CN105716535A - 一种用于测试薄试件应变的传感器组桥方式 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测试薄试件应变的传感器组桥方式，所述组桥方式包括如下步骤：a)制作基片式光纤FBG应变传感器，将FBG光纤黏贴在基片的基片槽内制成第一片基片式光纤FBG应变传感器；b)重复步骤a)制作第二片基片式光纤FBG应变传感器；c)对薄试件上下表面进行打磨和清洗；d)将步骤a)所述的第一片基片式光纤FBG应变传感器和步骤b)所述的第二片基片式光纤FBG应变传感器黏贴在步骤c)所述的薄试件上下表面；e)将步骤d)中所述的第一片基片式光纤FBG应变传感器和第二片基片式光纤FBG应变传感器表面用环氧树脂胶进行涂层，并在常温下固化24h。本发明上下表面对称设置传感器可以平衡薄试件的局部变形，对现场测量薄试件应变具有重要意义。

Description

一种用于测试薄试件应变的传感器组桥方式

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术领域，特别涉及一种用于测试薄试件应变的传感器组桥方式。

背景技术

通常，应变测量是材料性能与结构力学性能的基本环节，光纤布拉格光栅传感器是目前发展前景较好的传感器，由于其不仅具备传统测量应变传感器的特性，而且具有结构简单、抗电磁干扰、高测量精度、波长编码和易于组网等优点，因此近年在结构工程、岩土工程、电力工程和交通工程的到广泛应用前景。由于基底的物理特性存在一定的差异，在试验件黏贴的位置不同，进行不同封装后的光纤光栅传感器所测得的应变和被测结构的真实应变值不一致。光纤光栅封装方式一般有表面粘贴式封装、嵌入式结构封装、金属薄套管封装、金属片封装、两端夹持固定封装等方式。无论采取哪一种封装方式，都需要对光栅区域部分进行涂敷、胶接或者是基底保护。但与裸光纤光栅相比，不同的胶接层、涂敷层、基底的物理特性存在一定的差异，进行不同封装后的光纤光栅传感器所测得的应变和结构的真实应变值不一致。随着光纤FBG传感器的快速发展，而限制光纤光栅传感器大规模应用的主要因素是缺乏统一的设计理论和制作方法。目前很多学者研究的都是传感器的本身，并未考虑传感器黏贴时所选择的被测件，实际上在真实现场测试时候，会有薄厚不一的被测物，被测物自身的情况对测试结果产生了偏差，影响测量的灵敏度。

因此，需要一种能有效地需要一种能有效地的提高灵敏度测量的用于测试薄试件应变的传感器组桥方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测试薄试件应变的传感器组桥方式，所述组桥方式包括如下步骤：

a)制作基片式光纤FBG应变传感器，将FBG光纤黏贴在基片的基片槽内制成第一片基片式光纤FBG应变传感器；

b)重复步骤a)制作第二片基片式光纤FBG应变传感器；

c)对薄试件上下表面进行打磨和清洗；

d)将步骤a)所述的第一片基片式光纤FBG应变传感器和步骤b)所述的第二片基片式光纤FBG应变传感器黏贴在步骤c)所述的薄试件上下表面；

e)将步骤d)中所述的第一片基片式光纤FBG应变传感器和第二片基片式光纤FBG应变传感器表面用环氧树脂胶进行涂层，并在常温下固化24h。

优选地，所述的传感器组桥方式，所述所述光纤FBG选用光谱反射率达≥90％的切趾FBG。

优选地，所述的传感器组桥方式，所述基片与所述薄试件均采用7075T6铝材。

优选地，所述的传感器组桥方式，所述光纤FBG在基片槽内采用高温环氧树脂353ND黏贴。

优选地，所述的传感器组桥方式，步骤c)中在所述薄试件上下表面相同的位置进行打磨和清洗。

优选地，所述的传感器组桥方式，步骤d)中在所述薄试件上下表面相同的位置黏贴基片式光纤FBG应变传感器。

优选地，所述的传感器组桥方式，所述基片式光纤FBG应变传感器与薄试件表面采用环氧树脂共和33A黏贴。

优选地，所述的传感器组桥方式，所述光纤FBG上设有保护套，所述保护套与测试件两端采用快速固化胶302粘贴。

优选地，所述的传感器组桥方式，所述步骤c)中的打磨方式为用砂纸与待贴面±45度方向打磨。

优选地，所述的传感器组桥方式，所述步骤c)中的清洗选用无水或丙酮作清洗剂。本发明提供的一种用于测试薄试件应变的组桥方式采用薄试件上下表面相同位置对称设置基片式光纤FBG应变传感器可以平衡薄试件的局部变形，对现场测量薄试件应变具有重要意义。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出传统基片传感器的截面图；

图2示出了光纤光栅传感器的应力分析图；

图3示意性示出本发明一个实施例中基片式光纤FBG应变传感器的示意图；

图4示出了本发明实施例中薄试件上下表面面黏贴应变传感器的示意图；

图5示出了本发明的测试系统示意图；

图6示出了本发明实施例中薄试件上下表面黏贴应变传感器得到的传感器中心波长与应变关系曲线。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

基片式光纤FBG传感器的理论模型是假定传感器所用材料都是线弹性、假设纤芯与包层有相同的机械性能且基片式光纤布拉格光栅传感器与被测试验件无相对滑移，得出光纤光栅与试验件的粘结平均应变传递关系，最终得到应变传递系数。如图1所示传感器截面图，光纤光栅102设有粘贴保护层101，光栅基底103通过基底粘贴层104与被测试件105粘贴，图2所示，σ_n、σ_g、σ_c、σ_j、σ_m分别为光纤粘结层、光纤布拉格光栅、基底、基底粘结层和被测试件的轴向应力，dσ_n、dσ_g、dσ_c、dσ_j、dσ_m分别为光纤粘结层、光纤布拉格光栅、基底、基底粘结层和被测试件微单元的轴向应力；τ_ng、τ_gc、τ_cj、τ_jm分别为各相邻层间的剪切应力；传感器的宽度为b，传感器粘结长度为2L，光栅半径为γ_g。

在基片式光纤光栅应变传感器沿x方向任取微元，对各层进行力学分析，根据力学平衡和边界条件边界条件ε_(-L)＝ε_(L)＝0，最终得到光纤光栅应变与被测试验件之间轴向应变传递关系为

$\stackrel{\‾}{a}=\frac{\mathrm{\ϵ}m}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}g}}=\[1-\frac{tan(h\·(k\·L\left)\right)}{k\·L}\]---\left(1\right)$

其中k值如下

$\frac{1}{k^2}=\frac{E_c{h}_j}{G_j}\[h_c+\frac{{{\mathrm{\π\γ}}_g}^2{E}_g}{{\mathrm{bE}}_c}\]+\frac{{h_c}^2{E}_c}{2G_c}-\frac{E_g}{G_n}\[\frac{{{\mathrm{\π\γ}}_g}^2}{b}+\frac{{\mathrm{\γ}}_g}{2}\]\[\frac{h_n}{4}-\frac{{\mathrm{\γ}}_g}{2}\]---\left(2\right)$

其中，n、g、c、j分别为光栅粘结层、光纤光栅层、基底层和基底粘结层，E是该层材料的弹性模量，G为该层材料的剪切模量，h为该层材料的厚度，由理论推导得出在传感器材料确定情况下，h与L是影响应变传递效率主要因素。

在所有引起光栅Bragg波长移位的因素中，最直接的是应力、应变参量。引起波长移位可由方程式(3)来说明：

λ_B＝2n_eff*Λ(3)

L为FBG波长，neff的纤芯的有效折射率，Λ为光栅周期。FBG波长的漂移与应变与温度的关系为

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}+(\mathrm{\ξ}+a)\mathrm{\Δ}T---\left(4\right)$

下面具体描述本实施例中应用测试薄试件应变的传感器组桥方式测试薄试应变的方法，本实施例中，薄试件体积为280mmx25mmx1.5mm，材质为7075T6的铝材。如图3所示本发明一个实施例中基片式光纤FBG应变传感器的示意图；图4所示本发明实施例中薄试件上下表面面黏贴应变传感器的示意图，将光谱反射率达≥90％的切趾光纤FBG203采用高温环氧树脂353ND黏贴在基片204的基片槽205内制成第一片基片式光纤FBG应变传感器206a和第二片基片式光纤FBG应变传感器206b。在薄试件202两端夹持部位40mm处用铅笔和直尺对基片式光纤FBG应变传感器粘贴的位置进行标记，薄试件待贴面沿±45度方向用砂纸进行打磨处理，并用无水乙醇或丙酮清洗干净，同时用无水乙醇清洗工具、玻璃纸和基片式光纤FBG传感器表面。将第一片基片式光纤FBG应变传感器206a采用环氧树脂共和33A黏贴在薄试件202上表面，第二片基片式光纤FBG应变传感器206b采用环氧树脂共和33A黏贴在薄试件202下表面，薄试件上下表面黏贴位置相同并对称。第一片基片式光纤FBG应变传感器206a和第二片基片式光纤FBG应变传感器206b表面涂上环氧树脂胶DP420(胶配比1:1，15minutes内使用)，沿传感器方向挤出气泡和多余胶液，并在常温下固化24h。固化后光纤光栅中心波1533.153nm。

图5示出了本发明的测试系统示意图，搭建应变测试系统，所述系统包括基片式光纤FBG应变传感器206、耦合器207、ASE宽带光源208、C+L波段Ebsen解调器209和计算机210。基片式光纤FBG应变传感器206与耦合器207一端连接，耦合器另一端连接ASE宽带光源208和C+L波段Ebsen解调器209，解调器209另一端与计算机210连接。基片204与薄试件202均采用7075T6铝材，基片式光纤FBG上设有保护套201，保护套201与薄试件202两端采用快速固化胶302粘贴。本实施例中，薄试件202体积280mmx25mmx1.5mm，有效受力体积280mmx25mmx1.5mm。光源经过耦合器207入射到光栅，光栅的栅区受外界作用力产生形变，解调器209将反射回来光解调为特定中心波长值，上位计算机210显示对薄试件的应变值。

在室温中采用30吨MTS拉伸机将薄试件两端各夹持40mm，引伸计夹持在黏贴基片式光纤FBG应变传感器的位置。以0.02mm/s缓慢施加拉伸载荷，加载100s对应薄实验件拉伸3000με，同时记录光纤FBG应变传感器中心波长变化。绘制基片光纤FBG应变传感器中心波长与应变关系曲线，如图6所示。本实施例中，薄试件上下表面相同位置分别黏贴同质同型号的基片式光纤FBG应变传感器，能够有效平衡掉薄试件的局部变形，提高传感器的测量灵敏度，对薄试件测量更加精确。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种用于测试薄试件应变的传感器组桥方式，其特征在于，所述组桥方式包括如下步骤：

a)制作基片式光纤FBG应变传感器，将FBG光纤黏贴在基片的基片槽内制成第一片基片式光纤FBG应变传感器；

b)重复步骤a)制作第二片基片式光纤FBG应变传感器；

c)对薄试件上下表面进行打磨和清洗；

d)将步骤a)所述的第一片基片式光纤FBG应变传感器和步骤b)所述的第二片基片式光纤FBG应变传感器黏贴在步骤c)所述的薄试件上下表面；

e)将步骤d)中所述的第一片基片式光纤FBG应变传感器和第二片基片式光纤FBG应变传感器表面用环氧树脂胶进行涂层，并在常温下固化24h。

2.根据权利要求1所述的传感器组桥方式，其特征在于，所述光纤FBG选用光谱反射率达≥90％的切趾FBG。

3.根据权利要求1所述的传感器组桥方式，其特征在于，所述基片与所述薄试件均采用7075T6铝材。

4.根据权利要求1所述的传感器组桥方式，其特征在于，所述光纤FBG在基片槽内采用高温环氧树脂353ND黏贴。

5.根据权利要求1所述的传感器组桥方式，其特征在于，步骤c)中在所述薄试件上下表面相同的位置进行打磨和清洗。

6.根据权利要求1所述的传感器组桥方式，其特征在于，步骤d)中在所述薄试件上下表面相同的位置黏贴基片式光纤FBG应变传感器。

7.根据权利要求1或6所述的传感器组桥方式，其特征在于，所述基片式光纤FBG应变传感器与薄试件表面采用环氧树脂共和33A黏贴。

8.根据权利要求1所述的传感器组桥方式，其特征在于，所述光纤FBG上设有保护套，所述保护套与测试件两端采用快速固化胶302粘贴。

9.根据权利要求1或5所述的传感器组桥方式，其特征在于，所述步骤c)中的打磨方式为用砂纸与待贴面±45度方向打磨。

10.根据权利要求1或5所述的传感器组桥方式，其特征在于，所述步骤c)中的清洗选用无水或丙酮作清洗剂。