基於 Fabry-Perot（簡稱 F-P）白光幹涉原（yuán）理，將 F-P 空腔作為應變傳感元件。其結構原理圖如圖 1 所示，可（kě）先在精密（mì）加工（gōng）平整的兩光纖端麵製備反射鏡，然後將製備好的2根光纖插（chā）入微細管內，由此可在2個（gè）反射鏡間形成 F-P腔。隨後，將（jiāng）光纖與微細管進行焊接（jiē）或粘接以形（xíng）成F-P光纖應變計。當試件受力發生變形時，試件上的光纖應變計也隨之變形， F-P腔長變化與被測應變的關係為：

式中（zhōng）：光（guāng）纖應變計長度 L 為兩焊接或粘接點的（de）間距（jù），μm；d為（wéi）F-P腔長，μm。

1.2 信號解調原理

F-P 光纖（xiān）應變計的信號解調技術有很多種，目前白（bái）光正（zhèng）交幹涉法是相對比（bǐ）較成熟的技術，其信號解調原理如圖2所示。

圖中（zhōng）可見，白光光源發出的白光通過光纖進入充當功率分配器的耦合器，第1路輸出通過光連接器連接到信號解調模塊的前麵板。第2路輸出（chū）則不做使用（yòng）。白光通過光纖（xiān）應變計調製後反射的光信號先經過一個圓柱鏡進行擴展，當擴展成均勻的光柱後，即照射（shè）在Fizeau幹涉儀上。Fizeau幹涉儀有一個楔形空腔，當該楔形空腔某（mǒu）一點的寬度等於應變計 F-P空腔的長度時，該點（diǎn）反射的光強最大。因此，當光（guāng）纖應變計 F-P空腔（qiāng）長（zhǎng）度因外界作用而（ér）產生變化時，Fizeau 幹涉儀上能產生最強反射光的位（wèi）置會隨之改變，且最強反射（shè）光在CCD上（shàng）的投射位置也會因此（cǐ）改變。隨後，通過讀出（chū） CCD 上最強反射光的位置就可以計算光纖應變計（jì）F-P空腔長度，並通過公式（1）計（jì）算出外界作用的應變（biàn）。

1.3 封（fēng）裝結構（gòu）

本文所選用的光纖應（yīng）變計采用不鏽鋼管和不鏽（xiù）鋼片聯合（hé）的封裝形式。該光纖應變計由一根細徑不鏽鋼（gāng）管（直（zhí）徑（jìng）約1 mm）焊接在不鏽鋼片（厚度0.15 mm）上，該不鏽鋼片則作為基片點焊於被測鋼結構表麵（miàn）。組成F-P空腔的2根光纖則采用特殊膠粘接在不鏽鋼管內，其結（jié）構（gòu）如圖3所示（單位：mm）。

綜（zōng）上所述，該（gāi）型光纖應變（biàn）封裝形式特點如下（xià）：

1）不（bú）鏽鋼（gāng）片與（yǔ）被測鋼結構件采用點焊方式進（jìn）行連接，相比膠粘方式更為牢固（gù）可靠；

2）與一般船體結構用鋼厚度相比，不鏽鋼片0.15 mm的厚度很薄，其剛度與被測鋼結構相比而言可以忽（hū）略（luè），當將其點焊於（yú）被（bèi）測鋼（gāng）結構時，其應變傳遞損耗很小；

3）不鏽鋼（gāng）材料與一般船體結構用鋼的彈性模量比較接近，不容易（yì）出現應力集中現象，工程上一般推薦采用不鏽鋼材料（liào）作為光纖傳感器的封裝材料；

4）將不鏽鋼片與細徑不鏽鋼管進行焊接固定，其應變傳遞損耗很小。

2 試驗研（yán）究

2.1 靜態應變（biàn）傳感特性試驗研究

結構（gòu）模型采用 Q235A 碳鋼，由（yóu）懸（xuán）臂梁板和底座（zuò）組成。懸臂梁是一塊 800 mm×100 mm×10 mm的鋼板；底（dǐ）座厚度為 25 mm，底座肘板厚 10 mm。底座（zuò）通過螺栓固定在剛性平台上，並采用油壓手動式千斤頂放置於懸臂梁自由端來提供垂直向上的（de）力。裝置示意圖如圖4所示(單位： mm)。

應變測（cè）點（共8個）布置在懸臂梁上，編（biān）號1~4號點為（wéi）電阻應（yīng）變片（piàn）測（cè）點（diǎn），編號5~8號點為光纖應變計測點，方向位置如圖5所示(單（dān）位：mm)。

通過（guò）在懸臂梁自由端頂升千斤頂，可使懸臂梁發生（shēng）變形，從而（ér）得到應變（biàn）值。懸臂梁自由端的位移從 0 mm 開始，當信號穩定後開始頂升（shēng）千斤（jīn）頂，使得懸臂梁自由端（duān）位移依次為11，14，18和23 mm。然後，開始逐步卸載，減小位移值，直至回到初始狀態。重複上述步驟 3次，並對自由端每一個位移值所對（duì）應（yīng）的 3 次應變測（cè）量值進行算（suàn）術平（píng）均，該平（píng）均值即（jí）為該位移值（zhí）所對應的應變測量值。由上可知，電阻應變片測量的應變值（zhí）與位移（yí）值線性關係（xì）良好，其加載和卸（xiè）載曲線吻合得很好。圖6所示為電阻應變片1號應（yīng）變（biàn）測點的加載、卸載曲線。

由於結構模型的（de）對稱性，電阻應變片 1~4 號應變測點（diǎn）可分別對應（yīng）光纖應變計 5~8 號應變測點。圖 7 和圖 8 分別為電阻應變片（piàn） 1 號應變測點和光纖應變計 5號應變測點加（jiā）載和卸載曲線的對比。圖（tú）中可看出，光纖（xiān）應變計加載、卸載曲線與電阻應變片曲線（xiàn）較為一（yī）致。卸載過程中（zhōng）相同位移對應的應變值2條曲線的最大偏差僅為1.7%，因此，光纖應變計靜態應變傳感特性試驗結果（guǒ）可信。

2.2 動態應變傳感特性試驗研究

動態應變（biàn）試驗的模型裝置與靜態應變試驗裝置（zhì）相同（tóng），主要在懸臂梁（liáng）自由端（duān）采用錘擊以產生瞬態激勵，記錄並對比電阻應變片和光纖（xiān）應變計的時間信號。

由於電阻應變測量係統（tǒng）和光纖應變測量係統的采樣起始時間和采（cǎi）樣頻率有所差別，各采樣點的應變值無法完（wán）全吻合（hé），因此，選擇（zé）將2套係統所采集的前10個波形曲線進行（háng）對比，同時還對其峰值平均值進行對比。

如圖9所示，電阻應（yīng）變片1號應變測點和光纖應變計 5號應變測點的波形曲線吻合較好，峰值平均值偏差為 1.1%，因此，光纖應變（biàn）計（jì）動態應變傳感特（tè）性試驗結果可信。

2.3 溫度特性試驗研究（jiū）

將解調儀和光纖應變計分別置於 MC-711高低溫試驗箱和 MHU-225CNSA 高低溫試驗箱內，並連接好線路。放置（zhì）光纖應變計的箱內溫度設定（dìng）低溫為-10 ℃，高溫為（wéi）80 ℃；放置光纖解調儀的箱內溫度設定為25 ℃時，保持恒溫1 h。整個過程中，接通（tōng）電源使產品處於通電工作狀態。在不對傳感器施加任（rèn）何應力的情況下，先從（cóng）低溫升至（zhì）高溫，然（rán）後再從高溫降至低溫。期間，選取6個溫度（dù）間隔來測量（liàng）傳感（gǎn）器（qì）的應變輸出值，每次升溫後至少保持穩定1 h左右，並從-10～80 ℃重複測量3次，記錄係統應變輸出值。循環（huán）溫度設定如圖 10所示。

圖（tú） 11 所示為 WF10009 光（guāng）纖應變計分別經曆（lì）溫度循環 1次，2次和 3次的應變—溫度對比（bǐ）曲線。從圖11 （a）可以（yǐ）看出，在單次溫（wēn）度循環試驗中，光纖應變計（jì）保持了良好的應變—溫度線性關係，同時（shí）升溫和降（jiàng）溫過程也保（bǎo）持了良好的一致性；從（cóng）圖 11（b）和圖11（c）可以看出，每次溫度循環具有良好的（de）重複性和一致性。

該光纖（xiān）應變計的應（yīng）變—溫度曲線的線性回歸方程為y=18.17x-440.69，線性相關度R = 0.999 8，光纖應變計的溫度係數β為 18.17με/℃。從光（guāng）纖應變計的封裝結（jié）構來看（kàn），該型應變計的溫度係數與不鏽鋼材料和粘接膠（jiāo）有（yǒu）關。廠家提供（gòng）不鏽（xiù）鋼材料常溫下的（de）線性熱膨脹係數為 18 με/℃，該值與溫度（dù）循環試驗測量的溫度係數β值極為接近（jìn）。同時，不鏽鋼管內采用粘接（jiē）膠（jiāo）也（yě）有一定貢獻（xiàn），但總體影響可以忽略。

3 結語

國內，光纖應變（biàn）傳感技術已在土木建築（zhù）、橋梁工程、航空（kōng）航天和海洋石油（yóu）平（píng）台等結構健康監測中得到應用，而在船體結（jié）構健康監測的工程應用領域則（zé）報道較少。本文針對某船體結構應力監測係統原理樣機所選型的光纖應變計，在實驗室（shì）條件下建立了懸臂梁模型，並通過靜（jìng）態（tài）應變傳感（gǎn）特性試驗研究（jiū）、動態應變（biàn）傳感特性試驗研究和溫度（dù）特性試驗研（yán）究嚐試對（duì）試驗數據的準確性進行初步試驗研究，從而（ér）驗證了光纖應變計在船體結構健康監測中（zhōng）應用的可行性。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資（zī）訊合（hé）作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多（duō）

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多

數控機床