光纤光栅应变传感器二维应变测量方法

光纤光栅应变传感器二维应变测量方法
作者：李金娟
来源：《无线互联科技》2015年第02期
摘要：文章介绍了光纤光栅二维应力传感测量的试验台的准备、光纤光栅的制备、光纤光栅的粘贴、实验仪器、实验过程、光纤光栅测量应变与电阻应变片的测量结果作对比。

实验结果说明利用光纤光栅应变花可以得出与电阻应变花一致的结果。

关键词：光纤光栅；电阻应变片；应变；直角应变花
光纤光栅应变花进行二维平面应力测量是通过三个光纤光栅的中心波长的变化来测定应变的，电阻应变片应变花测出的应变值对光纤光栅中心波长进行标定。

所以粘贴时尽可能保证光纤光栅与对应的电阻应变片的测量方位一致。

1 实验台的准备
由于本实验需要用多个光纤光栅进行二维应力测量，所以不能使用一般的等强度梁，而是用一个十字架形结构，实际上也是一种等强度梁，不过这种装置有两个等强度梁，分别作为十字架的X轴向和Y轴向，用来施加压力，如图1所示。

这是实验的被测表面的俯视图，表面是由我们用一块马口铁皮做成的。

实验时在X轴、Y 轴方向分别悬挂砝码盘。

砝码的重力通过试验台的等悬梁臂结构拉伸X或者Y方向的铁皮，铁皮的应力的变化引起光纤光栅中心波长的变化，因此为了保证试验的效果，光纤光栅的粘贴必须使光栅光纤紧贴被测表面时同时发生应变。

2 光纤光栅的制备
实验台准备好后重要的是制备光纤光栅，本实验使用3只不同中心波长的光纤光栅，串联成直角应变花来测试动态应力的变化，因而需制备3只不同波长的光纤光栅。

由于实验条件的限制，试验室中只有两块相位掩模板，在实验室中只能制备两只光纤光栅，另外一只光纤光栅是已经制备好的光纤光栅。

三只光纤光栅的波长位置分别在：1532nm，1544nm，1548nm处附近。

根据实验条件，组建一个光纤光栅制作系统，制作方法采用目前最有效，也是最流行的相位掩模法，其实验系统如图2所示。

本实验用光纤，是载氢掺锗光敏光纤-普通光纤经过载氢处理（在室温下，压强为107Pa 的容器中，载氢两周左右），使得普通通信光纤的光敏性大大增加，达到写制光栅的要求。

实验所用的光谱分析仪为国产AV6361，分辨率选择0.2nm，宽带光源使用LED。

在实验前，将相位掩模板靠近光纤放置，要曝光部位的光纤需先去掉涂敷层。

通过载氢提高光纤的光敏性和缩短光纤与掩模板的距离是提高成栅效率的重要手段，保证光纤轴向与掩模板的栅线方向垂直且与掩模板平行是提高光栅质量的关键。

3 光纤光栅的粘贴
光纤光栅制作好之后，用光纤熔接机将三只光纤光栅串联在一起，通过光谱分析仪观察三只光纤光栅的光谱。

在实验中，先用1号砂纸打磨被测物体的待粘贴光栅部位，再用3号砂纸打磨，直至表面光滑无粗糙感。

再用脱脂棉沾丙酮反复擦拭表面至表面清洁。

粘贴时先用2B铅笔划出X轴、Y轴，以及450线，这样可以保证光纤光栅粘贴成直角应变花。

用透明胶带将每个光栅的两侧贴牢，以方便涂胶。

然后用一比一组分的环氧胶，均匀涂覆在光纤光栅的裸纤上，并使光纤光栅与被测表面紧密地贴在一起。

三个不同波长的光纤光栅贴成应变花，X方向即00方向贴1532nm的光纤光栅，450方向贴1548nm的光栅光纤，Y方向即900方向贴1544nm的光栅光纤。

4 实验仪器
实验装置及材料：光纤光栅解调仪（型号：FBG-IS，versfon3，32个测点）、数字静态电阻应变仪（型号：CM-1A-10）、十字架型的可在两垂直方向加砝码的标准拉杆、光纤光栅（单模载氢掺锗光敏光栅，中心波长分别为1532nm、1544nm、1548nm系列，反射率大于95%，反射带宽约为0.3nm）、高精度电阻应变片、1Kg的砝码（共20个）。

实验装置如图3所示。

5 实验过程
光纤光栅粘贴完后，用宽带光源激励光纤光栅，另一端用光谱分析仪观测三个光谱。

实验装置连接好后就可以进行光纤光栅应力测量实验。

实验先在X轴方向的砝码盘中加砝码，每次加一个砝码。

首先从加第一个砝码开始记录三个方向光纤光栅的中心波长，然后每加一个砝码，等待光纤光栅波长分析仪的读数稳定后开始纪录。

以上实验进行完后，在X轴向加应力的砝码共有十个，这时取下一个砝码再记录三个光纤光栅的中心波长，以此类推，至砝码盘空为止。

这组数据作为验证性的，与加砝码过程中的三光纤光栅中心波长随砝码的增加的趋势作比较，验证光纤光栅的重复性。

然后在Y方向加砝码，重复上述操作。

之后在X、Y方向同时累加砝码，重复上述操作。

记录实验数据。

6 电阻应变片进行应力测量对比
本实验是测光纤光栅中心波长随应力变化的关系，在实验中通过贴电阻应变片来标定被测物体表面发生的应变，这就要求电阻应变片地粘贴与光纤光栅地粘贴方位贴近，电阻应变片也是贴成应变花。

在实验室同时使用上述两种方法进行了应变测量，获得了多组实验数据。

实验中环境温度稳定，测量装置运行良好，测量数据可靠、有效。

测量过程同对光线光栅波长的测量步骤相同，也分为X方向、Y方向、XY方向加载方式，记录实验数据。

7 实验结果分析
按照以下方法处理实验数据：首先做出00、450、900三个不同方向的光纤光栅中心波长变化ΔλB与载荷质量变化Δm的关系，并进行数据拟合。

然后做出00、450、900三个不同方向的电阻应变片应变变化Δε与载荷质量变化Δm的关系，并进行数据拟合，得到拟合方程。

最后，对于光纤光栅ΔλB与电阻应变片Δε随加载质量Δm的变化规律进行了对比。

X方向加载时，00、450、900光纤光栅中心波长变化ΔλB与载荷质量变化Δm的关系、电阻应变片应变变化Δε与载荷质量变化Δm的关系分别如图4和图5所示。

比较图4及图5可以得到：X方向加载时，00、450、900三只不同方向的光纤光栅波长变化规律与相应方向的电阻应变片应变变化规律相同，这说明光纤光栅和电阻应变片在应力测量方面的一致性。

[参考文献]
[1]周建华.光纤光栅传感器应变传递特性研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.4.
[2]王为，林玉池，黄银国.表面式光纤光栅传感器应变传递研究[J].激光与红外，2008（12）.。