CN105115438B - 一种光纤传感系统温度补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光纤传感系统温度补偿方法，该方法步骤为：1、对光纤传感器进行温度标定，得到温度灵敏度系数KT1；2、对粘贴于待测件相同材料试件表面的光纤传感器进行温度标定，得到材料均匀热膨胀系数KT2；3、对光纤传感器进行应变标定，得到应变灵敏度系数Kε；4、对待测件进行应变、变形测量时，利用光纤应变传感器检测待测件所受到的应变，利用光纤温度传感器作应变传感器的温度补偿，剔除均匀热膨胀的影响，得到有效的变形应变数据。本发明主要用于光纤传感网络测量由受力及非均匀热膨胀引起的应变、变形等场合，本发明克服了光纤传感器对被测件变形和均匀热膨胀及应变和温度交叉敏感的难点。

Description

一种光纤传感系统温度补偿方法
技术领域
本发明属于结构健康监测领域，特别涉及一种光纤传感系统温度补偿方法。
背景技术
飞行器、航天器的不断发展，大型化、复杂化、功能化逐渐成为了现代工程结构发展的必然趋势，这使得结构自身的服役环境不断复杂，结构自身的损伤形式不断多样，由于冲击、振动、极端环境等因素引起的结构损伤问题也不断凸显。对于工程结构件，结构内部裂纹、复合材料内部断裂、金属结构锈蚀等主要损伤类型具有其损伤存在的隐蔽性较强、损伤引起的结构失效机理较复杂、损伤导致的结构破坏程度难以判断等特点。这些特点使得结构在服役过程中的可靠性大幅降低，如在此情况下还不对其采取相应的补救措施，将会在结构内部形成损伤累积现象，进而促使整体或局部结构发生突然失效，导致巨大的财产损失以及人员伤亡。
因此研究智能化结构健康监测技术对确保大型飞行器结构能够长期、高可靠性服役具有重要意义。结构健康监测(Structural Health Monitoring，SHM)就是通过对结构进行无损检测，实时监控结构的整体行为，对结构的损伤位置和程度进行诊断，对结构的服役情况、可靠性、耐久性和承载能力进行智能评估，为一些处在特殊气候、特殊工作状态下的结构出现严重异常时出发预警信号，为结构的维修、养护与管理决策提供依据和指导。
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内产生沿纤芯轴向周期性变化的折射率。由于光纤布拉格光栅的抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、对电绝缘、成本低及易于实现复用等优点，使得光纤布拉格光栅一经问世，便在光纤传感领域发挥着重要作用，并在航空航天、桥梁、矿山、地质勘探、铁路、天然气管道的结构健康监测中得到广泛应用。
目前国际上很多发达国家对光纤光栅的应用主要集中对结构应变、温度、变形等监测，国内也开始使用光纤光栅对结构的应变、温度、变形进行监测，但测量过程中存在光纤光栅传感器对被测件变形和均匀热膨胀及应变和温度交叉敏感的难点。本发明紧跟国际先进科技的发展步伐，解决了在测量结构件受力及受热变形过程中的光纤光栅传感器对被测件变形和均匀热膨胀及应变和温度交叉敏感难题，具有很重要的实践意义。
发明内容
本发明的目的在于，克服已有的技术局限，使用光纤布拉格光栅传感器准确测量结构件的变形应变，提供了一种基于光纤光栅传感网络的结构件变形应变测量过程中的温度补偿方法，该方法能够有效监测结构件因受力或不均匀受热导致的结构件的变形应变。
本发明主要用于光纤传感系统测量由受力及受热不均匀引起的待测件应变、变形等场合，本发明克服了光纤传感系统对被测件变形和均匀热膨胀及应变和温度交叉敏感的难点。
本发明采用的技术方案为：一种光纤传感系统温度补偿方法，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、对裸光纤光栅传感器进行温度标定，得到光纤光栅传感器的温度灵敏度系数KT1；
步骤(2)、用胶水将裸光纤光栅粘贴在待测件相同材料试件的表面，粘贴用胶水及粘贴工艺与粘贴光纤光栅应变传感器时所用胶水及粘贴工艺完全相同(胶水由待测件及光纤光栅涂覆层材料决定)；
步骤(3)、对粘贴于待测件相同材料试件表面的光纤光栅传感器进行温度标定，得到试件均匀热膨胀系数KT2；
步骤(4)、用胶水将裸光纤光栅粘贴在等强度梁表面，粘贴用胶水及粘贴工艺与粘贴光纤光栅应变传感器时所用胶水及粘贴工艺相同；
步骤(5)、对粘贴于等强度梁表面的光纤光栅传感器进行应变标定，得到光纤光栅传感器应变灵敏度系数Kε；
步骤(6)、对待测件进行应变、变形测量时，将光纤传感网络布置于待测件上，光纤光栅应变传感器使用胶水粘贴，将整个传感器栅区粘贴固定在待测件表面，光纤光栅温度传感器使用胶带粘贴固定栅区两侧，并保持栅区处于自由状态；
步骤(7)、利用光纤光栅应变传感器检测待测件所受到的应变，利用光纤光栅温度传感器作为光纤光栅应变传感器的温度补偿，由公式得到有效的变形应变数据，其中：Δλε是光纤光栅应变传感器中心波长漂移量，ΔλT是光纤光栅温度传感器中心波长漂移量，KT1是光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数，KT2是试件材料的均匀热膨胀系数，Kε是光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数，ε是所求的应变变化量。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、可以直接利用光纤光栅传感器准确监测结构件的变形应变，本发明所使用的光纤光栅传感器是裸光纤光栅，无需封装，无需增加任何其他结构部件，因此传感器体积小、重量轻，且粘贴方便，易操作；
2、本发明同时解决了光纤光栅传感器对变形和均匀热膨胀及应变和温度的交叉敏感问题。
附图说明
图1为实施步骤示意图；
图中标号：1为光纤光栅传感器温度灵敏度系数标定，2为光纤光栅应变传感器粘贴于试件材料表面，3为试件材料均匀热膨胀系数标定，4光纤光栅应变传感器粘贴于等强度梁表面，5为光纤光栅应变传感器应变灵敏度系数标定，6为光纤光栅应变和温度传感器粘贴于待测件表面，7为数据处理得到有效的变形应变值。
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。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
如图1所示，本发明包括以下7个步骤：1、对裸光纤光栅传感器进行温度标定，得到光纤光栅的温度灵敏度系数KT1；2、用胶水将裸光纤光栅粘贴在待测件相同材料试件的表面，粘贴用胶水及粘贴工艺与粘贴光纤光栅应变传感器时所用胶水及粘贴工艺完全相同(胶水由待测件及光纤光栅涂覆层材料决定)；3、对粘贴于待测件相同材料试件表面的光纤光栅传感器进行温度标定，得到试件均匀热膨胀系数KT2；4、用胶水将裸光纤光栅粘贴在等强度梁表面，粘贴用胶水及粘贴工艺与粘贴光纤光栅应变传感器时所用胶水及粘贴工艺相同；5、对粘贴于等强度梁表面的光纤光栅传感器进行应变标定，得到光纤光栅传感器应变灵敏度系数Kε；6、对待测件进行应变、变形测量时，将光纤传感网络布置于待测件上，光纤光栅应变传感器使用胶水粘贴，将光纤光栅的整个栅区粘贴固定在待测件表面，光纤光栅温度传感器使用胶带粘贴固定栅区两侧，并保持栅区处于自由状态；7、利用光纤光栅应变传感器检测待测件所受到的应变，利用光纤光栅温度传感器作为应变传感器的温度补偿，由公式得到有效的变形应变数据，其中：Δλε是光纤光栅应变传感器中心波长漂移量，ΔλT是光纤光栅温度传感器中心波长漂移量，KT1是光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数，KT2是试件材料的均匀热膨胀系数，Kε是光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数，ε是所求的应变变化量。
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 (2)

1.一种光纤传感系统温度补偿方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤(1)、对裸光纤光栅传感器进行温度标定，得到光纤光栅传感器的温度灵敏度系数KT1；
步骤(2)、用胶水将裸光纤光栅粘贴在待测件相同材料试件的表面，粘贴用胶水及粘贴工艺与粘贴光纤光栅应变传感器时所用胶水及粘贴工艺完全相同；
步骤(3)、对粘贴于待测件相同材料试件表面的光纤光栅传感器进行温度标定，得到试件均匀热膨胀系数KT2；
步骤(4)、用胶水将裸光纤光栅粘贴在等强度梁表面，粘贴用胶水及粘贴工艺与粘贴光纤光栅应变传感器时所用胶水及粘贴工艺相同；
步骤(5)、对粘贴于等强度梁表面的光纤光栅传感器进行应变标定，得到光纤光栅传感器应变灵敏度系数Kε；
步骤(6)、对待测件进行应变、变形测量时，将光纤传感网络布置于待测件上，光纤光栅应变传感器使用胶水粘贴，将整个传感器栅区粘贴固定在待测件表面，光纤光栅温度传感器使用胶带粘贴固定栅区两侧，并保持栅区处于自由状态；
步骤(7)、利用光纤光栅应变传感器检测待测件所受到的应变，利用光纤光栅温度传感器作为光纤光栅应变传感器的温度补偿，由公式得到有效的变形应变数据，其中：△λε是光纤光栅应变传感器中心波长漂移量，△λT是光纤光栅温度传感器中心波长漂移量，KT1是光纤光栅温度传感器的温度灵敏度系数，KT2是试件材料的均匀热膨胀系数，Kε是光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数，ε是所求的应变变化量；
该方法可以直接利用光纤光栅传感器准确监测结构件的变形应变，所使用的光纤光栅传感器是裸光纤光栅，无需封装，无需增加任何其他结构部件，因此传感器体积小、重量轻，且粘贴方便，易操作；
该方法同时解决了光纤光栅传感器对变形和均匀热膨胀及应变和温度的交叉敏感问题。
2.根据权利要求1所述的一种光纤传感系统温度补偿方法，其特征在于：该方法用于光纤传感系统测量由受力及不均匀热膨胀引起的应变、变形场合，克服了光纤传感系统对被测件变形和均匀热膨胀及应变和温度交叉敏感的难点。
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