CN103047939A - 光纤光栅应变传感器工程适用性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于测量技术，特别是涉及一种光纤光栅应变传感器工程适用性评价方法。包括功能性试验的步骤以及耐久性试验的步骤。本方法操作方便、便捷，特点是针对工程应用实际，采用真实结构对其工程适用性进行试验验证，与目前工程应用比较成熟，广泛的电阻应变片进行对比，通过试验对其工程适用性进行评价，深入了解光纤光栅应变传感器的技术成熟度和存在的主要问题，为应变传感器的改进，逐步提高其工程应用技术成熟度，使光纤光栅应变传感器从实验室阶段走向工程实用，实现传感的工程应用能力，满足工程应用的要求，为基于传感器技术的结构健康监测提供可靠有效的数据，为光纤光栅应变传感器的工程化广泛应用及测传感技术的发展提供有力支持。

Description

光纤光栅应变传感器工程适用性评价方法

技术领域

本发明属于测量技术，特别是涉及一种光纤光栅应变传感器工程适用性评价方法。

背景技术

光纤光栅应变传感器的工作原理是利用光栅的波长受应力影响而变化，而波长变化量是与应变成线性关系这一特征设计的，可根据传感器波长的变化量得出被测物体的应变变化量，应变可为正应变也可为负应变。在测量应变方面，与传统的电阻应变传感器相比，它除了具有尺寸小、重量轻、带宽大、灵敏度高、抗电磁干扰能力强和耐腐蚀能力强等优点外，由于它是对波长绝对编码、不受光功率波动影响、集传感与传输于一体、易于埋入材料内部，具有对结构的应力、应变进行高精度的准分布式测量的优点；此外通过复用技术易构成传感器网络，实现结构应变场的监测。这些优点是光纤光栅传感器被认为是航空航天结构健康监测中最有前途的传感器之一。

目前已出现了很过的基于光纤光栅应变传感器，如中国实用新型专利公告号为CN201104221Y,名称为一种光纤光栅应变传感器，通过螺纹管及螺母装置进行调节来实现正应变和负应变的测量；如中国发明专利公告号为CN101539404A,名称为一种利用光纤光栅传感器进行大数值应变测试的方法及装置，该方法应用一个“凹”字卡具跨过待测应变区域，将获取待测应变区域内的大数值应变转化为测量凹”字卡具上两点数值较小的应变，从而曾加了应变测量的量程。但光纤光栅应变传感器技术还有很多不成熟的地方，大部分技术还停留在实验室阶段，在工程应用中其适用性到底如何，怎么评价，目前尚不存在一种光纤光栅应变传感器在工程应用之前对其工程适用性进行评价的试验方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种光纤光栅应变传感器工程适用性评价方法，为光纤光栅在工程中应用的适用性进行评价，以便为结构健康监测提供可靠有效的应变数据和对结构损伤实施准确的测量；为光纤光栅应变传感器的改进提供数据参考。

技术方案：光纤光栅应变传感器工程适用性评价方法，通过功能性试验和耐久性试验获得评价结果：

一、功能性试验，包括以下步骤：

步骤1.1：在试验条件为常温的情况下，进行试验的准备的步骤：提供拉伸/压缩试验件，在拉伸/压缩试验件上确定光纤光栅应变传感器片粘贴的位置，相对应的位置粘贴电阻应变片，在材料力学性能试验机上安装已粘贴好光纤光栅应变传感器和电阻应变片的拉伸/压缩试验件，调整拉伸/压缩试验件在材料力学性能试验机上的加持位置，使拉伸试验件受力均匀；将光纤光栅应变传感器连接到光纤光栅应变测量系统，将电阻应变片连接到电阻应变测量系统；

步骤1.2：给拉伸/压缩试验件逐级施加静力拉伸/压缩载荷，光纤光栅应变传感器和电阻应变片同时进行测量；重复该步骤两次以上；

步骤1.3：利用公式（1）计算出光纤光栅应变传感器的线性度γ_LFBG:

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LFBG}}=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\max }}{Y_{\mathrm{FS}}}\×100\%---\left(1\right)$

其中，ΔL_max为加载级载荷下光纤光栅应变传感器与电阻应变片测量的应变εFBG和εR之间最大偏差的绝对值，Y_FS为εR最大载荷下电阻应变片测量的应变值；

步骤1.4：利用公式（2）计算出光纤光栅应变传感器的重复性γ_RFBG:

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RFBG}}=\frac{\mathrm{\Δ}{R}_{\max }}{Y_{\mathrm{FS}}}\×100\%---\left(2\right)$

其中，ΔR_max为几次施加载荷作用下光纤光栅应变传感器测量的应变值εFBG最大不重复误差的绝对值，Y_FS为εR最大载荷下电阻应变片测量的应变值；

步骤1.5：由步骤1.3计算出的光纤光栅应变传感器线性度和步骤1.4计算出的重复性，根据不同的测量要求确定其在常温环境下的应变测量范围；

步骤1.6：试验条件为非常温的情况下，也即将步骤1.1中的材料力学性能试验机换成带环境箱的材料力学性能试验机，设定环境箱温度，重复步骤1.2，1.3，1.4；

步骤1.7：重复步骤1.6，并将环境箱温度设定为不同温度；

步骤1.8：由步骤1.6，步骤1.7计算出的光纤光栅应变传感器在不同温度环境下的线性度和重复性，根据不同的测量要求确定其合适应用的环境温度范围；

二、耐久性试验：包括以下步骤：

步骤2.1：准备的步骤：与步骤1.1一致；

步骤2.2：给拉伸/压缩试验件逐级施加静力拉伸/压缩载荷，光纤光栅应变传感器和电阻应变片同时进行测量；

步骤2.3：根据光纤光栅应变传感器的最大应变值确定疲劳载荷；

步骤2.4：施加疲劳载荷到拉伸/压缩试验件，经过疲劳载荷施加循环数为20000次的疲劳载荷后停止疲劳加载；

步骤2.5：重复步骤2.2至2.4，直至拉伸/压缩试验件或光纤光栅应变传感器损坏；

步骤2.6：利用公式（1）和公式（2）计算出光纤光栅应变传感器的线性度γ_LFBG和重复性γ_RFBG，结合疲劳载荷施加循环数确定光纤光栅应变传感器的耐久性。

有益效果：本方法操作方便、便捷，特点是针对工程应用实际，采用真实结构对其工程适用性进行试验验证，与目前工程应用比较成熟，广泛的电阻应变片进行对比，通过试验对其工程适用性进行评价，深入了解光纤光栅应变传感器的技术成熟度和存在的主要问题，为应变传感器的改进，逐步提高其工程应用技术成熟度，使光纤光栅应变传感器从实验室阶段走向工程实用，实现传感的工程应用能力，满足工程应用的要求，为基于传感器技术的结构健康监测提供可靠有效的数据，为光纤光栅应变传感器的工程化广泛应用及测传感技术的发展提供有力支持。

附图说明

图1为本发明一实施例中试验加载示意图。

其中，1-拉伸（压缩），2-光纤光栅应变传感器，3-电阻应变片、4-材料力学性能试验机夹头、5-材料力学性能试验机环境箱。

具体实施方式

本发明光纤光栅应变传感器工程适用性评价方法通过试验对光纤光栅应变传感器的工程试验性进行评价。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，请参阅图1。

其是本发明光纤光栅应变传感器工程适用性评价方法的试验加载系统示意图；包括拉伸/压缩试验件1、光纤光栅应变传感器工作段2、电阻应变片工作段3、材料力学性能试验机上下夹头4、材料力学性能试验机环境箱5。其中，所述拉伸/压缩试验件的尺寸和材料可以根据需要进行改变，光纤光栅应变传感器2和电阻应变片3沿试验件1的轴向对称粘贴在试验件1正反面。粘贴好光纤光栅应变传感器2和电阻应变片3沿试验件1通过材料力学性能试验机上下夹头4固定在材料力学性能试验机上，试验件1在试验机上的固定位置可以通过调节试验件1与夹头4的相对位置进行调整。光纤光栅应变传感器2和电阻应变片3分别通过光纤和连接线连接到光纤光栅应变测量系统和电阻应变测量系统。

其具体步骤如下：

一、功能性试验，包括以下步骤：

步骤1.1：在试验条件为常温的情况下，进行试验的准备的步骤：提供拉伸/压缩试验件，在拉伸/压缩试验件上确定光纤光栅应变传感器片粘贴的位置，相对应的位置粘贴电阻应变片，在材料力学性能试验机上安装已粘贴好光纤光栅应变传感器和电阻应变片的拉伸/压缩试验件，调整拉伸/压缩试验件在材料力学性能试验机上的加持位置，使拉伸试验件受力均匀；将光纤光栅应变传感器连接到光纤光栅应变测量系统，将电阻应变片连接到电阻应变测量系统；

步骤1.2：给拉伸/压缩试验件逐级施加静力拉伸/压缩载荷，光纤光栅应变传感器和电阻应变片同时进行测量；重复该步骤两次以上；

步骤1.3：利用公式（1）计算出光纤光栅应变传感器的线性度γ_LFBG:

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LFBG}}=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\max }}{Y_{\mathrm{FS}}}\×100\%---\left(1\right)$

其中，ΔL_max为加载级载荷下光纤光栅应变传感器与电阻应变片测量的应变εFBG和εR之间最大偏差的绝对值，Y_FS为εR最大载荷下电阻应变片测量的应变值；

步骤1.4：利用公式（2）计算出光纤光栅应变传感器的重复性γ_RFBG:

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RFBG}}=\frac{\mathrm{\Δ}{R}_{\max }}{Y_{\mathrm{FS}}}\×100\%---\left(2\right)$

其中，ΔR_max为几次施加载荷作用下光纤光栅应变传感器测量的应变值εFBG最大不重复误差的绝对值，Y_FS为εR最大载荷下电阻应变片测量的应变值；

步骤1.5：由步骤1.3计算出的光纤光栅应变传感器线性度和步骤1.4计算出的重复性，根据不同的测量要求确定其在常温环境下的应变测量范围；

步骤1.6：试验条件为非常温的情况下，也即将步骤1.1中的材料力学性能试验机换成带环境箱的材料力学性能试验机，设定环境箱温度，重复步骤1.2，1.3，1.4；

步骤1.7：重复步骤1.6，并将环境箱温度设定为不同温度；

步骤1.8：由步骤1.6，步骤1.7计算出的光纤光栅应变传感器在不同温度环境下的线性度和重复性，根据不同的测量要求确定其合适应用的环境温度范围。

二、耐久性试验：包括以下步骤：

步骤2.1：准备的步骤：与步骤1.1一致；

步骤2.2：给拉伸/压缩试验件逐级施加静力拉伸/压缩载荷，光纤光栅应变传感器和电阻应变片同时进行测量；

步骤2.3：根据光纤光栅应变传感器的最大应变值确定疲劳载荷；

步骤2.4：施加疲劳载荷到拉伸/压缩试验件，经过200000次的疲劳载荷后停止疲劳加载；

步骤2.5：重复步骤2.2至2.4，直至拉伸/压缩试验件或光纤光栅应变传感器损坏；

步骤2.6：利用公式（1）和公式（2）计算出光纤光栅应变传感器的线性度γ_LFBG和重复性γ_RFBG，结合疲劳载荷施加循环数确定光纤光栅应变传感器的耐久性。

其中，所述加载设备为带环境箱的力学性能试验机Instran8801；光纤光栅应变测量系统SM130-700型；电阻应变测量系统ST-16。

本发明针对工程应用实际，采用真实结构对其工程适用性进行试验验证，包括功能性试验，耐久性试验，与目前工程应用比较成熟、广泛的电阻应变片进行对比，通过试验对其工程适用性进行评价，为光纤光栅应变传感器的工程化广泛应用、光纤光栅应变传感器的改进设计提供有力数据支持，具有较大的实际应用价值。

实施例：下面以某实例对本发明做进一步详细说明；

步骤1.1：在试验条件为常温的情况下，进行试验的准备的步骤：提供拉伸/压缩试验件，在拉伸/压缩试验件上确定光纤光栅应变传感器片粘贴的位置，相对应的位置粘贴电阻应变片，在材料力学性能试验机上安装已粘贴好光纤光栅应变传感器和电阻应变片的拉伸/压缩试验件，调整拉伸/压缩试验件在Instran8801材料力学性能试验机上的加持位置，使拉伸试验件受力均匀；将光纤光栅应变传感器连接到光纤光栅应变测量系统SM130-700型；将电阻应变片连接到电阻应变测量系统系统ST-16；

步骤1.2：给拉伸/压缩试验件逐级施加静力拉伸/压缩载荷，

光纤光栅应变传感器和电阻应变片同时进行测量；重复该步骤两次以

上，表1为试验数据；

表1试验数据

步骤1.3：利用公式（1）计算出光纤光栅应变传感器的线性度γ_LFBG:

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LFBG}}=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\max }}{Y_{\mathrm{FS}}}\×100\%---\left(1\right)$

其中，ΔL_max为加载级载荷下光纤光栅应变传感器与电阻应变片测量的应变εFBG和εR之间最大偏差的绝对值，Y_FS为εR最大载荷下电阻应变片测量的应变值；

表2三次试验FBG传感器的线性度

步骤1.4：利用公式（2）计算出光纤光栅应变传感器的重复性γ_RFBG:

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RFBG}}=\frac{\mathrm{\Δ}{R}_{\max }}{Y_{\mathrm{FS}}}\×100\%---\left(2\right)$

其中，ΔR_max为几次施加载荷作用下光纤光栅应变传感器测量的应变值εFBG最大不重复误差的绝对值，Y_FS为εR最大载荷下电阻应变片测量的应变值；

表3FBG传感器重复性

传感器	FBG
		重复性	0.136%

步骤1.5：由步骤1.3计算出的光纤光栅应变传感器线性度和步骤1.4计算出的重复性，根据不同的测量要求确定其在常温环境下的应变测量范围；

由计算结果可知：光纤光栅应变传感器在800με测量范围内，光纤光栅应变传感器线性度为0.41%，重复性为0.136%；

步骤1.6：试验条件为非常温的情况下，也即将步骤1.1中的材料力学性能试验机换成带环境箱的材料力学性能试验机，设定环境箱温度，重复步骤1.2，1.3，1.4；

步骤1.7：重复步骤1.6，并将环境箱温度设定为不同温度；

步骤1.8：由步骤1.6，步骤1.7计算出的光纤光栅应变传感器在不同温度环境下的线性度和重复性，根据不同的测量要求确定其合适应用的环境温度范围。

表4不同温度环境下光纤光栅应变传感器线性度和线性度

温度（℃）	FBG线性度（%）	FBG重复性（%）
			-55	0.571	0.511
-30	0.284	1.201
			24	0.622	0.650
60	0.327	0.425
			80	0.584	0.141

由表4计算结果：根据不同要求(测量线性度，重复性要求)可确定其适用的温度范围。

二、耐久性试验：包括以下步骤：

步骤2.1：准备的步骤：与步骤1.1一致；

步骤2.2：给拉伸/压缩试验件逐级施加静力拉伸/压缩载荷，光纤光栅应变传感器和电阻应变片同时进行测量；静力分级加载时每级载荷为1KN，从0加到6KN。

步骤2.3：根据光纤光栅应变传感器的最大应变值确定疲劳载荷；

试验疲劳载荷为中，P_max＝6KN,R＝0.1,f＝15Hz；

步骤2.4：施加疲劳载荷到拉伸/压缩试验件，经过200000次的疲劳载荷后停止疲劳加载；

步骤2.5：重复步骤2.2，2.4，直至拉伸/压缩试验件或光纤光栅应变传感器损坏；

步骤2.6：利用公式（1）和公式（2）计算出光纤光栅应变传感器的线性度γ_LFBG和重复性γ_RFBG，结合疲劳载荷施加循环数确定光纤光栅应变传感器的耐久性。

表5传感器的线性度、重复性

由上表可知，光纤光栅应变传感器在10⁶次载荷循环范围内传感器线性度≤2.096%，传感器重复性≤1.616%。

Claims (1)

1.光纤光栅应变传感器工程适用性评价方法，其特征在于，通过功能性试验和耐久性试验获得评价结果：

一、功能性试验，包括以下步骤：

步骤1.1：在试验条件为常温的情况下，进行试验的准备的步骤：提供拉伸/压缩试验件，在拉伸/压缩试验件上确定光纤光栅应变传感器片粘贴的位置，相对应的位置粘贴电阻应变片，在材料力学性能试验机上安装已粘贴好光纤光栅应变传感器和电阻应变片的拉伸/压缩试验件，调整拉伸/压缩试验件在材料力学性能试验机上的加持位置，使拉伸试验件受力均匀；将光纤光栅应变传感器连接到光纤光栅应变测量系统，将电阻应变片连接到电阻应变测量系统；

步骤1.2：给拉伸/压缩试验件逐级施加静力拉伸/压缩载荷，光纤光栅应变传感器和电阻应变片同时进行测量；重复该步骤两次以上；

步骤1.3：利用公式（1）计算出光纤光栅应变传感器的线性度γ_LFBG:

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{LFBG}}=\frac{\mathrm{\Δ}{L}_{\max }}{Y_{\mathrm{FS}}}\×100\%---\left(1\right)$

其中，ΔL_max为加载级载荷下光纤光栅应变传感器与电阻应变片测量的应变εFBG和εR之间最大偏差的绝对值，Y_FS为εR最大载荷下电阻应变片测量的应变值；

步骤1.4：利用公式（2）计算出光纤光栅应变传感器的重复性γ_RFBG:

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{RFBG}}=\frac{\mathrm{\Δ}{R}_{\max }}{Y_{\mathrm{FS}}}\×100\%---\left(2\right)$

其中，ΔR_max为几次施加载荷作用下光纤光栅应变传感器测量的应变值εFBG最大不重复误差的绝对值，Y_FS为εR最大载荷下电阻应变片测量的应变值；

步骤1.5：由步骤1.3计算出的光纤光栅应变传感器线性度和步骤1.4计算出的重复性，根据不同的测量要求确定其在常温环境下的应变测量范围；

步骤1.6：试验条件为非常温的情况下，也即将步骤1.1中的材料力学性能试验机换成带环境箱的材料力学性能试验机，设定环境箱温度，重复步骤1.2，1.3，1.4；

步骤1.7：重复步骤1.6，并将环境箱温度设定为不同温度；

步骤1.8：由步骤1.6，步骤1.7计算出的光纤光栅应变传感器在不同温度环境下的线性度和重复性，根据不同的测量要求确定其合适应用的环境温度范围；

二、耐久性试验：包括以下步骤：

步骤2.1：准备的步骤：与步骤1.1一致；

步骤2.2：给拉伸/压缩试验件逐级施加静力拉伸/压缩载荷，光纤光栅应变传感器和电阻应变片同时进行测量；

步骤2.3：根据光纤光栅应变传感器的最大应变值确定疲劳载荷；

步骤2.4：施加疲劳载荷到拉伸/压缩试验件，经过疲劳载荷施加循环数为20000次的疲劳载荷后停止疲劳加载；

步骤2.5：重复步骤2.2至2.4，直至拉伸/压缩试验件或光纤光栅应变传感器损坏；

步骤2.6：利用公式（1）和公式（2）计算出光纤光栅应变传感器的线性度γ_LFBG和重复性γ_RFBG，结合疲劳载荷施加循环数确定光纤光栅应变传感器的耐久性。