CN101221043A - 利用光纤光栅传感器在低温下测量应变的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种利用光纤光栅传感器在低温下测量应变的方法，该方法包括步骤：a)选取长度为l的FBG基本元件；b)在被测的表面均匀涂敷低温粘合剂，该粘合剂覆盖的长度L大于FBG基本元件的长度l；c)将FBG基本元件粘结到被测表面，使FBG位于粘结区的中心区，此时，粘和长度L大于FBG基本元件的长度l，并包覆FBG基本元件；d)根据FBG中心波长的变化测量出被测元件应变的大小。由于上述方法，克服了多峰现象，也克服了长期以来认为多峰现象是由于光学机制而非力学机制造成的偏见，使FBG传感器在液氮等低温条件下对应变进行精确的测量。

Description

利用光纤光栅传感器在低温下测量应变的方法

技术领域

本申请涉及一种在低温下测量应变的方法，特别涉及一种利用光纤光栅(FBG)传感器在低温条件下(液氮温度，77K)测量应变的方法。

背景技术

许多低温科学与工程领域要求高精度的低温应变测量，如超导磁体不仅要求应变传感器能够抵抗强磁场的电磁干绕，而且在液氮温度甚至在液氦温度(4K)下能够正常工作。

利用FBG作为传感器是20世纪90年代发展起来的一种新技术，光纤光栅FBG传感器不受电磁环境影响，绝缘性能好，体积及重量最小、灵敏度高。在大坝、桥梁、钢结构以及海洋平台等工程结构健康监测等各个领域有广泛的应用。同时FBG具有发展成为适于低温、强磁场这种极端环境的新型应变传感器的巨大潜力。

FBG传感器的传感过程是通过外界参量如应力等对传感器作用，使FBG发生变形而产生应变，进而对布拉格(Bragg)中心波长进行调制，属于波长调制型光纤传感器，根据中心波长的变化可测量应变变化的大小。

目前对FBG传感特性的研究大部分是在常温下，特别是应变传感特性的研究。现有的FBG传感器能也仅限于常温附近，如图1所示，为FBG胶粘在被测悬臂梁上测量应变的结构示意图。目前中国国内对这种FBG应变传感器研究的最低温度为-60℃(213K)，不能满足更低温环境应变测量的需要。然而，采用这种通常的方法在液氮温度下我们发现：FBG反射谱出现多个波峰，称此现象为多峰现象。一旦有多峰现象产生，FBG的应变传感原理就不再成立，测量数据失效。多峰现象不解决，就无法使用FBG在低温下测量应变。美国宇航局(NASA)曾将该现象归因于FBG在极低温度下材料结构的变化导致的光学性质改变。

发明内容

本申请提出了多峰产生的力学机制，从根本上解决多峰问题。杜绝多峰的产生就需要从多峰的产生机制上着手分析。我们从力学上进行了探索，发现低温下非均匀残余应变引起的光栅啁啾化是导致光栅波峰出现展宽、劈裂的原因。光栅的啁啾化是指原本具有均匀光栅常数Λ的光栅在外界因素的作用下变得不均匀，我们可以将一根被啁啾化的光栅看作多根连接在一起的均匀段，各段具有不同的光栅常数Λ，反射不同波长的光波，解调仪器将检测出多个波峰。

常温下粘贴到被测结构表面的光栅能在常温下良好的工作，而在低温下却发生严重的啁啾化，产生多峰现象。这主要是因为被测物如悬臂梁金属结构构件的线胀系数(如铝的线胀系数为24×10^-6/℃)与粘结胶(24×10^-6/℃)和光纤(如SiO₂的线胀系数为7×10^-6/℃)有较大的差别，在温度变化很大的情况下，如从常温(10℃左右)到液氮温度(-196℃)的大约200℃的变化下，悬臂梁急剧收缩，光纤在温度变化所产生的收缩量远远小于被测悬臂梁结构的变形量，于是在悬臂梁的作用下通过粘合剂使光纤继续收缩。因此，光纤的变形除了有冷收缩均匀应变以外，还要叠加上由于悬臂梁、粘合剂和光纤线胀系数失配造成的残余变形，并且，在一般情况下这种残余应力引起的变形是不均匀的，如果FBG的栅区落在非均匀变形区，则将改变光栅常数Λ的均匀性，即光栅啁啾化，导致FBG不能正常工作。

我们的理论和实验研究表明：残余变形的非均匀性是一种端部效应，即粘贴区的端部残余变形是非均匀的，而在距离端部一定距离(约为5-10mm)的中心区，残余变形是均匀的，如果FBG的栅区落在该中心区，可避免光栅啁啾化。应此，通过增加粘结FBG应变传感器在被测构件上的粘合区的长度，可以增加中间的均匀应变区域，使FBG变形均匀，从而消除低温下出现的多峰现象，达到良好的测量效果。在以上揭示多峰机理的基础上，本申请进一步提出了一种能够消除多峰、利用光纤光栅传感器实现低温下测量应变的方法。该方法包括步骤：a)选取长度为1的FBG传感器基本元件；b)在被测元件的表面均匀涂敷低温粘合剂，该粘合剂覆盖的长度L大于FBG传感器基本元件的长度1；c)将FBG传感器基本元件粘结到被测表面，使FBG位于粘结区的中心区，粘贴长度L大于FBG基本元件的长度1，并包覆FBG基本元件；d)根据FBG中心波长的变化测量出被测元件应变的大小。

特别是本发明中的FBG传感器基本元件长度1可选为10-15mm，若FBG为裸光栅，室温工作时粘合剂的粘贴长度L只需比1稍长一点为14-16mm，液氮温度工作时L则需加长至20-30mm，以克服端部效应，使该传感器可在液氮温度77K及以上都能正常工作。本发明所用的低温粘合剂可以是DW-3G型低温胶。

进一步，本发明若采用带涂敷层(如丙烯酸脂)的FBG，涂敷层可减小残余应力的影响，粘合剂的粘贴长度L可相应减小一点为20-25mm，也可消除多峰现象，提高测量精度。

基于以上对多峰现象机理的认识和采用特定的FBG应变传感器安装方法，我们的实验成功消除了多峰现象，使FBG传感器在液氮等低温条件下的应变测量成为可能，并且发现FBG在液氮温度下的应变传感特性与常温一样。这也证实我们对多峰现象来源于非均匀热残余应力的力学机制分析是正确的，从而克服了以前认为多峰现象是由于光学机制而造成的偏见。

附图说明

图1为一般FBG应变传感器安装在被测悬臂梁上的结构示意图；

图2为本发明中FBG应变传感器安装在被测悬臂梁上的结构示意图；

图3为应用本发明的方法在低温下测量应变的装置示意图；

图4为利用裸光栅FBG测量常温下和利用本发明的方法测量液氮下应变的应变响应；

图5为利用涂覆光栅FBG测量常温和利用本发明的方法测量液氮下应变的应变响应。

具体实施方式

下面结合附图2-5描述本发明的一个实施例。图2为本发明FBG应变传感器安装在被测悬臂梁上的结构示意图。1为被测的铝质悬臂梁，2为可用的FBG光栅光纤，3为选取的一定长度1的FBG基本元件部分，4为DW3粘合剂。在安装该低温FBG应变传感器时，首先选取长度为1的FBG基本元件3；然后在被测的表面均匀涂敷低温粘合剂DW3，该粘合剂覆盖的长度大于FBG基本元件3的长度1，即粘贴长度L大于FBG基本元件3的长度1，且粘合剂足够多，能包覆FBG基本元件；最后将FBG基本元件粘结到被测表面，然后用已知的方式，通过测量FBG中心波长的变化，测量出被测元件应变的大小。

在本实施例中，FBG基本元件是长为15mm的裸光栅和涂覆光栅，粘合剂的粘贴长度L为30mm。

图3为应用本发明的方法在低温下测量应变的装置示意图，其中加载装置为一个悬臂梁装置，浸没在杜瓦罐内的液氮之中，在悬臂梁的端部加一砝码，使悬臂梁变形，进而对其应变进行测量。悬臂梁为长145mm、宽35mm、厚2mm的铝梁。使用的Bragg光纤光栅由深圳太辰光通信有限公司提供，标称波长为1535-1555nm，由于悬臂梁的应变使Bragg光线光栅传感器的波长发生改变，该波长的变化通过FBG-SLI光谱仪测量。因而通过测量Bragg光线光栅传感器光谱的变化，就可测量出悬臂梁的应变。在常温下粘贴于悬臂梁表面上，胶水为上海合成树脂研究所提供的DW-3G型低温胶。加载点位于悬臂梁自由端附近，与光栅相距70mm，载荷范围从0到2公斤力。

图4为利用裸光栅FBG测量常温下和利用本发明的方法测量液氮下应变的应变响应；图5为利用涂覆光栅FBG测量常温下和利用本发明的方法测量液氮下应变的应变响应。且图中给出了在温度77K和在温度297K下的应变响应。图中的实线为实际应变。从图中可用看到：采用本发明安装方法的FGB应变传感器的应变传感特性与常温一样，测量的应变与实际应变非常吻合，说明利用本发明光纤光栅传感器在低温下测量应变的方法能准确地测量低温下的结构应变，是一种解决FBG低温应变测量的经济、有效的方案。

Claims (6)

1.一种利用FBG传感器在低温下测量应变的方法，其特征在于：包括步骤：a)选取长度为1的FBG基本元件；b)在被测的表面均匀涂敷低温粘合剂，该粘合剂覆盖的长度L大于FBG基本元件的长度1；c)将FBG基本元件粘结到被测表面，使FBG位于粘结区的中心区，此时，粘和长度L大于FBG基本元件的长度1，并包覆FBG基本元件；d)根据FBG中心波长的变化测量出被测元件应变的大小。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，FBG基本元件长度1为10-15mm，粘合剂的粘贴长度L为20mm-30mm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温是液氮温度77K。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述低温粘合剂是有大热膨胀系数的DW-3G型低温胶。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述FBG基本元件为裸光栅或被涂覆层包覆。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述涂覆层是丙烯酸脂材料。

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