CN107907069A - 一种基片式温度应变测量fbg传感器及性能测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基片式温度应变测量FBG传感器，其特征在于：包括基片、第一FBG第二FBG；所述第一FBG第二FBG从左到右依次设置在基片上；所述第一FBG通过DP420胶水与基板之间进行粘接，所述第二FBG通过353ND胶水与基板之间进行粘接；所述基片上分别均匀开设有固定孔；所述S1中所述的测试系统包括环形器、Fluke水浴箱、宽带光源和解调仪，所述宽带光源的输出端与环形器的输入端电性连接；所述Fluke水浴箱内放置的FBG传感器通过导线与环形器电性连接；该基片式温度应变测量FBG传感器及性能测试方法，本发明不但温度应变解耦，且同时达到温度应变解耦作用；传感器可以同时测量温度与应变，且应变灵敏度提高倍。
Description
技术领域
本发明涉及FBG温度传感器技术领域，具体为一种基片式温度应变测量FBG传感器及性能测试方法。
背景技术
光纤材料是二氧化硅，一种脆性易碎材料，韧性差、剪切能力弱，对其进行保护显得尤为重要，封装工艺对FBG传感性能有很大影响。探索FBG传感器增敏和去敏的可能方式、以及封装、粘附技术和新结构工艺尤为重要。
现有的FBG温度传感器，其对温度具有较强的敏感性，在生产过程中不易对其性能进行控制，在某些特殊情况，希望同时测量应变与温度，且温度应变同时增敏，满足不了用户的需求，使用具有局限性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基片式温度应变测量FBG传感器及性能测试方法，解决了背景技术中提出的困难问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基片式温度应变测量FBG传感器，其特征在于：包括基片、第一FBG第二FBG；所述第一FBG第二FBG从左到右依次设置在基片上；所述第一FBG通过DP420胶水与基板之间进行粘接，所述第二FBG通过353ND胶水与基板之间进行粘接；所述基片上分别均匀开设有固定孔。
作为本发明的进一步优选方案，传感器封装具体包括如下步骤：
步骤1、用砂纸将基片两端圆孔周围按照与第一FBG固定轴线呈45°方向打磨，用脱脂棉蘸酒精洗净备用；
步骤2、选取中心波长为1548.620nm的第一FBG与中心波长为1552.012nm的第二FBG，同时将加热台温度加热到80℃，将基片放置到加热台上，维持好加热台的温度；
步骤3、了防止353ND胶水流动，将导热硅脂涂覆到第二FBG3固定点旁边，为了防止高温下353ND胶水固化后预紧力会减少，第二FBG中心波长增加2nm；
步骤4、待第二FBG中心波长数值相对稳定后，用DP420胶水以覆盖式固定将第一FBG与基片进行固定，固化完成后，读取中心波长。
作为本发明的进一步优选方案，一种基片式温度应变测量FBG传感器性能测试方法，包括如下步骤：
S1、首先选取需要检测的FBG传感器，将FBG传感器接入测试系统中，即将FBG传感器置于Fluke水浴箱中；
S2、通过控制器控制Fluke水浴箱中的温度值，使其Fluke水浴箱中的水温控制在10℃-80℃；
S3、在FBG传感器置于Fluke水浴箱过程中，工作人员每隔30分钟对Fluke水浴箱内的水进行升温、每次升温为5℃，并记录稳定后FBG传感器的中心波长值；
S4、通过统计不同温度值下FBG传感器的中心波长值，并将统计后的数据值属于计算公式进行计算对比，即完成了FBG传感器性能测试的整个过程。
作为本发明的进一步优选方案，所述Fluke水浴箱的控温稳定性0.006℃，水浴槽均匀性0.007℃。
作为本发明的进一步优选方案，所述S1中所述的测试系统包括环形器、Fluke水浴箱、宽带光源和解调仪，所述宽带光源的输出端与环形器的输入端电性连接；所述环形器的输出端与解调仪的输入端电性连接；所述Fluke水浴箱内放置的FBG传感器通过导线与环形器电性连接。
作为本发明的进一步优选方案，一种基片式温度应变测量FBG传感器，FBG传感器中的应变为：
应注意，区段A和B分别表示为tA和tB的厚度。假设每个部分中的应变分布是均匀的，则考虑传感器的平衡得：
EAAAεA＝EBABεB
式中E为基片的弹性模量，A为基片的横截面积，ε为应变。，将上述公式进行综合得到传感器应变与FBG应变关系得：
定义传感器应变到FBG应变关系为灵敏度增敏系数K，则
灵敏度系数K小于1的应变灵敏度系数使得高应变的测量成为可能，大与1的应变增敏系数，使得高灵敏度成为可能。
作为本发明的进一步优选方案，一种基片式温度应变测量FBG传感器性能测试方法，对S3中形成的中心波长线随温度变化进行处理，由于第一FBG是全覆盖式封装，利用最小二乘法拟合可得：
式中第一FBG温度灵敏度系数为21.01pm/℃，第二FBG温度灵敏度系数为38.17pm/℃，x1为温度测量点，y1与y2双FBG的中心波长。
有益效果
本发明提供了一种基片式温度应变测量FBG传感器及性能测试方法。具备以下有益效果：
该基片式温度应变测量FBG传感器及性能测试方法，与其它FBG传感器，本发明不但温度应变解耦，且同时达到温度应变解耦作用；传感器可以同时测量温度与应变，且应变灵敏度提高倍；实用性强，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明的传感器结构及封装方式图；
图2为本发明的传感器温度标定系统图；
图3为本发明的应变增敏结构图；
图4为本发明的应变增敏有限元分析图；
图5为本发明的FBG传感器中心波长与温度关系曲线图；
图中：1-基片、2-第一FBG、3-第二FBG、4-固定孔、5-环形器、6-Fluke水浴箱、7-宽带光源、8-解调仪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种基片式温度应变测量FBG传感器，包括基片1、第一FBG2第二FBG3；所述第一FBG2第二FBG3从左到右依次设置在基片1上；所述第一FBG2通过DP420胶水与基板1之间进行粘接，所述第二FBG3通过353ND胶水与基板1之间进行粘接；所述基片1上分别均匀开设有固定孔4。
传感器封装具体包括如下步骤：
步骤1、用砂纸将基片1两端圆孔周围按照与第一FBG2固定轴线呈45°方向打磨，用脱脂棉蘸酒精洗净备用；
步骤2、选取中心波长为1548.620nm的第一FBG2与中心波长为1552.012nm的第二FBG3，同时将加热台温度加热到80℃，将基片1放置到加热台上，维持好加热台的温度；
步骤3、了防止353ND胶水流动，将导热硅脂涂覆到第二FBG3固定点旁边，为了防止高温下353ND胶水固化后预紧力会减少，第二FBG3中心波长增加2nm；
步骤4、待第二FBG3中心波长数值相对稳定后，用DP420胶水以覆盖式固定将第一FBG2与基片1进行固定，固化完成后，读取中心波长。
一种基片式温度应变测量FBG传感器性能测试方法，包括如下步骤：
S1、首先选取需要检测的FBG传感器，将FBG传感器接入测试系统中，即将FBG传感器置于Fluke水浴箱中；
S2、通过控制器控制Fluke水浴箱中的温度值，使其Fluke水浴箱中的水温控制在10℃-80℃；
S3、在FBG传感器置于Fluke水浴箱过程中，工作人员每隔30分钟对Fluke水浴箱内的水进行升温、每次升温为5℃，并记录稳定后FBG传感器的中心波长值；
S4、通过统计不同温度值下FBG传感器的中心波长值，并将统计后的数据值属于计算公式进行计算对比，即完成了FBG传感器性能测试的整个过程。
一种基片式温度应变测量FBG传感器性能测试方法，所述Fluke水浴箱的控温稳定性0.006℃，水浴槽均匀性0.007℃。
设置材料属性为航空铝合金7075T6；使用四面体元件(tet10)进行网格化；设置边界条件，固定传感器左面；载荷加载，在传感器右端施加-5×108N/m2的压力，将规定的载荷应用于传感器以模拟特定的应变输入，以模拟900με的应变水平。基片材料为铝合金7075T6，材料特性如表1。从图3中可以看出，应变测量敏感点FBG2所在位置产生的应变是真个应变的平均水平的1.8倍左右，从而达到应变增敏的效果。传感器尺寸中L＝50mm，LA＝16.5mm，HB＝H＝8mm。其中传感器厚度及材料A部分与B部分一样。则增敏系数：
模态分析可以研究传感器的动力特性，分析传感器的固有频率及对应的模态，避免出现共振，设计的FBG应变传感器的固有频率最好不与飞机被测结构动力实验中的激励频率重合，设计准则不小于10～20％的激振频率。由于结构固有的圆周频率：
结构固有频率为f＝w/2π，测量件的质量远大于传感器，所以其前几阶模态频率都不高，一般分析前16阶模态，其对应的前16阶对应的共振频率为表2，若是被测件结构激励频率在传感器模态频率附近，应该通过修改尺寸或材料等手段，以避免发生共振，造成传感器的破坏。
对设计的传感器结构进行静载荷分析，计算FBG传感器中的应变分布及增敏原理。
设置材料属性为航空铝合金7075T6；使用四面体元件(tet10)进行网格化；设置边界条件，固定传感器左面；载荷加载，在传感器右端施加-5×108N/m2的压力，将规定的载荷应用于传感器以模拟特定的应变输入，以模拟900με的应变水平。基片材料为铝合金7075T6，材料特性如表1。
表1环氧树脂DP420
图4显示出了对于外加拉力的固定装置中的应变云图。从图中可以看出，应变测量敏感点FBG2所在位置产生的应变是真个应变的平均水平的1.8倍左右，从而达到应变增敏的效果。传感器尺寸中L＝50mm，LA＝16.5mm，HB＝H＝8mm。其中传感器厚度及材料A部分与B部分一样。则增敏系数：
模态分析可以研究传感器的动力特性，分析传感器的固有频率及对应的模态，避免出现共振，设计的FBG应变传感器的固有频率最好不与飞机被测结构动力实验中的激励频率重合，设计准则不小于10～20％的激振频率。由于结构固有的圆周频率：
结构固有频率为f＝w/2π，测量件的质量远大于传感器，所以其前几阶模态频率都不高，一般分析前16阶模态，其对应的前16阶对应的共振频率为表2，若是被测件结构激励频率在传感器模态频率附近，应该通过修改尺寸或材料等手段，以避免发生共振，造成传感器的破。
表2传感器模态分析结果
一种基片式温度应变测量FBG传感器性能测试方法，所述S1中所述的测试系统包括环形器5、Fluke水浴箱6、宽带光源7和解调仪8，所述宽带光源7的输出端与环形器5的输入端电性连接；所述环形器5的输出端与解调仪8的输入端电性连接；所述Fluke水浴箱6内放置的FBG传感器通过导线与环形器5电性连接。
为了预测设计温度补偿传感器结构的灵敏度系数K，对结构进行可行性分析与改进，如图1所示传感器结构及封装方式，温度补偿FBG1采用DP420(参数如表1)进行固化，应变测量点采用353ND进行80℃下固化，防止在较高温固化后会压缩FBG2，使得测量压缩范围变短。
应注意，区段A和B分别表示为tA和tB的厚度。假设每个部分中的应变分布是均匀的，则考虑传感器的平衡得：
EAAAεA＝EBABεB
式中E为基片的弹性模量，A为基片的横截面积，ε为应变。将上述公式结合，得到传感器应变与FBG应变关系得：
定义传感器应变到FBG应变关系为灵敏度增敏系数K，则
灵敏度系数K小于1的应变灵敏度系数使得高应变的测量成为可能，大与1的应变增敏系数，使得高灵敏度成为可能。
一种基片式温度应变测量FBG传感器性能测试方法，对S3中形成的中心波长线随温度变化进行处理，由于第一FBG2是全覆盖式封装，利用最小二乘法拟合可得：
式中第一FBG2温度灵敏度系数为21.01pm/℃，第二FBG3温度灵敏度系数为38.17pm/℃，x1为温度测量点，y1与y2双FBG的中心波长。
对设计的传感器结构进行静载荷分析，计算FBG传感器中的应变分布及增敏原理；可知本设计传感器可以同时测量温度与应变，且应变灵敏度提高倍。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基片式温度应变测量FBG传感器，其特征在于：包括基片(1)、第一FBG(2)第二FBG(3)；所述第一FBG(2)第二FBG(3)从左到右依次设置在基片(1)上；所述第一FBG(2)通过DP420胶水与基板(1)之间进行粘接，所述第二FBG(3)通过353ND胶水与基板(1)之间进行粘接；所述基片(1)上分别均匀开设有固定孔(4)。
2.根据权利要求书所述的一种基片式温度应变测量FBG传感器，其特征在于：传感器封装具体包括如下步骤：
步骤1、用砂纸将基片(1)两端圆孔周围按照与第一FBG(2)固定轴线呈45°方向打磨，用脱脂棉蘸酒精洗净备用；
步骤2、选取中心波长为1548.620nm的第一FBG(2)与中心波长为1552.012nm的第二FBG(3)，同时将加热台温度加热到80℃，将基片(1)放置到加热台上，维持好加热台的温度；
步骤3、了防止353ND胶水流动，将导热硅脂涂覆到第二FBG(3)固定点旁边，为了防止高温下353ND胶水固化后预紧力会减少，第二FBG(3)中心波长增加2nm；
步骤4、待第二FBG(3)中心波长数值相对稳定后，用DP420胶水以覆盖式固定将第一FBG(2)与基片(1)进行固定，固化完成后，读取中心波长。
3.一种基片式温度应变测量FBG传感器性能测试方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、首先选取需要检测的FBG传感器，将FBG传感器接入测试系统中，即将FBG传感器置于Fluke水浴箱中；
S2、通过控制器控制Fluke水浴箱中的温度值，使其Fluke水浴箱中的水温控制在10℃-80℃；
S3、在FBG传感器置于Fluke水浴箱过程中，工作人员每隔30分钟对Fluke水浴箱内的水进行升温、每次升温为5℃，并记录稳定后FBG传感器的中心波长值；
S4、通过统计不同温度值下FBG传感器的中心波长值，并将统计后的数据值属于计算公式进行计算对比，即完成了FBG传感器性能测试的整个过程。
4.根据权利要求3所述的一种基片式温度应变测量FBG传感器性能测试方法，其特征在于：所述Fluke水浴箱的控温稳定性0.006℃，水浴槽均匀性0.007℃。
5.根据权利要求3所述的一种基片式温度应变测量FBG传感器性能测试方法，其特征在于：所述S1中所述的测试系统包括环形器(5)、Fluke水浴箱(6)、宽带光源(7)和解调仪(8)，所述宽带光源(7)的输出端与环形器(5)的输入端电性连接；所述环形器(5)的输出端与解调仪(8)的输入端电性连接；所述Fluke水浴箱(6)内放置的FBG传感器通过导线与环形器(5)电性连接。
6.根据权利要求书所述的一种基片式温度应变测量FBG传感器，其特征在于，FBG传感器中的应变为：
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应注意，区段A和B分别表示为tA和tB的厚度。假设每个部分中的应变分布是均匀的，则考虑传感器的平衡得：
EAAAεA＝EBABεB
式中E为基片的弹性模量，A为基片的横截面积，ε为应变。上面公式进行结合，得到传感器应变与FBG应变关系得：
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定义传感器应变到FBG应变关系为灵敏度增敏系数K，则
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灵敏度系数K小于1的应变灵敏度系数使得高应变的测量成为可能，大与1的应变增敏系数，使得高灵敏度成为可能。
7.根据权利要求3所述的一种基片式温度应变测量FBG传感器性能测试方法，其特征在于：对S3中形成的中心波长线随温度变化进行处理，由于第一FBG(2)是全覆盖式封装，利用最小二乘法拟合可得：
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式中第一FBG(2)温度灵敏度系数为21.01pm/℃，第二FBG(3)温度灵敏度系数为38.17pm/℃，x1为温度测量点，y1与y2双FBG的中心波长。
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