CN110823120B - 表贴式光纤光栅应变传感器测量误差的补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿方法属于光纤光栅应变传感技术领域，涉及一种表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿方法。该方法先设计了表贴式光纤光栅应变传感器支座，在构件上安装表贴式光纤光栅应变传感器后，利用高精度钩码对构件加载。采用应变解调仪以及电脑服务器对应变传感器测量的波长变化值进行解调处理，获取测点的应变。建立相应的表贴式光纤光栅应变传感器应变测量误差补偿模型，对多个测点的测量应变进行补偿。实现表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿过程。利用有限元模型对补偿效果进行验证，证明该方法误差补偿效果好，过程简单，易操作，提升了表贴式光纤光栅应变传感器的测量准确度和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光纤光栅应变传感技术领域，涉及一种表贴式光纤光栅应变传感器测量误差的补偿方法。
背景技术
当前世界各国竞先发展航空航天事业，大力推动航天以及航空飞行器的研究发展。在航天和临近空间领域，飞行器的太阳能帆板多采用轻质材料和减重设计，从而使得结构的柔性变大，在运行过程中容易产生较大变形及振动；航空领域中飞机机翼结构具有面积大、重量轻、高柔性等特点，因此飞行过程中机翼结构在各种载荷的集中作用下容易产生较大变形。而应变是表征结构安全的重要指标，通常通过检测结构的应变来评估构件的健康状况。由于表贴式光纤光栅应变传感器具有质量轻、精度高、抗干扰性强、可分布式测量等特点，性能相较应变片更优异，作为应变测量的强大工具，正逐渐在航空航天等各个领域取代传统应变片传感器成为主流。由于表贴式光纤光栅应变传感器需要粘贴在构件表面进行应变测量，通常情况下，为保持传感器的测量准确性及稳定性，需加装支座，常见的支座结构不利于传感器稳定粘贴及准确测量，因而需要一种利于传感器粘贴的结构。在表贴式光纤光栅应变传感器测量时，因为传感器与被测表面存在一定间距，其测量值并不是测点的真实应变值，所以应对传感器应变测量值进行应变测量误差补偿，使测量值的准确性进一步提升，满足工程使用需求。
韩熠等人2015年专利号为201510816256.4的专利《一种用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿方法》中提出了一种用于带有封装的光纤光栅应变传感器温度补偿方法，通过记录应变测试开始时刻和进行过程中的环境温度、确定封装类型、选用相应的经验公式进行计算，即可获得高精度的温度补偿。该方法适用于各类带有封装的光纤光栅应变传感器且不需要额外布设参考传感器，有效降低补偿成本。但该方法操作较为繁琐，且适用面窄。
王立刚2018年专利号为201811591154.7的专利《一种高精度补偿的谐振式应变传感器》中提出了一种高精度补偿的谐振式应变传感器，该方法主要对应变传感器的电路部分进行优化，进而达到应变测量补偿的目的，具有高精度、安全性强、准确度高等特点，但对于应变测量误差产生因素的分析及补偿不够全面。
郑狄等人2019年专利号为201910019682.3的专利《一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感》中提出了一种可实现轴向应变补偿的光纤弯曲传感器，利用单模光纤在弯曲时其FBG的中心波长漂移仅受轴向应变的影响，来补偿在曲率解调时偏芯光纤引入的轴向应变，消除了传统曲率传感器存在的曲率测量误差，实现纯曲率值及弯曲方向的测量。但该方法对于传感器的制作精度要求较高，适用度不广。
发明内容
本发明要解决的技术难题是，发明了一种表贴式光纤光栅应变传感器测量误差的补偿方法。该方法设计了一种表贴式光纤光栅应变传感器支座，在构件上安装表贴式光纤光栅应变传感器后，利用高精度钩码对构件进行加载；同时，采用应变解调仪以及电脑服务器对应变传感器测量的波长变化值进行解调处理，获取测点的应变。然后，建立相应的表贴式光纤光栅应变传感器应变测量误差补偿模型，对多个测点的测量应变进行补偿。并采用了有限元仿真分析的应变补偿效果验证，证明该方法具有很好的误差补偿效果。该方法过程简单，易操作，提升了表贴式光纤光栅应变传感器的测量准确度和稳定性。
本发明采用的技术方案是一种表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿方法，该方法设计了一种表贴式光纤光栅应变传感器支座，在构件上安装表贴式光纤光栅应变传感器后，利用高精度钩码对构件进行加载；同时，采用应变解调仪以及电脑服务器对应变传感器测量的波长变化值进行解调处理，获取测点的应变；然后，建立相应的表贴式光纤光栅应变传感器应变测量误差补偿模型，对多个测点的测量应变进行补偿；实现基于表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿过程。方法的具体步骤如下：
第一步表贴式光纤光栅应变传感器支座的设计
首先确定光纤光栅传感器B的长度及直径，然后对光纤光栅传感器支座A进行配套的设计，外观及体积的设计可根据使用需要进行更改，支座A下底面即与被测构件D粘贴的面，加工有储胶槽C，储胶槽C长与宽依据粘贴面积大小进行配套设计，高度不应高于2mm，避免粘贴时胶水的过量溢出，最后，将光纤光栅传感器支座A与光纤光栅传感器B组装到一起后，用胶水将装有光纤光栅传感器B的支座粘贴到被测构件2上；
第二步组装表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿实验系统，进行载荷作用下构件应变测量；
首先根据被测构件2的结构参数将固定装置1安装在实验平台上，然后将被测构件2安装在固定装置1对应位置处，根据被测构件2实际受力情况，将高精度钩码4安装在被测构件2的对应位置上，并使高精度钩码4处于稳定不摆动状态，再将光纤光栅传感器3与应变解调仪6连接，将应变解调仪6与电脑服务器5连接，待上述系统稳定后，利用应变传感器3采集构件型面多点的应变值，最后利用电脑服务器5进行数据采集及处理。
第三步建立表贴式光纤光栅应变传感器应变测量误差补偿模型
根据材料力学梁结构承受弯曲载荷的微分方程：
其中，x为被测构件长度方向坐标，w为测点处的挠度，M为被测构件所受弯曲载荷，E为材料弹性模量，I为x位置处梁截面的惯性矩。
假设在x位置被测构件表面到其中性面的距离为y，则其表面应力σ(x)与载荷关系为：
从被测构件表面上截取相距为dx的一段，根据平面假设，变形前相距为dx的2个横截面，变形后各自绕中性面相对旋转角度dθ,并仍保持为平面，使得距中性层为w的一段长度l变为：
l＝(ρ+w)dθ (3)
其中，ρ为中性面的曲率半径。由于距中性层为w的一段在变形前的原长为ρdθ，根据应变的定义，求得距中性层为w的这一段微小长度的应变为：
设被测构件厚度为h，被测构件弯曲曲率半径为R，传感器支座由其圆形孔圆心到粘贴表面的高度为h1，传感器应变测量值为εFBG，被测构件测点应变真值εS，补偿系数α，则在传感器粘贴在弯曲构件的伸展表面上时，补偿系数为：
传感器粘贴在弯曲构件的压缩表面上时，补偿系数为：
对于不同的测量工作情况，选择相应的参数带入(5)(6)式中，求出相应的应变补偿系数，对传感器的测量应变进行误差补偿。
通过上述步骤最终完成基于表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿。
本发明的有益效果是该补偿方法利用经典材料力学理论结合应变与测量点之间的物理、几何关系，对表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差进行误差溯源，构建新型测点应变测量误差补偿模型，得到传感器不同工作状态下的应变补偿系数，对传感器测量误差进行了有效的补偿。该补偿方法分别从表贴式光纤光栅应变传感器自身物理结构和工作中的测量误差补偿模型，两个方面提高了表贴式光纤光栅应变传感器的工作稳定性和测量准确度，并通过传感器测量应变补偿效果会以有限元分析的方式得到验证。大幅提升了传感器应变测量的效果，有效解决了表贴式光纤光栅应变传感器安装不稳定、测量准确度差、自身无误差补偿算法等问题。方法过程简单，易操作，具有良好的应用前景。
附图说明
图1a)为表贴式光纤光栅应变传感器整体结构轴侧图，图1b)为表贴式光纤光栅应变传感器整体结构剖视图。其中，A-表贴式光纤光栅应变传感器支座，B-表贴式光纤光栅应变传感器，C-储胶槽，D-被测构件。
图2为表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿实验系统示意图。其中，1-固定装置，2-被测构件，3-表贴式光纤光栅应变传感器，4-高精度钩码，5-电脑服务器，6-应变解调仪。
图3为表贴式光纤光栅应变传感器布置示意图。其中，1-6均为应变传感器测点。
图4为表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿方法流程图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
附图1为表贴式光纤光栅应变传感器整体结构示意图，根据表贴式光纤光栅应变传感器B的长度及直径，对表贴式光纤光栅应变传感器支座A进行配套的设计，外观及体积的设计可根据使用需要进行更改。支座A下底面加工有储胶槽C，储胶槽C长与宽可依据粘贴面积大小进行配套设计，高度不应高于2mm，避免粘贴时胶水的过量溢出。将光纤光栅传感器支座A与光纤光栅传感器B进行组装后，粘贴在被测构件D上，即可进行测量工作。
附图2为表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿实验系统示意图，根据被测构件2的结构参数将固定装置1安装在实验平台上，将被测构件2安装在固定装置1对应位置处，根据被测构件2实际受力情况，将3枚5kgF1级钩码4安装在被测构件2自由端的对应位置处，并使F1级钩码4处于稳定不摆动状态，将检测公司的光纤光栅应变传感器3与MOI公司的光纤光栅解调仪6连接，将光纤光栅解调仪6与电脑服务器5连接，待上述系统稳定后，表贴式光纤光栅应变传感器3测量构件型面多点的应变值，利用电脑服务器5进行数据采集与分析，根据表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿模型最终完成传感器应变测量误差的补偿。
附图3为表贴式光纤光栅应变传感器布置示意图。以被测板件的左下端点为原点建立直角坐标系，根据图中1-6号测点的位置，布置对应传感器，即以此布置形式进行不同位置、不同工作条件的传感器应变测量误差补偿实验。
附图4为基于表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿方法流程图。方法的具体步骤如下：
第一步表贴式光纤光栅应变传感器支座的设计
实施例中，使用的表贴式光纤光栅应变传感器B的长度为15mm，直径2mm，传感器支座A下底面为3mm×3mm的正方形，储胶槽C长与宽均为2mm，深度1.5mm，将表贴式光纤光栅应变传感器支座A与传感器B本体进行组装后，粘贴在被测构件D上的对应位置上，如图2、图3所示。
第二步组装表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿实验系统，进行载荷作用下构件应变测量；
被测构件2为一长度为300.50mm，宽度为200.21mm，厚度为3.12mm的长方形板件，材料为6061-T6铝，杨氏模量E＝68.94GPa，密度为2712.63kg/m3。通过将3枚5kgF1级钩码4对被测构件施加静态载荷，待系统稳定后，通过光纤光栅应变传感器3以及光纤光栅解调仪6采集相应的应变值，最后利用电脑服务器5进行数据分析与补偿。
第三步根据表贴式光纤光栅应变传感器应变测量误差补偿模型，通过公式(1)-(3)计算建立应变测量误差补偿模型，通过公式(4)-(6)求取补偿系数，对传感器的测量应变进行误差补偿。
由于传感器粘贴在弯曲构件的伸展表面上，选择传感器应变测量误差补偿模型方程(6)，可得到6个测点的应变测量误差补偿后的值依次为：1654.97με，1633.95με,865.68με,918.99με,156.16με,125.77με。
第四步建立有限元分析模型对重构的构件二维位移场进行验证
被测构件上已经测得6个点的应变值，根据传感器的测量工作情况，求出应变补偿系数，进行应变测量值补偿。对被测构件进行受力仿真分析，得出对应测点的应变真值，求出应变补偿值与真值的误差百分比及原始测量值与真值的误差百分比，进行比较即可完成应变补偿的效果验证。
根据板件自由端受3个分散载荷49.005N，一端固定一端自由的条件建立有限元分析模型，最终分析应变测量误差补偿值与有限元分析模型中对应测点的应变真值，原始应变测量值与有限元分析模型中对应测点的应变真值，求出相应的误差百分比。应变测量误差补偿值与有限元分析模型中对应测点的应变真值的6个点位误差百分比分别为：1.1％，1.3％，1.2％，1.5％，0.9％，1.1％；原始应变测量值与有限元分析模型中对应测点的应变真值的6个点位误差百分比分别为：3.5％，3.6％，3.5％，3.9％，3.1％，3.2％，对比两者的误差百分比，可以看出应变传感器测量值的误差补偿效果十分显著。
Claims (1)
1.一种表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿方法，其特征是，该方法先设计表贴式光纤光栅应变传感器支座，再在构件上安装表贴式光纤光栅应变传感器后，利用高精度钩码对构件进行加载；同时，采用应变解调仪以及电脑服务器对应变传感器测量的波长变化值进行解调处理，获取测点的应变；然后，建立相应的表贴式光纤光栅应变传感器应变测量误差补偿模型，对多个测点的测量应变进行补偿；最终，利用有限元模型对补偿效果进行验证，实现基于表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿过程；方法的具体步骤如下：
第一步表贴式光纤光栅应变传感器支座的设计
首先确定光纤光栅传感器(B)的长度及直径，然后对光纤光栅传感器支座(A)进行配套设计，光纤光栅传感器支座(A)有两个，结构完全一样；光纤光栅传感器支座(A)外观及体积的设计，可根据使用需要进行更改；支座(A)下底面与被测构件(D)粘贴的面上加工有储胶槽(C)，储胶槽(C)长与宽可依据粘贴面积大小进行配套设计，高度不应高于2mm，避免粘贴时胶水的过量溢出；最后，将光纤光栅传感器(B)安装到光纤光栅传感器两个支座(A)上，用胶水将装有光纤光栅传感器(B)的支座粘贴到被测构件(2)上；
第二步组装表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿实验系统，进行载荷作用下构件应变测量；
首先根据被测构件(2)的结构参数，将固定装置(1)安装在实验平台上；然后将被测构件(2)安装在固定装置(1)对应位置处，根据被测构件(2)实际受力情况，将高精度钩码(4)安装在被测构件(2)的对应位置上，并使高精度钩码(4)处于稳定不摆动状态；再将光纤光栅传感器(3)与应变解调仪(6)连接，将应变解调仪(6)与电脑服务器(5)连接；待上述系统稳定后，利用应变传感器(3)采集构件型面多点的应变值，最后利用电脑服务器(5)进行数据采集及处理；
第三步 建立表贴式光纤光栅应变传感器应变测量误差补偿模型
根据材料力学梁结构承受弯曲载荷的微分方程：
其中，x为被测构件长度方向坐标，w为测点处的挠度，M为被测构件所受弯曲载荷，E为材料弹性模量，I为x位置处梁截面的惯性矩；
假设在x位置被测构件表面到其中性面的距离为y，则其表面应力σ(x)与载荷关系为：
从被测构件表面上截取相距为dx的一段，根据平面假设，变形前相距为dx的2个横截面，变形后各自绕中性面相对旋转角度dθ,并仍保持为平面，使得距中性层为w的一段长度l变为：
l＝(ρ+w)dθ (3)
其中，ρ为中性面的曲率半径；由于距中性层为w的一段在变形前的原长为ρdθ，根据应变的定义，求得距中性层为w的这一段微小长度的应变为：
设被测构件厚度为h，被测构件弯曲曲率半径为R，传感器支座由其圆形孔圆心到粘贴表面的高度为h1，传感器应变测量值为εFBG，被测构件测点应变真值εS，补偿系数α，则在传感器粘贴在弯曲构件的伸展表面上时，补偿系数为：
传感器粘贴在弯曲构件的压缩表面上时，补偿系数为：
对于不同的测量工作情况，选择相应的参数带入(5)(6)式中，即可求出相应的应变补偿系数，对传感器的测量应变进行误差补偿；
通过上述步骤最终完成基于表贴式光纤光栅应变传感器的测量误差补偿。
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