CN105066898A - 一种表贴式光纤光栅应变传感器的标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种表贴式光纤光栅应变传感器的标定方法，先选择一个与应变测量对象材料相同的标准件，在标准件上表面的中央位置做一定的表面处理，沿水平方向粘贴光纤光栅应变传感器，在其旁边布设一个光纤光栅温度传感器，光纤光栅温度传感器处于悬空不受力状态，静置48小时后将布设好光纤光栅传感器的标准件放到恒温槽内，光纤光栅传感器连接到光纤光栅解调仪记录传感器波长变化，调节恒温槽的温度，引起标准件的热胀冷缩变形改变光纤光栅的受力状态，结合有限元分析得出标准件表面应变大小，通过一定的计算来实现光纤光栅应变传感器应变灵敏度系数的标定。本发明受粘贴基底材料及粘贴剂引起的应变传递率变化影响较小，提高了应变灵敏度系数的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅测量技术领域，具体涉及一种表贴式光纤光栅应变传感器的标定方法。
背景技术
随着光纤光栅传感技术的发展，光纤光栅传感器以其许多独特的优势，如体积小、重量轻、抗电磁干扰，同时易于大规模组网实现实时分布式测量等，逐渐取代传统的电类传感器，在结构健康监测中得到广泛应用。目前光纤光栅已经成功的应用在航空航天、海洋平台、土木桥梁、大跨度空间结构等领域。在实际应用过程中，表贴式光纤光栅应变传感器对应变的灵敏度会由于粘贴基底材料及粘贴剂不同引起应变传递率不同而变化，进而会导致光纤光应变栅测量值偏离待测件应变真实值。
目前，表贴式光纤光栅应变传感器的标定方法没有考虑应变实际测量过程中粘贴基底材料及粘贴剂对光纤光栅应变传感器应变灵敏度的影响，导致实际应变测量结果出现偏差。而光纤光栅应变传感器应变灵敏度系数的可靠性，决定着光纤光栅应变测量结果的准确性。因此，光纤光栅应变传感器应变灵敏度系数的标定对实际应用中的应变测量是非常重要的。
发明内容
本发明目的就是要提出一种适合工程应用且可靠的表贴式光纤光栅应变灵敏度系数的标定方法。
本发明技术方案：一种表贴式光纤光栅应变传感器的标定方法，其包括如下步骤：
步骤一：选择一个与待测件材料相同的标准件；
步骤二：在标准件上表面中央位置处进行表面处理，去除表面油脂及杂质后水平方向粘贴光纤光栅应变传感器，并布设一个光纤光栅温度传感器在其旁边，光纤光栅温度传感器处于悬空不受力状态，光纤光栅温度传感器两端用3M胶带固定；
步骤三：将粘贴好传感器的标准件静置48小时后，放在恒温槽的槽内，标准件处于无约束状态；
步骤四：将光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪相连，监测光纤光栅传感器的波长变化；
步骤五：调节恒温槽的温度，恒温保持一段时间后调节恒温槽温度，根据待测件实验环境温度范围完成一次升降温循环；
步骤六：利用有限元分析方法得出温度变化引起的标准件热胀冷缩表面产生的应变；
步骤七：光纤光栅传感器波长的变化由应变和温度两个因素共同影响，由光纤光栅传感原理可知，△λ＝△λε+△λT＝Kε*ε+KT*T，其中，△λ为光纤光栅传感器中心波长的变化，△λε为应变引起的光纤光栅传感器波长的变化，△λT为温度引起的光纤光栅传感器中心波长的变化，Kε为光纤光栅应变灵敏度系数，ε表示光纤光栅传感器测量点处应变大小，KT为光纤光栅温度传感器温度灵敏度系数，T表示光纤光栅传感器测量点处温度变化，所述的光纤光栅应变传感器受应变和温度的共同作用，而光纤光栅温度传感器处于悬空不受力状态，只受温度变化影响，通过光纤光栅温度传感器可以去除温度变化对光纤光栅应变传感器的影响，获得应变对光纤光栅应变传感器的影响，应变灵敏度系数Kε通过以下公式即可求出；Kε＝[|△λε1-△λT1|/|ε1|+|△λε2-△λT2|/|ε2|+…+|△λεn-△λTn|/|εn|]/n
其中，n为设定的温度变化工况数，△λε1表示第一个工况下光纤光栅应变传感器波长变化，△λT1表示第一个工况下光纤光栅温度传感器波长变化，ε1表示第一个工况下通过有限元分析标准件由于热胀冷缩表面产生的应变大小，其他以此类推，通过对各个工况过程求得光纤光栅应变灵敏度系数累加求均值来确定最终的光纤光栅应变灵敏度系数。
进一步的，光纤光栅应变传感器粘贴在与待测件相同材料的标准件上，表面处理后沿水平方向粘贴，光纤光栅温度传感器布置在光纤光栅应变传感器附近。
进一步的，标准件表面的应力由温度变化引起材料自身热胀冷缩产生。
进一步的，由于温度变化标准件自身热胀冷缩产生的应力由有限元分析得出。
本发明的标定方法的优点是：
(1)、本发明采用了和待测件相同材料的标准件，光纤光栅应变传感器标定过程中传感器的粘贴效果模拟了实际应用过程的效果，即标准件表面产生的应变传递到光纤光栅应变传感器的传递率和实际应用场合类似，实际应用过程中光纤光栅应变测量受待测件材料和粘贴剂不同引起应变传递率不同影响比较小。
(2)、本发明光纤光栅沿着标准件水平方向粘贴，恒温槽内温度稳定，标定过程受温度波动干扰比较小，标准件热胀冷缩产生的表面应力均匀，对于光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数求取多次均值，减小了实验误差。标定过程操作简单，贴近于实际应用，为光纤光栅传感器在实际应用中的应变测量的准确性提供了保障。
附图说明
图1是本发明表贴式光纤光栅应变传感器标定方法的系统结构示意图；其中，1-计算机，2-光纤光栅解调仪，3-恒温槽、4-标准件、5-光纤光栅温度传感器、6-光纤光栅应变传感器。
图2为光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器粘贴方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。
本发明表贴式光纤光栅应变传感器标定方法利用有限元分析材料热胀冷缩产生的应变大小来实现光纤光栅应变传感器灵敏度系数的标定。如图1所示，本发明光纤光栅应变传感器的标定方法的标定系统，包括计算机1、光纤光栅解调仪2、恒温槽3、标准件4、光纤光栅温度传感器5、光纤光栅应变传感器6。如图2所示，光纤光栅应变传感器沿水平方向粘贴在标准件，光纤光栅温度传感器布设在光纤光栅应变传感器附近，处于悬空不受力状态，光栅两端用3M胶带固定。标准件的材料保证与实际应用中待测件材料相同，尺寸可以根据恒温槽的大小来确定。根据待测件实际的工作环境确定恒温槽的温度范围，恒温保持一段时间后调节温度，通过温度变化引起材料的热胀冷缩来改变标准件表面的应力大小，光纤光栅解调仪记录整个过程光纤光栅传感器的波长变化。光纤光栅应变传感器水平粘贴在标准件表面，利用有限元分析法来获得温度变化标准件表面产生的应变。通过光纤光栅传感原理，可计算出光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数。
本发明的表贴式光纤光栅应变传感器标定方法具体步骤如下：
步骤一：选择一个与待测件材料相同的标准件；
步骤二：在标准件上表面中央位置处进行表面处理，去除表面油脂及杂质后水平方向粘贴光纤光栅应变传感器，并布设一个光纤光栅温度传感器在其旁边，光纤光栅温度传感器处于悬空不受力状态，光纤光栅温度传感器两端用3M胶带固定；
步骤三：将粘贴好传感器的标准件静置48小时后，放在恒温槽的槽内，标准件处于无约束状态；
步骤四：将光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪相连，监测光纤光栅传感器的波长变化；
步骤五：调节恒温槽的温度，恒温保持一段时间后调节恒温槽温度，根据待测件实验环境温度范围完成一次升降温循环；
步骤六：利用有限元分析方法得出温度变化引起的标准件热胀冷缩表面产生的应变；
步骤七：光纤光栅传感器波长的变化由应变和温度两个因素共同影响，由光纤光栅传感原理可知，△λ＝△λε+△λT＝Kε*ε+KT*T，其中，△λ为光纤光栅传感器中心波长的变化，△λε为应变引起的光纤光栅传感器波长的变化，△λT为温度引起的光纤光栅传感器中心波长的变化，Kε为光纤光栅应变灵敏度系数，ε表示光纤光栅传感器测量点处应变大小，KT为光纤光栅温度传感器温度灵敏度系数，T表示光纤光栅传感器测量点处温度变化，所述的光纤光栅应变传感器受应变和温度的共同作用，而光纤光栅温度传感器处于悬空不受力状态，只受温度变化影响，通过光纤光栅温度传感器可以去除温度变化对光纤光栅应变传感器的影响，获得应变对光纤光栅应变传感器的影响。应变灵敏度系数Kε通过以下公式即可求出；Kε＝[|△λε1-△λT1|/|ε1|+|△λε2-△λT2|/|ε2|+…+|△λεn-△λTn|/|εn|]/n
其中，n为设定的温度变化工况数，△λε1表示第一个工况下光纤光栅应变传感器波长变化，△λT1表示第一个工况下光纤光栅温度传感器波长变化，ε1表示第一个工况下通过有限元分析标准件由于热胀冷缩表面产生的应变大小，其他以此类推。通过对各个工况过程求得光纤光栅应变灵敏度系数累加求均值来确定最终的光纤光栅应变灵敏度系数。
本发明利用温度变化引起材料热胀冷缩特性产生应变，利用有限元分析的方法得出标准件表面应变大小对实现光纤光栅应变灵敏度系数的标定。整个应变系数标定过程操作简单，减小了实际应用过程中由于粘贴基底及粘贴剂不同造成应变传递率不同对应变测量结果的影响，提高了光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数的可靠性，在工程应用中具有较大的应用价值。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (4)
1.一种表贴式光纤光栅应变传感器的标定方法，其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤一：选择一个与待测件材料相同的标准件；
步骤二：在标准件上表面中央位置处进行表面处理，去除表面油脂及杂质后沿水平方向粘贴光纤光栅应变传感器，并布设一个光纤光栅温度传感器在其旁边，光纤光栅温度传感器处于悬空不受力状态，光纤光栅温度传感器两端用3M胶带固定；
步骤三：将粘贴好传感器的标准件静置48小时后，放在恒温槽的槽内，标准件处于无约束状态；
步骤四：将光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪相连，监测光纤光栅传感器的波长变化；
步骤五：调节恒温槽的温度，恒温保持一段时间后调节恒温槽温度，根据待测件实验环境温度范围完成一次升降温循环；
步骤六：利用有限元分析方法得出温度变化引起的标准件热胀冷缩表面产生的应变；
步骤七：光纤光栅传感器波长的变化由应变和温度两个因素共同影响，由光纤光栅传感原理可知，△λ＝△λε+△λT＝Kε*ε+KT*T，其中，△λ为光纤光栅传感器中心波长的变化，△λε为应变引起的光纤光栅传感器波长的变化，△λT为温度引起的光纤光栅传感器中心波长的变化，Kε为光纤光栅应变灵敏度系数，ε表示光纤光栅传感器测量点处应变大小，KT为光纤光栅温度传感器温度灵敏度系数，T表示光纤光栅传感器测量点处温度变化，所述的光纤光栅应变传感器受应变和温度的共同作用，而光纤光栅温度传感器处于悬空不受力状态，只受温度变化影响，通过光纤光栅温度传感器可以去除温度变化对光纤光栅应变传感器的影响，获得应变对光纤光栅应变传感器的影响，应变灵敏度系数Kε通过以下公式即可求出；Kε＝[|△λε1-△λT1|/|ε1|+|△λε2-△λT2|/|ε2|+…+|△λεn-△λTn|/|εn|]/n
其中，n为设定的温度变化工况数，△λε1表示第一个工况下光纤光栅应变传感器波长变化，△λT1表示第一个工况下光纤光栅温度传感器波长变化，ε1表示第一个工况下通过有限元分析标准件由于热胀冷缩表面产生的应变大小，其他以此类推，通过对各个工况过程求得光纤光栅应变灵敏度系数累加求均值来确定最终的光纤光栅应变灵敏度系数。
2.根据权利要求1所述的表贴式光纤光栅应变传感器标定方法，其特征在于：光纤光栅应变传感器粘贴在与待测件相同材料的标准件上，表面处理后水平方向粘贴，光纤光栅温度传感器布置在光纤光栅应变传感器附近。
3.根据权利要求1或2所述的表贴式光纤光栅应变传感器标定方法，其特征在于：标准件表面的应力由温度变化引起材料自身热胀冷缩产生。
4.根据权利要求3所述的表贴式光纤光栅应变传感器标定方法，其特征在于：由于温度变化标准件自身热胀冷缩产生的应力由有限元分析得出。
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