一种简易测试光纤光栅应变测量系统的方法*

陈　光　丁克勤　郑健

(1.中国特种设备检测研究院，北京 100029；2.北京交通大学理学院，北京 100044；3.中国计量学院光学与电子科技学院，杭州 310018)

0　引言

应变是材料与结构的重要物理特性，最能反映结构局部特性，是材料和工程结构健康监测最为重要的参数[1-2]。对结构或材料应变测量，可以预知局部荷载的状态，对保障工程结构的安全具有重要意义。目前应力应变测量主要采用电阻应变片方法。然而，该方法因易受环境 (如电磁场、温度、湿度、化学腐蚀等) 影响、硬件寿命短等原因，使其应用受到一定程度的限制。近年来发展起来的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating，简称FBG)应变传感器，具有应变灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰等特点，而且可以粘贴、焊接在结构表面(或埋入结构内部)，实现结构的长期监测。同时光纤光栅传感器还可以组成准分布式传感器网络，更适用于大型工程结构的监测，是一种极具发展潜力和应用价值的应变传感器[3-7]。

目前国外光纤光栅应变测量系统虽然精度较高，但是价格偏贵。据此，国内开发了光纤光栅应变测量系统，但是目前缺乏行之有效、快速简洁的手段测试其性能。本文针对光纤光栅应变测量系统应用测试问题，基于悬臂等强度梁应变实验，提出了简易测量光纤光栅传感器和光纤传感分析仪的性能方法。并针对准分布式监测问题，说明了光分路器对光纤光栅传感器应变测量的影响。

1　光纤光栅传感器测量原理

光纤光栅传感工作原理如图1所示，当光源发出的连续宽带光通过传输光纤射入时，它与光场发生耦合作用，光栅对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回；其余宽带光则直接透射过去。反射回的窄带光的中心波长值(Bragg波长)为：

lB=2neff·Λ

(1)

式中，lB为FBG的中心波长；neff为纤芯的有效折射率；Λ为光栅周期。

图1　光纤光栅传感器测量原理

当光纤布拉格光栅受到轴向应力作用或者温度变化影响时，其neff和Λ都会发生变化，使满足式(1)的反射波长发生偏移ΔlB。当环境温度一定时，反射波长的偏移与所受应变的关系如下：

(2)

或

(3)

式中，ρ11、ρ12为光纤材料的光弹性系数；μ为光纤材料的泊松比。由式(2)可以看出Bragg波长的变化ΔlB与所受应变ε成线性关系[6-7]。

2　应变测量及分析

2.1　悬臂等强度梁

实验中选用的悬臂等强度梁如图2所示，图中L为梁长；b为梁自由端宽度；x为载荷作用点到测试点距离；bx为距载荷点x处梁的宽度。该等强度梁的杨氏模量为210GPa，梁长295mm，厚度40mm，并配有1个156g的托盘和4个200g砝码。

图2　悬臂等强度梁示意图

利用等强度梁上的应变值处处相等的原理，通过不同的光纤光栅传感分析仪对梁上不同位置的光纤光栅传感器进行应变测量，结合高精度电阻应变仪和理论计算值，对光纤光栅测量应变的方法进行分析。

2.2　应变的计算和测量

2.2.1理论计算

根据文献[9-10]，对于尺寸较小的等强度梁，由于梁受载荷时挠度较小，测量误差比较大。利用公式(4)计算的应变值具有更高的准确性。本文选用式(4)计算等强度梁在不同载荷下理论应变值。

(4)

式中，bx为测量距载荷点x处梁的宽度；h为梁的厚度；x为载荷作用点到测试点距离；P为载荷量；E为梁的弹性模量。

实验中通过钢板尺以及游标卡尺测得距载荷点120mm处的梁宽为18.5mm。

2.2.2实验测量

本文利用高精度电阻应变仪和光纤光栅应变测量系统测量等强度梁在不同载荷下的应变值。采用的电阻应变仪为秦皇岛兰德科技有限公司生产的 BZ2204-2A，光纤光栅应变测量系统主要为美国 MICRON OPTICS公司(简称MOI)生产的基片式光纤光栅传感器和sm130光纤光栅传感分析仪。

实验时，将电阻应变片和光纤光栅传感器安装到等强度梁上，为了减小等强度梁的机械误差对实验结果造成影响，基片式光纤光栅传感器与电阻应变片按图3所示安装在等强度梁中部的A位置，并且关于等强度梁的中心线呈轴对称。安装时还需使光纤光栅传感器与电阻应变片的轴向与等强度梁轴向平行。在等强度梁的测量点上分10次放置不同的载荷量，10次的载荷量分别为：0、1.529、3.489、5.449、7.409、9.36、7.409、5.449、3.489、1.529N，在等强度梁的测量点施加不同的载荷，并记录电阻应变仪和光纤光栅传感仪上的应变值。

图3　实验装置示意图

理论计算值、高精度电阻应变仪和光纤光栅应变测量系统所测得的应变值如图4所示。

图4　应变计算方法对比分析

由图4可以看出，理论计算值、光纤光栅应变测量系统和电阻应变仪的测量的应变值具有较好的一致性，呈明显的线性关系。相比光纤光栅测量系统，电阻应变仪测量的应变值更接近理论计算值。与理论计算和应变仪测量值相比，光纤光栅测量系统测量的应变值最大误差在5με，在工程上是可以接受的。

2.3　简易光纤光栅传感器和传感分析仪性能测试

在光纤光栅测量系统中，最主要的两个组成部分是光纤光栅传感器和光纤光栅传感分析仪。实验中采用的光纤光栅传感器和传感分析仪虽然精度较高，但是价格偏贵。另外，虽然光谱分析仪能测出光纤光栅传感器波长信息，但是高精度光谱分析仪价格昂贵。本文提出利用MOI光纤光栅传感分析仪测试国内光纤光栅应变传感器灵敏度和利用基片式光纤光栅传感器测量国内解调仪基本参数的简易方法。

2.3.1简易光纤光栅传感器性能测试方法

实验中被测量的应变传感器灵敏度系数为1.2pm /με。通过高精度电阻应变仪测量的应变值，MOI光纤光栅传感分析仪测量光纤光栅传感器的反射波长，对光纤光栅传感器的性能进行评价分析。所得数据如图5所示。

图5　光纤光栅传感分析仪测量反射波长与应变关系

由图5可知，该光纤光栅传感器的反射波长与应变值具有很高的线性度，应变灵敏度为1.24pm/με，与厂家所给的器件参数基本一致。三次试验均保持良好的线性度和应变灵敏度，但初始波长漂移较大，这与使用环境和仪器自热有关，不影响应变测量。

但需注意，由于基片式光纤光栅传感器和梁能有紧密的结合，所以利用悬臂梁测试其性能影响较小。对于标距较大或者封装形式使得光栅离梁较远时，由于加载时弯曲变形不一致，应采用拉伸试验机来测量其性能。

2.3.2简易光纤光栅传感分析仪性能测量方法

利用国外光纤光栅传感器和高精度电阻应变仪测试国内光纤光栅传感分析仪的性能。采集的数据整理如图6所示。

图6　采集的应变数据对比

图6可以看出，应变值最高相差10με，在精度要求不高的情况下，国内此款光纤光栅传感分析仪尚可使用。

2.4　光分路器的影响

光纤光栅传感器用于分布式测量时需串接或并接光纤光栅传感器。光纤光栅传感器串接使用时，不容许任何一个传感器出现问题，导致了风险的增加。工程上多应用并联传感器，使用光分路器实现各个传感器的连接而互不影响。

光纤光栅传感器粘贴到等强度梁的B位置(如图3 所示)，并将传感器经过分路器与光纤光栅传感分析仪连接。在等强度梁的测量点施加不同的载荷量，并记录光纤光栅传感分析仪所得的数据。随后将分路器去除，使传感器直接连接光纤光栅传感分析仪，重复上述实验。将两次实验所得数据同时与高精度电阻应变仪采集的数据进行对比分析，得到的数据如表1所示。

表1　光分路器对光纤光栅传感器参数影响

由表1可以看出，未接光分路器时光纤光栅传感器反射回的光强度为2018cd，是接光分路器时的24倍。可见接分路器时光能损耗严重，光纤传感分析仪接收到的光能量较弱。在使用光分路器实现分布式测量时，应充分考虑光能量衰减因素。除此之外，光分路器的使用对光纤光栅传感器应变测量的波长漂移和准确度影响均较小。

3　结论

本文通过对悬臂等强度梁应变实验分析，得出光纤光栅测量系统具有较好的可靠性和准确性。提出了测量光纤光栅传感器和传感分析仪性能的测量方法，具有简单、准确、高效及实用等特点。同时指出对于标距较大或者封装形式使光栅离梁较远时，由于加载时弯曲变形不一致，应采用拉伸试验机来测量其性能。在使用光分路器实现分布式测量时，应充分考虑光能量衰减因素。上述分析，为光纤光栅应变测量系统在工程中的应用提供充分依据。

[1]吴祖堂，陈志军，邹虹，等.采用光纤光栅传感器测量模型材料应变的原理和应用[J].机械设计与研究，2012，28(1)：82-84+94

[2]Kwanghyun Yoo，Usung Park，Joonwon Kim.Development and characterization of a novel configurable MEMS inertial switch using a microscale liquid-metal droplet in a microstructured channel[J].Sensors and Actuators A：Physical，2011，166(2)：234-240

[3]周振安，刘爱英.光纤光栅传感器用于高精度应变测量研究[J].地球物理学进展，2005，20(3)：864-866

[4]刘云启，郭转运，刘志国，等.光纤光栅的压力传感特性研究[J].光子学报，1999，28(5)：60-62

[5]张彦兵，陈树礼，冯小利.几种常用应变测试技术的比较分析[J].山西建筑，2006，32(3)：77-78

[6]水彪.金属化封装光纤光栅传感技术研究[D].武汉理工大学，2012.

[7]刘汉平,何西坤,崔洪亮,等.参考光栅法分离FBG温度和应变测量的误差分析[J].计量技术，2007,01:39-41

[8]王欢.高速光纤光栅传感解调仪的设计[D].武汉理工大学，2009.

[9]梁龙彬，张伟刚，赵启大，等.基于光纤光栅的标准梁应变分析与测量[J].光电子·激光，2001，12(11)：1152-1155

[10]张伟刚，梁龙彬，赵启大，等.光纤光栅与电阻应变片应变测量的对比分析[J].传感技术学报，2001，14(3)：200-205