具有自标定功能的光纤光栅位移传感器

倪 岳,辛璟焘,2,宋言明,2,吕 峥,祝连庆,2

(1.北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院,北京 100192;2.广州南沙紫溪智能感知研究院,广东 广州 511462)

1 引 言

光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器具有抗干扰能力强、可靠性好、抗电磁干扰、抗腐蚀、绝缘性能好等优点[1-3],同时,可在恶劣的环境下使用,被广泛应用于测温度、应变、位移等领域[4-7]。目前,FBG温度、位移传感器已经广泛应用于航空航天、工程结构等动态监测中[8-9],其中FBG位移传感器也被用于边坡、桥梁、道路等监测场景[10-13]。现阶段,研制的FBG位移传感器存在尺寸较大、测量重复性差等问题,使其应用受到了限制。

目前,FBG位移传感器在较小量程范围内,文献[14]提出了利用弹簧与滑块相结合的方式,将FBG粘贴于石英玻璃管内,当滑块移动时,弹簧产生的弹力作用在石英玻璃管上,通过检测FBG中心波长的变化量,得到外界位移量,该传感器的量程为10 mm,精度可达到0.143 mm;文献[15]提出了利用弹性环作为FBG预拉伸后的弹性转换结构,通过优化此结构,该传感器的量程为20 mm,精度可达到0.018 mm。FBG位移传感器在较大量程范围内,文献[16]通过弹簧将结构产生的位移转化成应力,作用到FBG上,引起FBG中心波长的变化,该传感器的量程为100 mm,重复性误差为1.326 mm;文献[17]通过将测量线的位移转化为传感臂的弹性挠度,设计了一种机械传递结构,此设计下的FBG位移传感器量程为150 mm,重复性误差为2.625 mm。

目前,FBG位移传感器在量程较小时,精度会相对较高;量程较大时,精度会相对较低,且在工作中存在机械误差、测量重复性差的问题[18-19]。因此,研究出一种在较大量程范围内,精度相对较高且测量重复性好的FBG位移传感器,具有重要的应用价值。

本文提出了一种具有自标定功能的FBG位移传感器,使其在大量程范围内工作时,可进行在线自标定。首先,对自校准装置进行结构设计和有限元仿真分析,得到了位置标定端磁铁受力与移动端磁铁位置的关系。其次,制备光纤光栅,将其用于自校准装置,对自校准装置进行性能测试,得到位置校准分辨率为0.057 mm。最后搭建测试系统对位移传感器的传感特性进行实验研究,实验结果表明,在0～360 mm的测量范围内,所设计的传感器线性度为0.99991,校准前平均均方根误差为5.838 mm,校准后平均均方根误差为0.953 mm。本文提出的位移自校准方法,提高了传感器的测量重复性,是提升FBG位移传感器性能的一种新技术。

2 自校准方法

2.1 基本原理

如图1所示,为本文所设计的自校准装置原理图,由FBG、应变传递梁、移动端、永磁体、解调仪和计算机组成。将FBG封装在应变传递梁的上表面,梁的一端粘贴直径为2 mm、高为4 mm的磁铁,此整体作为位置标定端。当移动端磁铁径向移动时,梁上的磁铁与移动端磁铁相互吸引,梁会因磁力作用向下弯曲,进而使FBG发生应变,产生中心波长的漂移。

图1 自校准装置基本原理图

使用有限元分析软件COMSOL对位置标定端磁铁的轴向受力情况进行分析,设置两个磁铁直径为2 mm、高为4 mm,上面的作为位置标定端磁铁,下面的作为移动端磁铁,两者纵向排布间距为0.2mm,磁铁周围设置为空气,磁化强度纵向设置为750 kA/m,对移动端磁铁进行参数化扫描,长度设置从0～4 mm、步进为0.1 mm。仿真结果如图2(a)所示,归一化结果如图2(b)所示。

(a)位置标定端磁铁轴向受力与移动端磁铁位置关系的仿真图

由图2(a)可得,磁力线越密集,颜色越深,磁力越大。由图2(b)可得,当移动端磁铁从图1中①移动到③的位置时,梁上磁铁所受磁力会从小变大再变小,当移动端磁铁与梁上磁铁位置重合时,梁上磁铁受力最大,此时FBG波长漂移处于最大状态,如图1中②位置所示,将此处作为已知点,进行标定。

2.2 应变传递梁的结构设计

FBG封装方法主要包括表贴式和两点式:采用两点式封装方法时,由于光纤的约束,梁上的磁铁向下移动的距离极小,为微米级;采用表贴式封装方法时,由于光纤的约束,梁上的磁铁向下移动的距离较大,为毫米级。当位移变化值较大,即传感头移动速度较快时,若采用表贴式封装方法,自校准装置响应滞后,影响自标定效果;若采用两点式封装方法时,自校准装置响应较好。因此在后续研究中选用两点式封装方法,并设计了一种工字型悬臂梁结构。

图3为工字型悬臂梁结构图和实物图,工字型悬臂梁由固定端、标定端和连接端组成。固定端长30 mm、宽3 mm、高6.2 mm,起固定梁的作用,材质为铜;标定端长6 mm、宽3 mm、高6.2 mm,材质为铜,其上的孔内放入直径2 mm的磁铁;连接端长20 mm、宽2 mm、高0.2 mm,材质为镍钛合金。其中,固定端与标定端之间的水平距离为6.2 mm。

图3 工字型悬臂梁结构图与实物图

2.3 应变传递梁的特性研究

当移动端磁铁距离工字型悬臂梁上磁铁的水平距离达到4 mm时,校准FBG的中心波长变化处于稳定状态。此时,将移动端磁铁向梁上磁铁的方向水平移动,直到校准FBG的中心波长变化值再次趋于稳定状态。移动端步进为0.01 mm,对每个点的中心波长值进行实时采集,将采集到的数据取平均,作为该点的中心波长值。图4为移动端磁铁位置与工字型悬臂梁上的FBG中心波长变化的关系图,使用Origin软件对局部放大图进行非线性高斯拟合,可得波长平均值最大为1544.538 nm,位置校准分辨率为0.057 mm。

图4 工字型悬臂梁特性研究曲线图

3 具有自标定功能的FBG位移传感器结构设计

基于卷尺结构的FBG位移传感器由上压片、等强度悬臂梁、主轴、微分头、发条内圈、转盘等结构组成,如图5所示,传感器整体长为80 mm,宽为54 mm,高为30 mm。当外界产生位移时,主轴会带动微分头产生向上或向下的位移量,进而导致等强度悬臂梁弯曲变形,通过监测其上的FBG中心波长值可得外界的位移量。

图5 具有自标定功能的FBG位移传感器结构图

根据FBG位移传感器的结构设计,如图6所示,将工字型悬臂梁装配到位移传感器上,传感器内部的转盘与工字型悬臂梁之间的垂直距离为0.2 mm,使传感器具有自标定功能。转盘半径为21 mm,在其侧面均匀放置8个长4 mm、直径2 mm的磁铁,每相邻两磁铁间距离均为16.485 mm,转盘为工字型悬臂梁的移动端。由自校准装置的基本原理可得下式:

(1)

(a)

式中,x为校准后位移值,单位为 mm;n为总校准点数;n1=当前校准点个数-1;r为转盘半径,单位为 mm。

传感绳开始和结束移动时,自校准装置均位于校准点处,通过记录中心波长变化的最大值点,判断工字型梁上的磁铁经过转盘上的磁铁数量,每经过一个磁铁,便按公式(1)进行计算,并将结果赋给位移传感器,作为位移传感器的实时测量值,然后按照标定的系数进行测量值的输出,直到经过下一个校准点,重复上面的步骤直到结束。

4 传感特性实验研究

4.1 具有自标定功能的FBG位移传感器测试系统

测试系统由具有自标定功能的FBG位移传感器、解调仪、精密步进电机、驱动器、上位机组成。如图7所示,将位移传感器固定在精密步进电机的一端,传感绳固定在精密步进电机的平移台上,保持水平,确保传感绳被拉动时,受力均匀。

图7 FBG位移传感器自校准系统结构图及实物图

对FBG卷尺结构位移传感器进行标定实验,找到波长和位移之间的比例关系。通过程序控制驱动器,驱动器带动步进电机上的平移台左右移动,进而带动传感绳进行线性运动,FBG的波长变化通过解调仪传输给计算机,在计算机上实时显示。

传感器的量程范围为0～360 mm,将采集到的中心波长值的平均值作为该点波长值,得到等强度悬臂梁上的FBG中心波长与外界位移量之间的关系,如图8所示。

图8 FBG卷尺结构位移传感器标定曲线图

由图8所示,中心波长随位移变化的关系式为:

λ=-0.00556x+1557.41597

(2)

线性度R2=0.9999,该位移传感器具有良好的线性度。

根据灵敏度计算公式:

(3)

可计算出传感器的灵敏度为5.56 pm/mm。

4.2 实验结果与讨论

对具有自标定功能的FBG位移传感器进行重复性测试,测试结果如图9所示,通过计算可得,FBG位移传感器在校准前三次往返的均方根误差分别为6.279 mm,5.528 mm,5.706 mm;对应校准后三次往返的均方根误差分别为0.956 mm,0.989 mm,0.913 mm。如图10所示,校准前相对误差在5 %以内,校准后相对误差在2 %以内,传感器的测量重复性得到了提升。

图9 校准前后测量值与基准值对比关系图

图10 校准前后相对误差对比图

5 结 论

针对FBG位移传感器在使用过程中易受外界因素影响使其测量重复性差的问题,本文利用磁铁非接触的力传递特性,研究了一种FBG位移自校准装置。校准FBG的封装方式选用两点式封装法,设计了工字型悬臂梁结构。通过对装配好的FBG位移传感器进行传感特性研究,实验结果表明,在0～360 mm的测量范围内,该传感器具有良好的线性度,校准前后往返的均方根误差从最大为6.279 mm降到0.956 mm,FBG位移传感器的测量重复性得到了显著提高。