CN103105138A - 一种光纤光栅应变灵敏度的校准装置和方法 - Google Patents

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薛景锋
郑明慧
赵印明
郭伟
王文娟
张慧君
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Abstract

本发明涉及一种光纤光栅传感器应变灵敏度的校准装置和方法，该装置包括传感器夹持装置、气浮导轨、激光干涉测量系统、光纤光栅解调装置等。所述的光纤光栅传感器通过两个传感器夹持装置固定，通过微位移驱动装置驱动安装在气浮导轨动圈上的传感器夹持装置，使传感器产生拉或压应变，通过激光干涉测量系统测量传感器长度变化量，由光纤光栅解调装置读出的光纤光栅传感器波长变化量与该应变比较，可实现光纤光栅传感器的应变灵敏度校准。本发明采用气浮导轨对光纤光栅的拉压过程进行了导向，采用激光干涉测量系统对光纤光栅传感器的长度变化量进行测量，精确地对光纤光栅传感器进行无损校准。

Description

一种光纤光栅应变灵敏度的校准装置和方法
技术领域
本发明涉及一种光纤光栅应变灵敏度的校准装置和方法，属于计量测试与校准技术领域。
背景技术
光纤布拉格光栅(Fiber Brag Grating)简称光纤光栅，是一种光纤传感器，具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、波分复用等优点，已经越来越广泛的应用于大型结构健康监测和智能复合材料等领域。在结构健康监测领域，光纤光栅传感器主要用于应变参数的监测。目前，通常采用金属封装后的光纤光栅传感器粘贴或焊接在结构的表面，或直接采用光纤光栅埋植于复合材料对结构的应变状态进行监测。但目前此两种方式的应变测量灵敏度只能按供货商提供的系数或理论值，属通用系数，精确度低。目前没有一种即可靠又精确的标定方法对光纤光栅的应变灵敏度进行标定和校准，以保证光纤光栅传感器测试数据的准确性。
发明内容
本发明的目的是为了解决光纤光栅传感器应变灵敏度的校准的问题，提供一种光纤光栅传感器应变灵敏度的校准装置和方法。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明的一种光纤光栅传感器应变灵敏度的校准装置和方法，该装置包括第一传感器夹持装置、第二传感器夹持装置、气浮导轨动圈、气浮导轨、激光干涉仪、干涉仪支架、隔振平台、微位移驱动器、力传感器、夹持装置支架、光纤光栅解调装置；
连接关系：光纤光栅解调装置、夹持装置支架、微位移驱动器、气浮导轨和干涉仪支架分别依次放置于隔振平台上，并保证夹持装置支架、微位移驱动器、气浮导轨和干涉仪支架的中心在一个竖直平面内；第一传感器夹持装置固定在夹持装置支架上；第二传感器夹持装置固定在气浮导轨动圈上；气浮导轨的导轨部分穿过气浮导轨动圈，通气时，气浮导轨动圈相对于气浮导轨悬浮，此时需保证第一传感器夹持装置和第二传感器夹持装置位于同一条水平线上；气浮导轨动圈通过力传感器与微位移驱动器相连；激光干涉仪固定在干涉仪支架上；待测的光纤光栅传感器通过第一传感器夹持装置和第二传感器夹持装置连接并固定；待测的光纤光栅传感器未被夹持的一端通过光纤跳线连接到光纤光栅解调装置上；通过微位移驱动装置，驱动力传感器和气浮导轨动圈，从而带动第二传感器夹持装置与第一传感器夹持装置发生相对运动，使光纤光栅传感器发生相应的拉伸或压缩变形；通过激光干涉仪测量第二传感器夹持装置和第一传感器夹持装置间的长度变化量，即光纤光栅传感器的变形，通过长度变化量与长度的比值对光纤光栅传感器的应变灵敏度进行测试，并通过与出厂值的比较对光纤光栅传感器的应变灵敏度进行校准。
所述的传感器夹持装置和传感器夹持装置根据传感器外形定制，以保证传感器能较好的被固定；
所述激光干涉仪发出的光束应与第一传感器夹持装置和第二传感器夹持装置构成的直线平行，必要时可加入折射镜、反射镜对光束进行处理。
本发明同时提供一种采用上述装置实现的光纤光栅应变灵敏度的校准方法，具体步骤如下：
步骤一、对气浮导轨通气，使气浮导轨动圈无摩擦悬浮于气浮导轨上；
步骤二、通过微位移驱动器、驱动力传感器和气浮导轨动圈调整第二传感器夹持装置与第一传感器夹持装置的距离为固定值L；将光纤光栅传感器的一端安装于第一传感器夹持装置和第二传感器夹持装置之间，另一端通过光纤跳线连接到光纤光栅解调装置上；根据校准范围的不同，施加相应的预紧力；
步骤三、通过微位移驱动装置，驱动力传感器和气浮导轨动圈，从而带动第二传感器夹持装置与第一传感器夹持装置发生相对运动，使光纤光栅传感器发生相应的拉伸或压缩变形；
步骤四、通过激光干涉仪测量第二传感器夹持装置和第一传感器夹持装置的相对位移，即光纤光栅传感器的变形量ΔL，通过公式
Figure BSA00000837133000021
测量出待测传感器的应变变化量Δε；
步骤五、同时通过光纤光栅解调装置读取光纤光栅传感器的波长变化量Δλ，则被校的光纤光栅传感器应变灵敏度为P＝Δλ/Δε。
步骤六、将测得的光纤光栅传感器的灵敏度P与标称灵敏度相比较，达到对光纤光栅传感器应变灵敏度校准的目的。
有益效果
1、本发明的一种光纤光栅传感器应变灵敏度的校准装置和方法，从应变的定义出发，通过激光干涉测量方法测量光纤光栅传感器长度变化量与初始长度的比值，解决了光纤光栅传感器应变灵敏度的校准的问题；本发明采用气浮导轨对光纤光栅传感器进行直接拉伸压缩，克服了摩擦阻力，采用激光干涉测量系统对光纤光栅传感器的应变进行测量，不依托于任何试件，直接溯源到其本身产生的应变，避免了胶贴安装对光纤光栅传感器校准结果的影响，能够精确地对光纤光栅传感器进行校准；
2、本发明的一种光纤光栅传感器应变灵敏度的校准装置和方法，采用激光干涉仪测量长度变化量ΔL，将其值直接溯源到激光波长，提高了测量精度；
3、本发明的一种光纤光栅传感器应变灵敏度的校准装置和方法，采用直接拉伸的方式对光纤光栅传感器的应变灵敏度进行校准，属无损校准，校准后的传感器可继续使用，避免了粘贴式校准无法重复使用，只能抽样校准的缺点。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅应变灵敏度的校准装置图；
图中，1-第一传感器夹持装置、2-光纤光栅传感器、3-第二传感器夹持装置、4-气浮导轨动圈、5-气浮导轨、6-激光干涉测量系统、7-干涉仪支架、8-隔振平台、9-微位移驱动器、10-力传感器、11-夹持装置支架、12-光纤光栅解调装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本发明的光纤光栅应变灵敏度校准装置，包括第一传感器夹持装置1、第二传感器夹持装置3、光纤光栅传感器2、气浮导轨动圈4、气浮导轨5、激光干涉测量系统6、干涉仪支架7、隔振平台8、微位移驱动器9、力传感器10、夹持装置支架11、光纤光栅解调装置12，如图1所示。
所述的光纤光栅传感器选用型号为FS3100的金属基底光纤光栅应变传感器；所述的光纤光栅解调装置的型号为FI220。
连接关系：光纤光栅解调装置12、夹持装置支架11、微位移驱动器9、气浮导轨5和干涉仪支架7分别依次放置于隔振平台8上，并保证夹持装置支架11、微位移驱动器9、气浮导轨5和干涉仪支架7的中心在同一竖直平面内；第一传感器夹持装置1固定在夹持装置支架11上；第二传感器夹持装置3固定在气浮导轨动圈4上；气浮导轨5的导轨部分穿过气浮导轨动圈4，通气时，气浮导轨动圈4相对于气浮导轨5悬浮，此时需保证第一传感器夹持装置1和第二传感器夹持装置3位于同一条水平线上；气浮导轨动圈4通过力传感器10与微位移驱动器9相连；激光干涉仪6固定在干涉仪支架7上；待测的光纤光栅传感器2通过第一传感器夹持装置1和第二传感器夹持装置3连接并固定；待测的光纤光栅传感器2未被夹持的一端通过光纤跳线连接到光纤光栅解调装置12上；通过微位移驱动装置9，驱动力传感器10和气浮导轨动圈4，从而带动第二传感器夹持装置3与第一传感器夹持装置1发生相对运动，使光纤光栅传感器2发生相应的拉伸或压缩变形；通过激光干涉仪6测量第二传感器夹持装置3和第一传感器夹持装置1间的长度变化量，即光纤光栅传感器2的变形，通过长度变化量与长度的比值对光纤光栅传感器2的应变灵敏度进行测试，并通过与出厂值的比较对光纤光栅传感器2的应变灵敏度进行校准。
所述激光干涉仪6发出的光束应与第一传感器夹持装置1和第二传感器夹持装置3构成的直线平行。
微位移驱动装置9、气浮导轨5、激光干涉测量系统6均安装于隔振平台之上，采用的隔振平台为大理石平台。该例中气浮导轨5的移动有效范围300mm，导轨直线度优于0.2um/100mm，负载大于10kg。
微位移驱动装置9通过驱动力传感器10和气浮导轨的动圈4对光纤光栅传感器进行拉伸压缩。
光纤光栅传感器2安装于传感器夹持装置1、3上，并通过接头连接于光纤光栅解调装置12。
本发明采用光纤光栅应变传感器应变灵敏度校准装置对光纤光栅的应变灵敏度进行校准。
本实施例中的光纤光栅应变灵敏度的校准方法，包括下列步骤：
步骤一、对气浮导轨通气，使气浮导轨动圈4无摩擦悬浮于气浮导轨5上；
步骤二、通过微位移驱动器9调整第二传感器夹持装置3与第一传感器夹持装置1的距离为固定值L＝24mm，将光纤光栅传感器2安装于第一传感器夹持装置1和第二传感器夹持装置3之间，施加3N的预紧力；
步骤三、通过微位移驱动装置9，驱动力传感器10和气浮导轨动圈4，从而带动第二传感器夹持装置3与第一传感器夹持装置1发生相对运动，使光纤光栅传感器2发生相应的拉伸变形；
步骤四、通过激光干涉测量系统6测量光纤夹持装置3与光纤夹持装置1的相对位移，即光纤光栅传感器2的变形量ΔL＝0.03019mm，通过公式
Figure BSA00000837133000051
测量出待测传感器的应变量Δε＝1258με；
步骤五、同时通过光纤光栅解调装置12读取光纤光栅传感器2的波长变化量Δλ＝1339pm，则被校的光纤光栅传感器2应变灵敏度为P＝Δλ/Δε＝1.42pm/με。
步骤六、将测得的光纤光栅传感器的灵敏度与标称灵敏度1.40pm/με相比较，可见采用本发明测量的灵敏度与标称灵敏度基本相同，所以能够精确的达到对光纤光栅传感器应变灵敏度校准的目的。

Claims (5)

1.一种光纤光栅传感器应变灵敏度的校准装置和方法，其特征在于：包括第一传感器夹持装置(1)、第二传感器夹持装置(3)、气浮导轨动圈4、气浮导轨(5)、激光干涉仪(6)、干涉仪支架(7)、隔振平台(8)、微位移驱动器(9)、力传感器(10)、夹持装置支架(11)、光纤光栅解调装置(12)；
光纤光栅解调装置(12)、夹持装置支架(11)、微位移驱动器(9)、气浮导轨(5)和干涉仪支架(7)分别依次放置于隔振平台(8)上；第一传感器夹持装置(1)固定在夹持装置支架(11)上；第二传感器夹持装置(3)固定在气浮导轨动圈(4)上；气浮导轨(5)的导轨部分穿过气浮导轨动圈(4)，通气时，气浮导轨动圈(4)相对于气浮导轨(5)悬浮，此时需保证第一传感器夹持装置(1)和第二传感器夹持装置(3)位于同一条水平线上；气浮导轨动圈(4)通过力传感器(10)与微位移驱动器(9)相连；激光干涉仪(6)固定在干涉仪支架(7)上；待测的光纤光栅传感器(2)通过第一传感器夹持装置(1)和第二传感器夹持装置(3)连接并固定；待测的光纤光栅传感器(2)未被夹持的一端通过光纤跳线连接到光纤光栅解调装置(12)上。
2.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感器应变灵敏度的校准装置和方法，其特征在于：所述夹持装置支架(11)、微位移驱动器(9)、气浮导轨(5)和干涉仪支架(7)的中心需在一个竖直平面内。
3.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感器应变灵敏度的校准装置和方法，其特征在于：所述的传感器夹持装置(1)和传感器夹持装置(3)根据传感器外形定制，以保证传感器能较好的被固定。
4.如权利要求1所述的一种光纤光栅传感器应变灵敏度的校准装置和方法，其特征在于：所述激光干涉仪(6)发出的光束应与第一传感器夹持装置(1)和第二传感器夹持装置(3)构成的直线平行，必要时可加入折射镜、反射镜对光束进行处理。
5.一种采用上述装置实现的光纤光栅应变灵敏度的校准方法，具体步骤如下：
步骤一、对气浮导轨(5)通气，使气浮导轨动圈(4)无摩擦悬浮于气浮导轨(5)上；
步骤二、通过微位移驱动器(9)、驱动力传感器(10)和气浮导轨动圈(4)调整第二传感器夹持装置(3)与第一传感器夹持装置(1)的距离为固定值L；将光纤光栅传感器(2)的一端安装于第一传感器夹持装置(1)和第二传感器夹持装置(3)之间，另一端通过光纤跳线连接到光纤光栅解调装置(12)上；根据校准范围的不同，施加相应的预紧力；
步骤三、通过微位移驱动装置(9)，驱动力传感器(10)和气浮导轨动圈(4)，从而带动第二传感器夹持装置(3)与第一传感器夹持装置(1)发生相对运动，使光纤光栅传感器(2)发生相应的拉伸或压缩变形；
步骤四、通过激光干涉仪(6)测量第二传感器夹持装置3和第一传感器夹持装置(1)的相对位移，即光纤光栅传感器(2)的变形量ΔL，通过公式
Figure FSA00000837132900021
测量出待测传感器的应变变化量Δε；
步骤五、同时通过光纤光栅解调装置(12)读取光纤光栅传感器2的波长变化量Δλ，则被校的光纤光栅传感器(2)应变灵敏度为P＝Δλ/Δε；
步骤六、将测得的光纤光栅传感器(2)的灵敏度P与标称灵敏度相比较，达到对光纤光栅传感器应变灵敏度校准的目的。
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