CN105758323A - 一种基于fbg传感器测试薄试件应变的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于FBG应变传感器测量薄试件应变的方法，所述的方法包括，搭建应变测试系统，将光纤FBG黏贴在基片槽内制成基片式光纤FBG应变传感器，将所述基片式光纤FBG应变传感器黏贴在薄试件表面，所述光纤FBG传感器粘接在耦合器一端，所述耦合器另一端连宽带光源和解调器；所述薄试件两端部位夹持在拉伸机上，引伸计夹持在黏贴基片式光纤FBG应变传感器的位置，缓慢施加拉伸载荷对薄试件进行一段时间拉伸。本发明提供的基于FBG应变传感器测量薄试件应变的方法通过对比不同的传感器黏贴方式可以更有效的对应变进行测量。

Description

一种基于FBG传感器测试薄试件应变的方法

技术领域

本发明涉及光纤光栅技术领域，特别涉及一种基于FBG应变传感器测试薄试件应变的方法。

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，需要一种能有效地的提高灵敏度测量的基于FBG应变传感器测试薄试件应变的方法

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于FBG应变传感器测试薄试件应变的方法，所述的方法包括如下步骤：

a)搭建应变测试系统，将光纤FBG黏贴在基片的基片槽内制成基片式光纤FBG应变传感器，将所述基片式光纤FBG应变传感器黏贴在薄试件表面，所述光纤FBG传感器粘接在耦合器一端，所述耦合器另一端连宽带光源和解调器，所述解调器另一端与计算机连接；

b)所述所述薄试件两端部位夹持在拉伸机上，引伸计夹持在黏贴基片式光纤FBG应变传感器的位置，缓慢施加拉伸载荷对薄试件进行一段时间拉伸；

c)记录基片式光纤FBG应变传感器中心波长变化；

d)建立基片式光纤FBG应变传感器有限元模型，在薄试件一个表面黏贴三个所述基片式光纤FBG应变传感器的方式对薄试件进行模拟拉伸测试；

e)在薄试件的上下表面黏贴所述基片式光纤FBG应变传感器的方式对薄试件进行模拟拉伸测试；

f)在薄试件一个表面黏贴三个所述基片式光纤FBG应变传感器，重复步骤a)至步骤b)的过程，记录基片式光纤FBG应变传感器中心波长变化；

g)在薄试件上下表面对称黏贴所述基片式光纤FBG应变传感器，重复步骤a)至步骤b)的过程，记录基片式光纤FBG应变传感器中心波长变化；

h)根据步骤c)、步骤f)或步骤g)记录的基片式光纤FBG应变传感器中心波长与所述拉伸载荷绘制波长—应变曲线。

优选地，所述的测试薄试件应变的方法，所述步骤a)中所述的光纤FBG选用光谱反射率达≥90％的切趾FBG。

优选地，所述的测试薄试件应变的方法，所述基片与所述薄试件均采用铝7075T6。

优选地，所述的测试薄试件应变的方法，所述步骤a)中光纤FBG在基片槽内采用高温环氧树脂353ND黏贴，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，所述的测试薄试件应变的方法，所述的基片式FBG应变传感器表面用环氧树脂胶进行薄涂层，并在常温下固化24h。

优选地，所述的测试薄试件应变的方法，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，所述的测试薄试件应变的方法，步骤a)中所述的宽带光源为ASE宽带光源，所述解调器为C+L波段Ebsen解调器。

优选地，所述的测试薄试件应变的方法，所述步骤b)中薄试件两端各夹持40mm，所述缓慢施加拉伸载荷以0.02mm/s的速率加载。

优选地，所述的测试薄试件应变的方法，所述薄试件在黏贴基片式光纤FBG应变传感器前对待贴面进行打磨和清洗。

优选地，所述的测试薄试件应变的方法，所述的打磨方式为用砂纸与待贴面±45度方向打磨，所述清洗选用无水或丙酮作清洗剂。

本发明所提供的一种基于FBG应变传感器测量薄试件应变的方法通过对比不同的传感器黏贴方式可以更有效的对应变进行测量。

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示意性示出了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示出了本发明一个实施例中薄试件一面黏贴一个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示出了本发明一个实施例中薄试件一面黏贴一片应变传感器得到的传感器中心波长与应变关系曲线；

图7示出了本发明一个实施例中薄试件一面黏贴三个应变传感器的示意图；

图8示出了本发明一个实施例中薄试件一面黏贴三个应变传感器得到的传感器中心波长与应变关系曲线；

图9示出了本发明一个实施例中薄试件双面黏贴应变传感器的示意图；

图10示出了本发明一个实施例中薄试件双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所示传统传感器截面图，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所示的光纤光栅传感器的应力分析图，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}}=\[1-\frac{tan(h\·(k\·L))}{h\·L}\]---\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基于基片式光纤FBG应变传感器测试薄试件应变的方法，本实施例中，薄试件体积为280mmx25mmx1.5mm，材质为7075T6的铝材。如图3所示本发明基片式光纤FBG应变传感器的示意图；图4所示本发明薄试件一面黏贴一个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内制成基片式光纤FBG应变传感器206。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。将基片式光纤FBG应变传感器206采用环氧树脂共和33A黏贴在薄试件202表面。基片式光纤FBG传感器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。

如图5所示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。绘制基片式光纤FBG应变传感器中心波长与应变关系曲线，如图6所示。

建立基片式光纤FBG应变传感器限元模型，对薄试件进行模拟拉伸测试。建立的模型中，薄试件一个表面黏贴三个基片式光纤FBG应变传感器，两边的应变传感器对称设置黏贴，对建立的三个基片式光纤FBG应变传感器进行模拟拉伸测试，根据模拟计算分析得到薄试件变形有所改善，但并未达到优化要求。建立薄试件的上下表面黏贴传感器模型，模型中，上下表面粘贴的传感器光纤光栅同质通型号，对建立的上下表面对称设置基片式光纤FBG应变传感器的薄试件进行模拟拉伸测试，根据模拟计算分析，具体分析方法如下：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_1+(\mathrm{\ξ}+a)\mathrm{\Δ}T---\left(5\right)$

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_2+(\mathrm{\ξ}+a)\mathrm{\Δ}T---\left(6\right)$

由于光栅粘贴位置的应变相等符号相反ε＝ε₁＝-ε₂，则式(5)与(6)相减，可得

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_1}-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_2}=2(1-P_e){\mathrm{\ϵ}}_2---\left(7\right)$

选定光纤光栅后，光栅初始波长为确定值，则两光栅波长差变化与应变成正比，并消除了温度的影响。根据模拟计算和对计算结果分析，可以得知在薄试件上下表面对称设置可以平衡掉薄试件的局部变形。

有限元模型结果进行试验验证：

一，对薄试件一个表面黏贴三个所述基片式光纤FBG应变传感器的方式进行试验验证，如图7所示本发明薄试件一面黏贴三个应变传感器的示意图，将光谱反射率达≥90％的切趾FBG采用高温环氧树脂353ND黏贴在基片的基片槽内制成基片式光纤FBG应变传感器206(206a、206b和206c)。在薄试件两端夹持部位40mm处用铅笔和直尺标记光纤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、玻璃纸和传感器表面。将三个基片式光纤FBG应变传感器206采用环氧树脂共和33A黏贴在薄试件202表面，如图7，基片式光纤FBG应变传感器206a与基片式光纤FBG应变传感器206c相互对称设置，基片式光纤FBG应变传感器206a、基片式光纤FBG应变传感器206c与基片式光纤FBG应变传感器206b之间间隔10mm-20mm。传感器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。

基片式光纤FBG传感器连接在耦合器一端，耦合器另一端连接宽带光源和解调器。基片与薄试件均采用铝7075T6，光纤FBG上设有保护套，保护套与测试件两端采用快速固化胶302粘贴。本实施例中，薄试件体积280mmx25mmx1.5mm，有效受力体积280mmx25mmx1.5mm。光源经过耦合器入射到光栅，光栅的栅区受外界作用力产生形变，解调仪将反射回来光解调为特定中心波长值，上位机显示对应薄试件的应变值。

在室温中采用30吨MTS拉伸机将薄实验件两端各夹持40mm，引伸计夹持在黏贴光纤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8所示。

二，对薄试件上下表面对称黏贴基片式光纤FBG应变传感器的方式进行试验验证，如图9所示本发明薄试件双面黏贴应变传感器的示意图，将光谱反射率达≥90％的切趾FBG采用高温环氧树脂353ND黏贴在基片的基片槽内制成基片式光纤FBG应变传感器。在薄试件两端夹持部位40mm处用铅笔和直尺标记光纤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、玻璃纸和传感器表面。将基片式光纤FBG应变传感器206采用环氧树脂共和33A黏贴在薄试件202上下两个表面相同的位置。传感器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。

基片式光纤FBG传感器连接在耦合器一端，耦合器另一端连接宽带光源和解调器。基片与薄试件均采用铝7075T6，光纤FBG上设有保护套，保护套与测试件两端采用快速固化胶302粘贴。本实施例中，薄试件体积280mmx25mmx1.5mm，有效受力体积280mmx25mmx1.5mm。光源经过耦合器入射到光栅，光栅的栅区受外界作用力产生形变，解调仪将反射回来光解调为特定中心波长值，上位机显示对应薄试件的应变值。

在室温中采用30吨MTS拉伸机将薄实验件两端各夹持40mm，引伸计夹持在黏贴光纤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10所示。

本实施例中，通过对薄试件一个表面黏贴一片基片式光纤FBG应变传感器、薄试件一个表面黏贴三片基片式光纤FBG应变传感器和薄试件上下表面相同位置对称设置基片式光纤FBG应变传感器的不同的黏贴方式可以更有效的对应变进行测量，从而达到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)

1.一种基于FBG应变传感器测试薄试件应变的方法，其特征在于，所述的方法包括如下步骤：

a)搭建应变测试系统，将FBG光纤黏贴在基片的基片槽内制成基片式光纤FBG应变传感器，将所述基片式光纤FBG应变传感器黏贴在薄试件表面，所述光纤FBG传感器粘接在耦合器一端，所述耦合器另一端连宽带光源和解调器，所述解调器另一端与计算机连接；

b)所述所述薄试件两端部位夹持在拉伸机上，引伸计夹持在黏贴基片式光纤FBG应变传感器的位置，缓慢施加拉伸载荷对薄试件进行一段时间拉伸；

c)记录基片式光纤FBG应变传感器中心波长变化；

d)建立基片式光纤FBG应变传感器有限元模型，在薄试件一个表面黏贴三个所述基片式光纤FBG应变传感器的方式对薄试件进行模拟拉伸测试；

e)在薄试件的上下表面黏贴所述基片式光纤FBG应变传感器的方式对薄试件进行模拟拉伸测试；

f)在薄试件一个表面黏贴三个所述基片式光纤FBG应变传感器，重复步骤a)至步骤b)的过程，记录基片式光纤FBG应变传感器中心波长变化；

g)在薄试件上下表面对称黏贴所述基片式光纤FBG应变传感器，重复步骤a)至步骤b)的过程，记录基片式光纤FBG应变传感器中心波长变化；

h)根据步骤c)、步骤f)或步骤g)记录的基片式光纤FBG应变传感器中心波长与所述拉伸载荷绘制波长—应变曲线。

2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤a)中所述的光纤FBG选用光谱反射率达≥90％的切趾FBG。

3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述基片与所述薄试件均采用铝7075T6。

4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤a)中光纤FBG在基片槽内采用高温环氧树脂353ND黏贴，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。

5.根据权利要求1或4所示的测试方法，其特征在于，所述的基片式光纤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。

6.根据权利要求1所述的测试方法，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。

7.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，步骤a)中所述的宽带光源为ASE宽带光源，所述解调器为C+L波段Ebsen解调器。

8.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述步骤b)中薄试件两端各夹持40mm，所述缓慢施加拉伸载荷以0.02mm/s的速率加载。

9.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述薄试件在黏贴基片式光纤FBG应变传感器前对待贴面进行打磨和清洗。

10.根据权利要求9所述的测试方法，其特征在于，所述的打磨方式为用砂纸与待贴面±45度方向打磨，所述清洗选用无水或丙酮作清洗剂。