夹持式封装低温敏FBG应变传感器的设计*

王永洪,张明义*,张春巍,刘 倩,王 伟

(1.青岛理工大学土木工程学院,山东 青岛 266033;2.蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心,青岛理工大学,山东 青岛 266033;3.深圳市简测科技有限公司,广东 深圳 518061)

随着光纤光栅传感技术在应变测量中得到普遍应用[1-4],发现光纤光栅对温度和应变交叉敏感的特性,无法区分温度和应变分别引起的波长变化量,需要对光纤光栅应变传感器进行温度补偿[5-9]。目前进行光纤光栅应变传感器温度补偿的方法主要是自补偿,但需要两个性能参数相同的光栅,成本高且存活率不高[7]。本文设计了夹持式封装的低温敏FBG应变传感器,通过内、外管产生的膨胀差值引起的光栅波长变化量,与热膨胀和热光效应引起的光栅波长变化量抵消,大大降低了对温度的灵敏性。

1 夹持式光纤光栅工作原理

两端夹持式光纤光栅应变传感器,其原理如图1所示。传感器由光纤光栅、夹持套管和夹持支座组成。采用粘结剂将光纤光栅两端固定,避免了粘结剂对光纤光栅应变传递的影响[10-12]。

图1 夹持式光纤光栅工作原理结构图

由图1可见,两端夹持支座固定点距离为L,两端夹持套管内端点的距离为Lf,夹持支座固定点到夹持套管内端点距离为Ls,假设测试构件在两夹持支座之间发生轴向变形ΔL,相应夹持套管和光纤光栅变形分别为ΔLs和ΔLf,光纤和夹持套管内粘结剂不发生变形,由材料力学基本原理可得:

(1)

(2)

式中:Es和Ef分别为夹持套管和光纤光栅的弹性模量;As和Af分别为夹持套管和光纤光栅的横截面积;P为传感器产生的内力。

根据传感器产生的内力均匀分布,由式(1)、式(2)可得:

(3)

将相应参数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,传感器中夹持套管变形可以忽略不计,支持支座之间的变形全部由光纤光栅产生。因此传感器应变与光纤光栅应变关系为[7]:

(5)

令K=Lf/L,K为传感器的增减敏系数,通过改变Lf与L的比值,可以调整传感器的应变测量灵敏度。K≻1,传感器减敏,K1,传感器增敏。传感器中光纤纤芯为纯石英的中心波长处于1 550 nm波段时,Kε≈1.2 pm/με,因此传感器变形与测试构件变形关系为:

(6)

图2 夹持式光纤光栅封装原理结构图

2 夹持式光纤光栅封装原理

夹持式封装光纤光栅应变传感器,原理如图2所示。传感器封装由金属外管、金属内管、隔温套管、光纤光栅、夹持支座和夹持钢管组成。光纤光栅封装在隔温套管内部,隔温套管两端用粘结剂与夹持钢管粘结,金属外管套在金属内管上。

光纤光栅中心波长变化量与应变和温度的关系为[13-14]:

ΔλB/λB=(1-pe)Δε+(αf+ξ)ΔT

(7)

式中:ΔλB为光纤光栅中心波长变化量,λB为光纤光栅中心波长,Δε为应变变化值,ΔT为温度变化值,pe为光栅有效弹光系数,αf和ξ分别为光栅热膨胀系数和光栅热光系数。

本设计利用内、外管产生的膨胀差值引起的光栅波长变化量,与热膨胀和热光效应引起的光栅波长变化量抵消,解决温度变化引起的光纤光栅中心波长变化,式(6)可变为:

(8)

式中:应变敏感系数Sε=1-pe=0.784/με,温度敏感系数ST=αf+ξ=7.35×10-6/℃,α1和α2分别为外管和内管的热膨胀系数,α1=10×10-6/℃,α2=11×10-6/℃,L1和L2分别为外管和内管的长度,L1=100 mm,L2=50 mm,Lf为光纤光栅的长度,Lf=10.6 mm。由以上可得式(7)中

(9)

因此光纤光栅的中心波长只受到应变变化的影响,得

ΔλB/λB=(1-Pe)Δε=SεΔε

(10)

图3 低温敏FBG传感器实物图

3 低温敏FBG应变传感器的设计

根据夹持式封装光纤光栅工作原理,设计低温敏FBG应变传感器如图3所示。金属外管直径为3.5 mm,长度为50 mm,夹持钢管直径为4 mm,长度为20 mm,夹持支座底座长度为17 mm,宽度为15 mm,夹持支座上部固定构件宽度为8 mm,尾纤铠装光缆直径为3 mm。将隔温套管内光纤光栅一端放入涂满粘结剂的夹持钢管内,尾纤用铠装光缆保护,光纤光栅的一端固定,金属外管套在金属内管上,光纤光栅另一端放入涂满胶的夹持钢管内,尾纤也用铠装光缆保护并与夹持钢管粘结。

4 标定试验与结果分析

4.1 温度标定

在恒温油槽内对低温敏FBG应变传感器进行温度标定,3次温度试验光纤光栅中心波长与温度的关系曲线如图4所示。根据应变传感器的温度灵敏度系数ST=Δλ/ΔT,其中Δλ为中心波长偏移量,ΔT为温度增量,温度在20 ℃～120 ℃内变化,光纤光栅波长平均变化0.078 nm,该低温敏FBG应变传感器的温度灵敏度系数为0.78 pm/ ℃。中心波长 1 550 nm 的裸光纤光栅温度灵敏度系数为10.8 pm/ ℃,低温敏FBG应变传感器的温度灵敏度为裸光纤光栅的7.2%,大大降低了对温度的灵敏性。

图4 3次温度试验中心波长与温度的关系曲线

4.2 应变标定

在万能试验机上对低温敏FBG应变传感器进行标定,5次应变试验光纤光栅中心波长与应变的关系曲线如图5所示,该传感器具有良好的线性关系,线性拟合度达到99.9%以上。根据应变传感器的应变灵敏度系数Sε=Δλ/Δε,其中Δλ为中心波长偏移量,Δε为应变增量,应变增量300 με光纤光栅波长平均变化0.041 nm,该低温敏FBG应变传感器的应变灵敏度系数为1.377 pm/ ℃。

图5 5次试验中心波长与应变的关系曲线

5 结论

设计了一种低温敏FBG应变传感器,利用内、外钢管及隔温套管进行封装,传感器两端夹持支座与测试构件固定连接进行应变测试,内、外管产生的膨胀差值引起的光栅波长变化量,与热膨胀和热光效应引起的光栅波长变化量抵消,实现了低温敏效果。对该传感器进行了温度和应变标定试验,试验结果表明,该传感器的温度灵敏度系数为0.78 pm/ ℃,是裸光纤光栅温度灵敏度的7.2%,大大降低了对温度的灵敏性,应变灵敏度系数为1.377 pm/ ℃。

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