CN105683705A - 用于测量最大应变的fbg传感器、制造方法和使用方法 - Google Patents

用于测量最大应变的fbg传感器、制造方法和使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测量待测量物体的最大应变的FBG传感器、制造该传感器的方法和使用该传感器的方法。为此，提供了一种用于测量最大应变的FBG传感器，该FBG传感器包括：光导纤维(130)，该光导纤维具有位于其中的FBG传感器(150)；第一金属箔(120)，该第一金属箔在其一个表面上接触光导纤维(130)；第二金属箔(120)，该第二金属箔与所述一个表面进行表面接触；粘合剂层(140)，该粘合剂层设置在第一金属箔(100)和第二金属箔(120)之间；用于通过所述FBG传感器(150)测量第一金属箔(100)和第二金属箔(120)的残余应变的装置；以及基于所测量的残余应变值和通过实验计算得出的灵敏度系数(Csen)来计算最大应变的装置。

Description

用于测量最大应变的FBG传感器、制造方法和使用方法
技术领域
本发明涉及一种FBG传感器，更具体而言，涉及一种能够测量待测量物体的最大应变的FBG传感器、制造该传感器的方法和使用该传感器的方法。
背景技术
一般来说，光纤布拉格光栅(FBG)传感器是指利用通过将光经过光导纤维传送而产生的光的反射、折射、散射和透射现象的传感器。在这种FBG传感器中，将紫外线选择性地辐射到玻璃光导纤维上，从而在光导纤维的长度方向上形成折射率周期性地精细变化的图案。
这种FBG传感器的特征在于，其具有低插入损失，这是因为其能够形成为光导纤维内的过滤器。此外，FBG传感器在大规模生产的情况下具有非常低的制造成本，并且过滤器的带宽在大小上可以非常小。
FBG传感器的其他特征包括：FBG传感器适合于埋入型测量(耐用性)，这是因为其由于腐蚀而劣化的可能性较低；以及因为使用光学信号而不会由于潮湿而产生异常值(可靠性)。因为将光学信号传送到测量装置，因此在测量地点没有任何影响，诸如电场。特别是，FBG传感器适用在高电压电力环境中(抗噪声)，因为不使用电信号和电力而能够在易燃物周围自由地使用(抗爆特性)，因为光学信号具有非常低的传送损失而能够容易地在长隧道和大型结构中使用，并且能够在几千公里的范围内进行测量(适应性)，从极低温度(-270°)到极高温度(几百度)都能够使用，并且能够在高温度湿度以及极低温度和高温中使用(温度特性)。特别是，FBG光导纤维传感器能够像现有的电力型测量装置一样测量混凝土内的应力，并且具有非常高的经济性，这是因为即使在严酷环境中其也能够维持一年以上的测量功能。
这种FBG传感器包括使用时间差的时分多路复用(TDM)方法和使用波形之间的差的波分多路复用(WDM)方法。在时分多路复用方法中，因为可以在单个光导纤维内串联地布置最多100个FBG传感器，所以可以构建简单的测量系统。相反，波分多路复用方法是用于在FBG所独有的更高层反射波长中识别FBG的方法，并且能够进行长距离测量。
近年来，已经在结构健康监测(SHM)领域中发展FBG传感器，例如应变测量、裂纹诊断、热测量和压力监测。其原因是FBG传感器具有抗电磁特性、小尺寸、耐腐蚀以及以上描述的用于单个光纤的传感器多路复用性的卓越优点。此外，FBG传感器可以用来测量关于应变或温度变化而显著显现的参数。
传统的远程通信光导纤维包括涂覆在2到3个聚合物层中的二氧化硅玻璃光纤。其原因是未涂覆的光导纤维容易断裂。涂覆有聚合物的二氧化硅光纤在短期内提供了较高刚度。然而，如果这种光纤在潮湿环境中经受应力，则因为裂纹非常缓慢的生长而使得强度经过较长时间下降。为了保护二氧化硅玻璃光纤不受湿气的影响，在光导纤维上涂覆金属，诸如铝、铟、锡、锑、锌、铅、铜、镍或金。一些光纤对湿气穿透的抵抗性较高。此外，与涂覆聚合物光纤相比，一些光纤表现出较高刚度。一些光纤能够承受相对较高温度。同时，对光导纤维进行涂覆是为了增加机械特征，诸如杨氏模量、热膨胀系数和泊松比，为了提高可靠性并为了防止光导纤维受到恶劣环境影响。尽管这种用于涂覆光导纤维的技术提高了光导纤维的特征，但是尚未进行使用涂覆材料的残余应变来检测待测量物体的最大应变的技术。
发明内容
技术问题
因而，考虑到现有技术中出现的上述问题而作出了本发明，并且本发明的目的是提供一种用于测量最大应变的FBG传感器、制造该FBG传感器的方法和使用该FBG传感器的方法，该FBG传感器能够利用残余应变测量待测量物体的最大应变。
本发明所要实现的技术目的并限于上述目的，本发明所属领域的技术人员可以从如下描述而清楚地理解其他技术目的。
技术方案
本发明的目的可以通过一种用于测量最大应变的FBG传感器实现，该FBG传感器包括：光导纤维(130)，该光导纤维具有设置在所述光导纤维中的FBG传感器(150)；第一金属箔(100)，该第一金属箔使所述光导纤维(130)与所述第一金属箔的一个表面接触；第二金属箔(120)，该第二金属箔与所述一个表面进行表面接触；粘合剂层(140)，该粘合剂层设置在所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)之间；用于通过所述FBG传感器(150)测量所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)的残余应变的装置；以及基于所测量的残余应变值和通过实验计算得出的灵敏度系数(Csen)来计算最大应变的装置。
此外，所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)中的至少一者可以包括铝箔、钢箔和铜箔中至少一个。此外，所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)中的至少一者具有从10μm到30μm的厚度。所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)中的至少一者在所述光导纤维(130)的长度方向上为矩形。此外，所述光导纤维(130)位于所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)中的至少一者的中心线上。
此外，该FBG传感器进一步包括用于将所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)中的任一者的一个表面连接至待测量物体的支架。此外，更优选地，所述支架包括以所述FBG传感器(150)为基准对称地放置的一对支架(160a和160b)。
本发明的目的可以通过作为另一个类别的制造用于测量最大应变的FBG传感器的方法实现，该方法包括：通过在第一金属箔(100)的一个表面上涂覆粘合剂而形成粘合剂层(140)的步骤(S100)；将包括FBG传感器(150)的光导纤维(130)粘结至所述粘合剂的步骤(S200)；以及将第二金属箔(120)粘结至所述第一金属箔(100)的所述一个表面的步骤(S300)。
此外，优选地，该方法进一步包括以所需形式切割所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)的步骤(S400)。
本发明的目的可以通过作为又一个类别的使用用于测量最大应变的FBG传感器的方法实现，该方法包括如下步骤：将所述FBG传感器附装至待测量物体，该FBG传感器是通过如下步骤制成的：在第一金属箔(100)的一个表面上涂覆粘合剂而形成粘合剂层(140)的步骤(S100)；将包括FBG传感器(150)的光导纤维(130)粘结至所述粘合剂的步骤(S200)；将第二金属箔(120)粘结至所述第一金属箔(100)的所述一个表面(S300)；和以所需形式切割所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)；在所述待测量物体变形的同时或在所述待测量物体变形之后向所述光导纤维(130)输入具体输入信号；基于所述输入信号测量所述FBG传感器(150)的输出信号；基于所述输出信号测量所述待测量物体的残余应变；以及使用所测量的残余应变值和通过实验计算得出的灵敏度系数来计算最大应变。
有利效果
根据本发明的实施方式，能够保持FBG传感器的特征(抗电磁特性、小尺寸、抗腐蚀性等)，并且还能够测量待测量物体的最大应变。因而，可以在结构健康监测(SHM)领域(如应变测量、裂纹诊断、热测量和压力监测)中积极地使用本发明。
尽管已经针对优选实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员将容易地认识到，在不脱离本发明的要旨和范围的情况下可以以各种方式改变和修改本发明。显然，这些改变和修改都落入所附权利要求的范围内。
附图说明
该说明书中的如下所附附图示出了本发明的优选实施方式，并且用来便于与本发明的详细描述一起来进一步理解本发明的技术精神。因而，本发明不应该解释为仅仅限于图中所示的内容。
图1是根据本发明的第一实施方式的FBG传感器的立体图。
图2是图1的在方向A-A上的剖视图。
图3是根据本发明的第二实施方式的FBG传感器的立体图。
图4是示意性地示出了图1所示的第一实施方式被附装至CFRP200(即样品)并且测量最大应变和残余应变的状态的使用状态图。
图5是图4的侧视图。
图6是示意性地示出了图3所示的第二实施方式被附装至CFRP200(即样品)并且测量最大应变和残余应变的状态的使用状态图。
图7是示出了根据本发明的实施方式的制造FBG传感器的方法的流程图。
图8是使用本发明的第一实施方式测量最大应变的曲线图。
图9是使用本发明的第一实施方式测量应变和残余应变的曲线图。
图10是使用本发明的第二实施方式测量最大应变的曲线图。
图11是使用本发明的第二实施方式测量应变和残余应变的曲线图。
具体实施方式
根据本发明的用于测量最大应变的FBG传感器可以包括：光导纤维130，该光导纤维具有设置在所述光导纤维中的FBG传感器150；第一金属箔100，该第一金属箔使光导纤维130与该第一金属箔的一个表面接触；第二金属箔120，该第二金属箔与所述一个表面进行表面接触；粘合剂层140，该粘合剂层设置在第一金属箔100和第二金属箔120之间；用于通过FBG传感器150测量第一金属箔100和第二金属箔120的残余应变的装置；以及用于基于所测量的残余应变值和通过实验计算得出的灵敏度系数Csen来计算最大应变的装置。
在这种情况下，FBG传感器150被放置在光导纤维130的中间部分中。第一金属箔100和和第二金属箔120以FBG传感器150为基准上下粘结在一起。第一和第二金属箔100和120以及光导纤维130通过粘合剂层140紧密地粘结在一起。当以矩形形式切割第一和第二金属箔100和120时，FBG传感器150位于其中央位置。
在下文中将参照附图详细描述本发明的实施方式，从而使得本发明所属领域的技术人员能够容易地实践本发明。然而，在描述与本发明的优选实施方式有关的操作原理时，如果认为相关功能或结构将不必要地使得本发明的要旨模糊不清，则将省略这些相关功能或结构的详细描述。
此外，在所有附图中相同的附图标记表示具有类似功能和操作的元件。在整个说明书中，当描述了一个元件连接至另一个元件时，该一个元件可以直接连接至该另一个元件，或者通过第三元件间接地连接至该另一个元件。此外，当描述了一个元件包括另一个元件时，其意思是指该一个元件不排除该另一个元件，但是可以包括其他元件，除非另有描述。
<构造>
图1是根据本发明的第一实施方式的FBG传感器10的立体图，而图2是图1的在方向A-A上的剖视图。如图1和图2所示，FBG传感器150被放置在光导纤维130的中间部分中。第一和第二金属薄100和120与FBG传感器150上下进行接触。第一和第二金属薄100和120以及光导纤维130通过粘合剂层140紧密地粘结在一起。
第一和第二金属薄100和120中的每个都可以是厚度从10μm到30μm的铝箔。更优选的是，第一和第二金属薄100和120中的每个都可以具有从15μm到20μm的厚度。如果厚度小于10μm，则金属箔在被处理时会被撕裂或者难以制造金属箔。如果厚度大于30μm，可能因为弹性恢复力增加而难以精确地测量金属箔的残余应力。在当前实施方式中，在第一和第二金属箔100和120中的每个中都使用厚度为大约18μm的铝箔。因而，第一和第二金属箔100和120和粘合剂层140的总厚度为大约36μm。在当前实施方式中，可以使用钢箔、铜箔等来代替铝箔。
当以矩形形式切割第一和第二金属箔100和120时，FBG传感器150位于第一和第二金属箔100和120的中央位置。
使用KYOWA的产品氰基丙烯酸基CC-33A作为在粘合剂层140中使用的粘合剂。
图3是根据本发明的第二实施方式的FBG传感器20的立体图。如图3所示，第一和第二金属箔100和120、粘合剂层140、光导纤维130、FBG传感器150等与第一实施方式的那些相同，因此省略这些元件的描述。
托架160a和160b用来将第一金属箔100和待测量物体200粘结。支架160a和160b以FBG传感器150为基准对称地布置在彼此间隔开大约2.5cm的位置处。实际上，支架160a和160b可以使被厚厚地涂覆并硬化的环氧树脂(KFR-730F树脂：KFR-730F硬化剂＝100：37)。因而，通过支架160a和160b将待测量物体200的应力和应变传递至传感器。
<制造方法>
下面参照附图详细描述具有以上构造的第一和第二实施方式的制造方法。图7是示出了根据本发明的实施方式的制造FBG传感器的方法的流程图。如图7所示，制备了在我们的生活中容易获得的厚度为大约18μm的铝箔(第一金属箔100)和已经埋有长度大约为1cm的FBG传感器150的光导纤维130。之后，通过在铝箔(第一金属箔100)的一个表面上涂覆粘合剂而形成粘合剂层140(S100)。
之后，将光导纤维130粘结至粘合剂层140，从而使FBG传感器150位于中央(S200)。
之后，将与铝箔(第一金属箔100)相同的铝箔(第二金属箔120)覆盖并粘结至铝箔(第一金属箔100)(S300)。可以通过利用修改的制造方法来折叠一片较大的铝箔，由此能够完成步骤S300。
之后，以所需尺寸和形式(例如矩形)切割并完成铝箔(第一和第二金属箔100和120)的周边(S400)。在这种情况下，光导纤维130优选位于左右彼此对称的铝箔的中心线上。
另外，如果必要的话，可以增加如图3所示的第二实施方式的用于粘结支架160a和160b的步骤。使用环氧树脂将该对支架160a和160b粘结在基于其中心距离彼此左右彼此间隔开大约2.5cm的位置。通过这些步骤完成根据本发明的FBG传感器10、20的制造方法。
<使用方法>
下面参照附图详细描述使用第一和第二实施方式测量最大应变的使用方法。首先，将最大应变和残余应变之间的灵敏度系数Csen定义如下。
公式1：
C s e n = e max e r e s
在公式1中，emax为最大应变，而eres为残余应变。之后，在将根据本发明的FBG传感器和应变仪附装至具体样品之后，在拉伸测试机上进行拉伸测试。使用此时测量的应变仪的最大应变emax和拉伸测试之后测量的FBG传感器的残余应变eres根据公式1计算灵敏度系数Csen。之后，当将待测量结构附装至FBG传感器并测量残余应变eres时，能够利用之前计算的灵敏度系数Csen根据公式1获得最大应变emax。
图4是示意性示出了图1所示的第一实施方式被附装至CFRP200(即样品)以及测量最大应变和残余应变的状态的使用状态图，而图5是图4的侧视图。如图4和图5所示，准备好碳纤维增强聚合物(CFRP)即具体样品200，已计算了样品200的灵敏度系数。在所有现代商用飞机中几乎全部都使用碳纤维增强聚合物(CFRP)作为主要结构材料。为了监测复合材料(如CRRP)的健康状态，检测最大应变非常重要。其原因在于可以基于该信息来确定结构安全准则。碳纤维增强聚合物(CFRP)复合样品200的尺寸为2mm厚、25mm宽、150mm长。已经粘结有铝箔的FBG传感器10使用环氧树脂附装至CFRP样品200的顶表面，并且长度为5mm的电应变仪150附装至CFRP样品200的底表面。通过单独的布线260从应变仪250输出信号。
将如图4和图5制备的样品200安装在通用测试机(UTM)上，该通用测试机能够控制成使得施加最大5吨的负荷和变形，在图4的方向上施加拉伸力。在拉伸测试过程中，通过FBG问询仪CyTroniQ获得根据本发明的FBG传感器10的数据，并且通过信号控制器(未示出)经过A/D发射器(未示出)获得应变仪250的数据。作为详细实验方法，对于每个负荷步骤都将应变反复测量10次。每个步骤为100Kbf，并且反复进行样品200上的FBG传感器10的每个载荷的增加和应变的移除。
图6是示意性示出了图3所示的第二实施方式被附装至CFRP200(即样品)和测量最大应变和残余应变的状态的使用状态图。
使用该方法在图8至11中示出了用于第一和第二实施方式的最大应变和残余应变的曲线图。也就是说，图8是使用本发明的第一实施方式测量最大应变的曲线图，图9是使用本发明的第一实施方式测量应变和残余应变的曲线图，图10是使用本发明的第二实施方式测量最大应变的曲线图，而图11是使用本发明的第二实施方式测量应变和残余应变的曲线图。为了进行参照，从不具有金属箔的FBG传感器获得不了任何残余应变。
如可以从图8和图9看到的，从所施加的拉伸力的第二台阶留下了残余应变。无论何时增加拉伸力，都获得了其中残余应变线性增加的结果。也就是说，最大应变emax和残余应变eres的斜率分别为5.64和0.87。根据公式1，灵敏度系数Csen计算为大约6.48。该灵敏度系数Csen可以通过这种过程来计算。
之后，将根据本发明的FBG传感器10附装至将要实际测量的物体，并且计算该物体的残余应变eres。可以使用所测量的残余应变eres和通过该过程计算的灵敏度系数Csen来计算最大应变emax。
如可以从图10和图11看到的，对于每个台阶反复测量五次应变。当向样品200施加拉伸力时，从第四台阶开始测量残余应变。该应变表现出图8和图9所示的线性。使用与图8和图9的实验中执行的方法相同的方法测量的最大应变emax和残余应变eres的斜率分别为2.69和0.319。因而，根据公式1，灵敏度系数计算为大约8.43。
图8和图9的第一实施方式的结果和图10和图11的第二实施方式的结果之间的差为应变和拉伸力台阶之间的比率。如所期望的，第一实施方式(图8和图9)中的灵敏度系数Csen6.48小于第二实施方式(图10和图11)中的灵敏度系数Csen8.43。这可以认为是与FBG传感器和样品200之间的距离有关。也就是说，在第一实施方式(图8和图9)的情况下，灵敏度系数Csen较小，这是因为FBG传感器和样品200之间的距离较接近。在第二实施方式(图10和图11)的情况下，灵敏度系数较大，这是因为FBG传感器和样品200之间的距离较远。
此外，第一实施方式(图8和图9)中的残余应变eres为0.87，而第二实施方式(图10和图11)中的残余应变eres为0.319，因此存在大于两倍的差。因而，可以根据分布感测领域、残余应变的大小以及灵敏度系数的大小来适当地应用和使用第一和第二实施方式的FBG传感器。
以上描述的FBG传感器不受限于并且应用于上述实施方式的构造和方法，但是可以将一些或全部实施方式进行选择性地组合和构造从而以各种方式修改这些实施方式。

Claims (10)

1.一种用于测量最大应变的FBG传感器，该FBG传感器包括：
光导纤维(130)，该光导纤维具有设置在所述光导纤维中的FBG传感器(150)；
第一金属箔(100)，该第一金属箔使所述光导纤维(130)与所述第一金属箔(100)的一个表面接触；
第二金属箔(120)，该第二金属箔与所述一个表面进行表面接触；
粘合剂层(140)，该粘合剂层设置在所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)之间；
用于通过所述FBG传感器(150)测量所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)的残余应变的装置；以及
基于所测量的残余应变值和通过实验计算得出的灵敏度系数(Csen)来计算最大应变的装置。
2.根据权利要求1所述的FBG传感器，其中，所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)中的至少一者包括铝箔。
3.根据权利要求1所述的FBG传感器，其中，所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)中的至少一者具有从10μm到30μm的厚度。
4.根据权利要求1所述的FBG传感器，其中，所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)中的至少一者在所述光导纤维(130)的长度方向上为矩形。
5.根据权利要求1所述的FBG传感器，其中，所述光导纤维(130)位于所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)中的至少一者的中心线上。
6.根据权利要求1所述的FBG传感器，该FBG传感器进一步包括用于将所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)中的任一者的一个表面连接至待测量物体的支架。
7.根据权利要求6所述的FBG传感器，其中，所述支架包括以所述FBG传感器(150)为基准对称地放置的一对支架(160a，160b)。
8.一种制造用于测量最大应变的FBG传感器的方法，该方法包括：
通过在第一金属箔(100)的一个表面上涂覆粘合剂而形成粘合剂层(140)的步骤(S100)；
将包括FBG传感器(150)的光导纤维(130)粘结至所述粘合剂的步骤(S200)；以及
将第二金属箔(120)粘结至所述第一金属箔(100)的所述一个表面的步骤(S300)。
9.根据权利要求8所述的方法，该方法进一步包括以所需形式切割所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)的步骤(S400)。
10.一种使用用于测量最大应变的FBG传感器的方法，该方法包括如下步骤：
将所述FBG传感器附装至待测量物体，该FBG传感器是通过如下步骤制成的：在第一金属箔(100)的一个表面上涂覆粘合剂而形成粘合剂层(140)的步骤(S100)；将包括FBG传感器(150)的光导纤维(130)粘结至所述粘合剂的步骤(S200)；将第二金属箔(120)粘结至所述第一金属箔(100)的所述一个表面的步骤(S300)；以及以所需形式切割所述第一金属箔(100)和所述第二金属箔(120)的步骤(S400)；
在所述待测量物体变形的同时或在所述待测量物体变形之后向所述光导纤维(130)输入具体输入信号；
基于所述输入信号测量所述FBG传感器(150)的输出信号；
基于所述输出信号测量所述待测量物体的残余应变；以及
使用所测量的残余应变值和通过实验计算得出的灵敏度系数来计算最大应变。
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