CN112212796B - 三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定方法，包括：标定全部三向光纤光栅应变花传感器夹持位移灵敏度；对标定后的三向光纤光栅应变花传感器进行一致性安装；抽样标定三向光纤光栅应变花传感器应变传递系数；获得标定公式，实现对三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定。本方案采用基于夹持位移和等强度梁标定相结合的方式，标定每一只光纤光栅应变传感器的夹持位移灵敏度系数，并单独标定应变传递系数，获得传感器的应变灵敏度，解决了抽样标定时传感器加工不一致导致的测量误差，通过一致性安装工艺，可以保证所有被安装传感器的应变传递系数的一致性，有效提高应变测量精度，为结构体三向应变的高精度测量提供重要保障。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种解决大批量三向光纤光栅应变花传感器高一致性标定与安装的方法。
背景技术
飞行器在飞行过程中，需要对飞行器自身舱体或罐体的最大主应变进行监测，从而起到安全预警作用。对于最大主应变的获取，常常将光纤光栅应变传感器以三向应变花的模式粘贴在待测体表面，进而把相关测量结果带入计算公式便可得到最大主应变。
例如，在待测点O处完成三向光纤光栅应变花传感器安装，完成三向应变测量，三向角度分别为α1、α2、α3，εx、εy为待测点沿坐标轴x和y方向的应变，γxy为剪应变。三向之间的夹角可以选择45°、60°等多个角度，以45°三向测量为例，α1＝0°，α2＝45°，α3＝90°，εx＝ε0。，εy＝ε90。，γxy＝2ε45°-(ε0°+ε90°)，可得到最大主应变εmax表达式为：
当前，一些研究者研究了胶粘剂的选择对粘贴效果的影响，例如吴俊和陈伟民等选用铅作为粘接层材料将FBG固定在金属表面，并分别通过公式计算及有限元模拟得出粘接层应变传递效率达到了0.98左右。周红和乔学光等人在Si3N4中掺入纳米SiO2、TiO2和SiC粒子，制备出适用于FBG传感器粘贴和封装的无机胶黏剂，使得光纤光栅更加适合在恶劣的环境中应用；马收等人利用自制的环氧胶膜E310A，将FBG传感器的温度响应性提高了2倍。
上述研究结果偏重于理论研究，对于真实环境中的结构体，例如空间站舱体，往往需要在大面阵结构体中粘贴成百上千个光纤光栅三向应变传感器，为了光纤光栅的安全性和可靠性使用，所有的传感器都带有金属基底作为保护；而因舱体无法像等强度梁一样进行加载不同砝码进行传递系数标定，这意味着贴装后的光纤光栅应变传感器无法在舱体上进行标定，只能带入传感器在地面标定过程中的应变传递系数来获得结构体最终的三向应变测量值，进而求得结构体的最大主应变，而此种方式则会带来两个重要问题：
(1)采用胶粘安装方式的表贴式光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数会受待测结构材料、传感器封装基底材料、胶粘强度的影响引起应变传递效率不同而变化，进而导致应变测量结果产生偏差；
(2)三向光纤光栅应变花传感器在标定后，需要通过胶粘方式安装在待测体表面，在安装过程中，胶粘量控制、涂胶均匀性控制、涂胶气泡控制、涂胶部位偏差、胶干时间控制、涂胶后按压力控制、胶粘剂溢出基底控制等因素，都会导致飞行器上每个光纤光栅应变传感器的参数不同，因此带入同一个光纤光栅应变传感器制备过程中的地面标定数值会带来较大的误差，最终得到的结构体主应变数值就会不准，这在航空航天上具有较大的安全隐患。
发明内容
本发明针对当前大型结构体无法在线对大批量三向光纤光栅应变花传感器进行标定而直接带入经验数值的现状，提出了一种三向光纤光栅应变花传感器高可靠、高一致性应变获取方法，通过对光纤光栅应变传感器参数标定和传感器特定安装工艺方法的研究，大大提高了三向光纤光栅应变花传感器在大型结构体上应变测量的准确性，实现结构体主应变的准确计算与安全状态的准确评估。
本发明是采用以下的技术方案实现的：三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定方法，包括以下步骤：
步骤A、标定全部三向光纤光栅应变花传感器夹持位移灵敏度；
步骤B、对步骤A中标定后的三向光纤光栅应变花传感器进行一致性安装；
步骤C、抽样标定三向光纤光栅应变花传感器应变传递系数；
步骤D、获得三向光纤光栅应变花传感器标定公式，实现对三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定。
进一步的，所述步骤B中，对三向光纤光栅应变花传感器进行一致性安装时，具体包括：
步骤B1、在光纤光栅应变传感器的基底内侧设计一对凸台，所述凸台凸出于基底上表面S1mm；
步骤B2、根据三向光纤光栅应变花传感器的相对位置及安装方向设计涂胶网板，所述涂胶网板上设置有三对孔洞，每对孔洞分别对应三向光纤光栅应变花传感器中的三个方向，所述孔洞与凸台的位置相对应，所述孔洞的深度为S2mm，且S2-S1＝0.02mm；
步骤B3、将三向光纤光栅应变花传感器进行固定，利用涂胶网板对光纤光栅感应传感器的凸台进行进行涂胶；
步骤B4、涂胶完成后，利用涂胶网板进行刮胶操作；
步骤B5、以恒定压力按压三向光纤光栅应变花传感器，使传感器贴压在结构体上，保证所有需要安装的三向光纤光栅应变花传感器在压力和固化时间上的一致性。
进一步的，所述步骤B3中，将三向光纤光栅应变花传感器的两端光纤保护套管通过尼龙线绑定的方式固定在工装平台上实现平稳性涂胶。
进一步的，所述步骤B3中，在进行涂胶之前，采用无尘布蘸取适量丙酮，对凸台粘胶区进行擦洗，待丙酮蒸发后，采用无尘布蘸无水乙醇进行再次擦拭。
进一步的，所述步骤B5中，在完成传感器贴压在结构体操作后，在传感器基底和结构体的缝隙处用塞尺进行光纤基底悬空区域的多余胶清除，以保证胶液最终只存在凸台和安装面之间，保证所有传感器粘贴的一致性。
进一步的，所述步骤C中，在三向光纤光栅应变花传感器的地面标定试验中，选用和结构体同样的材料制作等强度梁，三向光纤光栅应变花传感器在同一个工装下，保证统一的胶粘量控制、涂胶均匀性控制、涂胶气泡控制、涂胶部位偏差、胶干时间控制、涂胶后按压力控制和胶粘剂溢出基底控制，得到等效待测结构体和金属基底之间的应变传递系数。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)基于夹持位移和等强度梁标定相结合的方式，能够标定每一只三向光纤光栅应变花传感器的夹持位移灵敏度系数，并单独标定应变传递系数，获得传感器的应变灵敏度，解决了夹持位移标定时无法获得真实的应变灵敏度，抽样标定时传感器加工不一致引入的测量误差，提高了应变测量精度；
(2)针对在大面阵结构体上粘贴成百上千个三向光纤光栅应变花传感器的需求，提出了在安装三向光纤光栅应变花传感器的针对性方法，可以保证应变测量的准确性和应变传递系数的一致性，为结构体三向应变的准确性测量奠定基础。
附图说明
图1为本发明实施例光纤光栅应变传感器参数标定与一致性安装流程图；
图2为本发明实施例夹持位移灵敏度系数标定图；
图3为本发明实施例光纤应变传感器金属基底及凸台的俯视图和左视图；
图4为本发明实施例所述涂胶网板结构；
图5为传感器安装过程中塞尺去除多余胶液；
其中，1、凸台；2、孔洞；3、塞尺。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数是影响传感器测量精度的关键参数，为了准确获得传感器的应变灵敏度系数，将其分解为与传感器自身相关的夹持位移灵敏度系数以及与待测结构材料、传感器封装基底材料和胶粘强度相关的应变传递系数。光纤光栅应变传感器的夹持位移灵敏度系数可采用位移法对每一只传感器进行标定；应变传递系数在夹持位移灵敏度系数标定的基础上，按规则抽取传感器胶粘到与待测结构材料相同的等强度梁上，标定获得所有抽样传感器的应变传递系数，然后取均值作为该批次传感器的应变传递系数。
具体的，如图1所示，本实施例采用夹持位移和等强度梁标定相结合的方式对夹持位移灵敏度系数和应变传递系数进行标定，具体包括：
步骤A、全部三向光纤光栅应变花传感器夹持位移灵敏度标定；
如图2所示，在对传感器的夹持位移灵敏度系数进行标定时，主要涉及数据采集处理与控制机构、光纤光栅光信号到电信号的转换机构、光纤拉伸机、光纤光栅传感器及光学平台等设备，全部传感器夹持位移灵敏度标定具体包括以下步骤：
(1)由控制机构使得光纤拉伸机产生固定长度拉伸，光纤光栅应变传感器产生负向最大应变值-ε最大；
(2)采用逐步加载方式，步进为ε位移0，测得传感器波长，每次步进至少测试3组数据，取波长的平均值作为光纤光栅应变传感器的中心波长λi；
(3)重复步骤(2)，直至加载到正向最大应变值ε最大，在不同应变(-ε最大…-ε位移0，0，ε位移0…ε最大)下得到相应的中心波长数据(λ1，λ2，λ3…λi)，进行最小二乘法的线性拟合，获得第一次夹持位移灵敏度系数τ1(pm/με)；
(4)重复步骤(2)～(3)至少3次，取平均值作为光纤光栅应变传感器夹持位移灵敏度系数τ0(pm/με)；
步骤B、对三向光纤光栅应变花传感器进行一致性安装；
本实施例中，考虑到大面阵结构监测的三向光纤光栅应变花传感器数目较多，常常成百上千，由于贴装后的三向光纤光栅应变花传感器无法在舱体上进行标定，因此只能带入光纤传感器在地面标定过程中的应变传递系数来获得结构体最终的应变值，进而求得结构体的最大主应变。故而，本实施例中，在完成三向光纤光栅应变花传感器夹持位移灵敏度系数的标定后，对三向光纤光栅应变花传感器进行高一致性安装，以保证大容量三向光纤光栅应变花传感器在贴装过程中的一致性和测量准确性，杜绝胶粘量不同、涂胶均匀性不一、涂胶气泡产生、涂胶部位偏差、胶干时间不同、胶粘后按压力的波动、胶粘剂溢出基底等因素给应变测量带来的误差，具体安装过程如下：
关于光纤光栅应变传感器的结构设计：如图3所示，本实施例中，光纤光栅应变传感器金属基底长36mm、宽12mm，为了增大光纤光栅应变传感器的应变测量范围，采用降敏的方法，在传感器基底内侧设计一对金属凸台1，如图3灰色区域所示((a)为俯视图，(b)为左视图)，有凸台1处基底厚度L2为1.3mm，无凸台1处基底厚度L1位1.2mm，即凸台1凸出于传感器基底上表面0.1mm，凸台1的宽度3mm，凸台1上涂抹固定容量的胶粘剂，实现传感器与待测机构的紧密连接，具体操作如下：
首先，根据三向光纤光栅应变花传感器的相对位置及安装方向设计特制涂胶网板结构。如图4所示，网板中有3对长方形孔洞2，所述孔洞2与凸台1的位置对应，每对孔洞2的方向不同，中间的两个夹角都是45°，图4中A部分区域禁布其它结构。每个网板上长方形孔洞2的长12.01mm，宽3.01mm，深度是0.12mm，由于凸台高度是0.1mm，所以涂胶量可以保证是0.02mm。
其次，给出三向光纤光栅应变花传感器涂胶过程的平稳设计：利用涂胶网板给传感器凸台涂胶过程中，考虑到传感器放在安装用的工装台上容易晃动，而且网板在涂胶结束后取走的过程中，也会容易引起传感器的晃动，这就容易发生胶液移动，导致凸台胶量不均匀且会流动到不该存在胶水的位置，同时也容易引起气泡的产生，最终引起较大的应变测量误差。所以有必要在涂胶过程中对传感器进行固定，本实施例在具体操作时，选择在传感器工装平台上每个安放传感器位置的两端穿设一对圆柱形光滑窄洞，直径2mm，在涂胶之前，可以利用尼龙线穿过圆柱形光滑窄洞将传感器两端的光纤保护套管固定在工装平台上，这个可以严格保证传感器在涂胶过程中的稳定性，防止胶水移动到其它部位，三向光纤光栅应变花传感器全部固定好后，再进行后续涂胶等操作，当然，除了上述所述固定方式，亦可采用其它更优选择。
具体涂胶之前，先采用无尘布蘸取适量丙酮(半干状态)，对传感器凸台粘胶区进行擦洗，应擦净磨屑、油渍，待丙酮蒸发后，采用无尘布蘸无水乙醇进行再次擦拭，再进行下一步操作，可采用吸耳球辅助吹干；而后将双组份胶液安装到胶枪上，先挤出前端一小段胶液(该段胶液不得使用，废弃处理)，通过胶枪将胶液按1：1挤到配胶容器中，胶量应满足单次使用要求，使用搅拌棒沿顺时针方向快速搅拌胶液，并周期性刮下容器壁上附着的胶液，使其混合均匀，搅拌时间控制在30s，搅拌完成后立即转下序操作(本次操作要求1分钟内完成，否则胶液属性会发生变化，导致应变传递系数发生变化)。
然后，利用涂胶网板完成刮胶操作：将胶液分别倒在3只传感器对应的涂胶网板开孔附近，使用刮片倾斜45度方向进行匀速刮胶，待刮完胶后将涂胶网板快速向上垂直取下，快速观察胶液有无缺失情况，涂胶必须充分，确保涂胶区最大浸润。摘下涂胶网板后，如果传感器凸台上的胶存在溢出或者少印情况时，应变传递系数会产生较大误差，要及时使用无尘布粘取少量无水乙醇将全部胶液清理干净，再重复执行涂胶操作。
接着，利用工装将涂完胶水的传感器以恒定力100N按压在结构体上120分钟，这样可以保证所有需要安装的传感器在压力和固化时间上的一致性，克服了由于压力大小变化及压力时间的不同带来的应变传递系数的不同。
最后，为了保证胶粘剂不溢出基底，进而不影响应变测量结果的准确性和一致性，在完成传感器贴压在结构体操作后，在传感器基底和结构体的缝隙处(凸台高0.1mm，除了凸台和结构体紧密接触外，基底其它部位均与结构体有一定空隙，约0.1mm)，用0.08mm厚的塞尺3进行光纤基底悬空区域的多余胶清除，该操作可以保证胶液最终只存在凸台和安装面之间，保证所有传感器粘贴的一致性，如图5所示。
步骤C、抽样传感器应变传递系数标定；
对于应变传递系数的选取，在光纤传感器地面研制过程中的地面标定试验中，选用和结构体同样的材料制作等强度梁，三向光纤光栅应变花传感器在同一个工装下，保证胶粘量控制、涂胶均匀性控制、涂胶气泡控制、涂胶部位偏差、胶干时间控制、涂胶后按压力控制、胶粘剂溢出基底控制，得到等效待测结构体和金属基底之间的应变传递系数k，进而得到三向光纤光栅应变花传感器通过胶粘方式安装后的灵敏度系数kτ0。
步骤D、进而可以获得三向光纤光栅应变花传感器标定公式
其中，k1-k7为比例系数，△a、△b、△c、△d、△e、△f、△g分别对应的表示胶粘量偏差、涂胶均匀性偏差、涂胶气泡偏差、涂胶部位偏差、胶干时间偏差、涂胶后按压力控制偏差和胶粘剂溢出基底偏差；λ0表示每个光纤光栅应变传感器对应的初始中心波长值，λ表示在力学测量环境下，光纤光栅传感器对应的实际中心波长值。
一般情况下，用波长变化量λ-λ0除以应变传递系数k0，再除以夹持位移灵敏度系数τ0就可以得到光纤光栅应变传感器测量的应变值。但在实际光纤光栅应变传感器安装过程中，胶粘量控制、涂胶均匀性控制、涂胶气泡控制、涂胶部位偏差、胶干时间控制、涂胶后按压力控制、胶粘剂溢出基底控制等情况难以准确把握，如果有一定偏差，即胶粘量偏差△a≠0或涂胶均匀性偏差△b≠0或涂胶气泡偏差△c≠0或涂胶部位偏差△d≠0或胶干时间偏差△e≠0或涂胶后按压力控制偏差△f≠0或胶粘剂溢出基底偏差△g≠0，那么k1·△a+k2·△b+k3·△c+k4·△d+k5·△e+k6·△f+k7·△g≠0，则应变求解表达式如果还采用
那么就会不准确，进而将带来较大的误差。
而现有技术中多是采用这种方式进行，即先通过标定试验得到k0的值，然后后续所有安装的传感器都是采用这个值，考虑到黏胶相关参数偏差的影响，如果按照上述所说，胶粘量偏差△a≠0或涂胶均匀性偏差△b≠0或涂胶气泡偏差△c≠0或涂胶部位偏差△d≠0或胶干时间偏差△e≠0或涂胶后按压力控制偏差△f≠0或胶粘剂溢出基底偏差△g≠0，在上述偏差未知且不定的情况下，如果仍然按照常规标定公式进行标定，则实际求得的应变值必将会带来巨大的误差，精度难以保证。
而本方案中，通过一致性安装工艺，可以保证每个传感器安装的工况基本一致，即这七个要素的改变量是0或者数值上非常小，则在这个条件下，可以保证偏差已知且非常微小，那么k1·△a+k2·△b+k3·△c+k4·△d+k5·△e+k6·△f+k7·△g≈0，因此光纤光栅应变花传感器的应变测量值的误差会非常小，实现了更加精确的标定。
为了验证本发明提出的方法的准确性，在中国空间站舱体表面不同位置按照本实施例提供的方法贴装了4组三向光纤光栅应变花传感器，并在每个分立的光纤光栅应变传感器旁边贴一个同向的电阻应变片作为应变测量的标准。对舱体逐级施加不同的力，记录两种传感器得到的应变值。
空间站舱体选择铝合金材料，因此，等强度梁也选择铝合金材料，利用本方案提出的方法，将三向光纤光栅应变花传感器通过胶粘方式安装在等强度梁上，并在光纤应变传感器一侧安装电阻应变片，经过标定，得到该安装方法下的应变传递系数是0.9098。
将该传递系数带入三向光纤光栅应变花传感器得到的应变值，即可得到光纤光栅应变传感器测得的舱体的真实应变值，如表1所示。带入标定的传递系数0.9098前，相对电阻应变片，4组三向光纤光栅应变花传感器的相对百分误差最大为9.15％～11.34％。带入标定的传递系数0.9098后，相对电阻应变片，4组三向光纤光栅应变花传感器的相对百分误差最大为0.14％～2.55％。可见，本发明给出的大容量光纤传感器的安装方法具有较高的可靠性和一致性，应变测量结果更加准确。
表1本发明安装方法实现4组三向光纤光栅应变花传感器应变测量准确性数据表
本发明采用夹持位移和等强度梁标定相结合的方式，标定每一只光纤光栅应变传感器的夹持位移灵敏度系数，并标定应变传递系数，获得传感器的应变灵敏度，并结合一致性安装方法，解决了夹持位移标定时传感器应变灵敏度不准确、抽样标定时传感器加工不一致引入的测量误差的问题，具有较高的实用和推广价值。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定方法，其特征在于，
包括以下步骤：
步骤A、标定全部三向光纤光栅应变花传感器夹持位移灵敏度；
步骤B、对步骤A中标定后的三向光纤光栅应变花传感器进行一致性安装；
步骤C、抽样标定三向光纤光栅应变花传感器应变传递系数；
步骤D、获得三向光纤光栅应变花传感器标定公式，实现对三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定；
所述步骤B中，对三向光纤光栅应变花传感器进行一致性安装时，具体包括：
步骤B1、在光纤光栅应变传感器的基底内侧设计一对凸台(1)，所述凸台(1)凸出于基底上表面S1mm；
步骤B2、根据三向光纤光栅应变花传感器的相对位置及安装方向设计涂胶网板，所述涂胶网板上设置有三对孔洞(2)，每对孔洞分别对应三向光纤光栅应变花传感器中的三个方向，所述孔洞(2)与凸台(1)的位置相对应，所述孔洞(2)的深度为S2mm，且S2-S1＝0.02mm；
步骤B3、将三向光纤光栅应变花传感器进行固定，利用涂胶网板对光纤光栅感应传感器的凸台进行涂胶；
步骤B4、涂胶完成后，利用涂胶网板进行刮胶操作；
步骤B5、以恒定压力按压三向光纤光栅应变花传感器，使传感器贴压在结构体上，保证所有需要安装的三向光纤光栅应变花传感器在压力和固化时间上的一致性。
2.根据权利要求1所述的三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定方法，其特征在于：所述步骤B3中，将三向光纤光栅应变花传感器的两端光纤保护套管通过尼龙线绑定的方式固定在工装平台上实现平稳性涂胶。
3.根据权利要求1所述的三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定方法，其特征在于：所述步骤B3中，在进行涂胶之前，采用无尘布蘸取适量丙酮，对凸台(1)粘胶区进行擦洗，待丙酮蒸发后，采用无尘布蘸无水乙醇进行再次擦拭。
4.根据权利要求1所述的三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定方法，其特征在于：所述步骤B5中，在完成传感器贴压在结构体操作后，在传感器基底和结构体的缝隙处用塞尺(3)进行光纤基底悬空区域的多余胶清除。
5.根据权利要求3-4任一项所述的三向光纤光栅应变花传感器一致性安装与标定方法，其特征在于：
所述步骤C中，在三向光纤光栅应变花传感器的地面标定试验中，选用和结构体同样的材料制作等强度梁，三向光纤光栅应变花传感器在同一个工装下，保证统一的胶粘量控制、涂胶均匀性控制、涂胶气泡控制、涂胶部位偏差、胶干时间控制、涂胶后按压力控制和胶粘剂溢出基底控制，得到等效待测结构体和金属基底之间的应变传递系数。
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