CN118089575A - 一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，属于传感器领域，包括以下步骤：根据待测结构应变的范围选择合适的光纤光栅；使用高模量材料对所述光纤光栅进行封装；搭建边缘滤波高速解调系统；使用分离式霍普金森杆试验装置对光纤光栅传感器进行标定。本发明提出的光纤光栅传感器制作工艺简单，灵活度高，标定容易，标定完成后的光纤光栅传感器即可投入工程使用中，结合基于波长可调激光器的边缘滤波光纤光栅高速解调技术可以实现在极端环境中对结构的高应变率大应变测量。
Description
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器。
背景技术
在材料性能与结构力学性能领域，应变测量是最主要的测试指标之一，不但可以表征材料的性能，还可以对结构的变形和破坏进行评估。大部分应变测量是用应变片实现的，搭配高速采集系统还能实现一般条件下的高速应变测量。然而，在大湿度、高腐蚀、强电磁干扰等恶劣环境中，爆炸、冲击等载荷产生的高应变率大应变测量仍是一项难题，难以用基于应变片的测试系统实现。
相比于应变片，光纤光栅传感器耐潮湿性、耐腐蚀性好、抗电磁干扰，可以应用在多种严苛环境中测量结构上较大的静态应变。搭配合适的解调系统，光纤光栅传感器亦能实现高应变率的小应变测量。然而，现有技术仍难以同时满足大量程和高采样率。
为克服已有方法的局限性，本发明提供了一种新型的光纤光栅传感器，旨在解决现有传感器技术难以在极端环境中对高应变率大应变进行测量的问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，本发明能够对结构的大应变率高应变进行精确的原位测量。
光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。本发明以具有短栅区、高调制深度的光纤光栅为基础，设计了一种新的光纤光栅传感器，通过有效降低了待测结构到光纤光栅的应变传递率，实现了对待测结构大应变的测量。另外，在保证大测量范围的同时，结合基于波长可调激光器的边缘滤波光纤光栅高速解调技术，保证了测量的采样率。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、根据待测结构的应变范围选择合适的光纤光栅；
步骤二、使用高模量材料对所述光纤光栅进行封装；
步骤三、搭建边缘滤波高速解调系统；
步骤四、使用分离式霍普金森杆试验装置对光纤光栅传感器进行标定。
进一步的，在步骤一中所述准备的是栅区较短的光纤光栅，栅区长度包括1mm，0.5mm等。栅区长度越小，光纤光栅反射光谱的3dB带宽越大，其应变测量范围越大，可根据待测结构应变的大概范围选择栅区长度。另外，光纤光栅的反射率会影响应变测量的精确度，因此需要增大光栅的调制深度以保证光纤光栅的反射率，确保反射率保持在40％以上。相比于普通光纤光栅，其反射光谱拥有更大的带宽，应变测量范围更大，同时保持着较高的反射率。
进一步的，在步骤二中所述封装结构的形状包括长方体、圆柱体等，沿轴向将光纤光栅封装成一个长条形。封装结构的厚度越大，光纤光栅传感器测量范围越大，但厚度过大会影响待测结构的应变，其厚度包括2mm、1mm、0.5mm等。封装结构的长度必须大于栅长的两倍，同时需要保持光纤光栅栅区保持在传感器结构的正中间。封装材料的特点是高模量，远远大于光纤和胶粘剂的模量，其模量包括但不限于180GPa、280GPa、5TPa中的一种。封装材料的种类包括但不局限于复合材料预浸料、还原氧化石墨烯、碳纳米管中的一种。
进一步的，在步骤二中所述封装方法有缠绕法和蘸取法。缠绕法为直接将高模量材料沿着垂直于光纤光栅长度方向按圈进行缠绕，适用于纯碳纳米管材料封装光纤光栅、复合材料预浸料封装光纤光栅等；蘸取法为在玻璃试管中盛放封装材料的悬浊液，将光纤光栅栅区段垂直伸入试管中蘸取悬浊液，适用于还原氧化石墨烯封装光纤光栅等。所述还原氧化石墨烯封装完成之后还需要进行的处理包括晾干、烘箱烘烤、还原气体气氛中加热。无论哪种方法都必须保证高模量材料与光纤光栅光学界面紧密结合。
进一步的，步骤三中的边缘滤波系统使用波长可调激光器作为系统光源，利用环形器将激光器的输出光传输到光纤光栅中，光纤光栅中反射的光从环形器另一端口输入到光电探测器被转化为电信号，再通过示波器等进行信号的采集与存储。当待测结构的应变通过胶粘剂、封装结构传递至光纤光栅上，光纤光栅受到压缩或拉伸，其反射光谱会向右或者向左漂移，此时光电探测器接收的反射光强也会发生改变，因而检测的应变信号可以用电压波动表示。这种系统的特点是测量的采样速率由示波器决定，可达到兆赫兹。
进一步的，在步骤四中所述的分离式霍普金森杆为铝杆、压杆。具体标定过程以及系统布置为，使用胶粘剂分别将应变片和光纤光栅传感器沿轴向紧密固定在撞击杆表面上。搭建边缘滤波解调系统监测光纤光栅传感器波长漂移量，使用动态应变仪采集应变片测量的冲击应变信号。随后，通过控制气压发射子弹冲击撞击杆，产生高应变率大应变，示波器两个通道分别记录光纤光栅传感器和应变片的冲击信号，之后分别将电压换算成波长漂移量和应变值。
进一步的，将电压换算成波长漂移量的方法为，对预先保存的光纤光栅光谱斜边进行三次或三次以上的多项式拟合，将冲击信号的电压值带入拟合曲线方程中得到波长漂移量。所述换将电压换算成波长漂移量的方法为，将电压信号直接带入应变计算公式得到应变值。有了在高应变率大应变下的光纤光栅传感器波长漂移量和应变片应变值，可算得光纤光栅传感器高应变率大应变灵敏度，完成标定。标定后的光纤光栅传感器结合边缘滤波光纤光栅动态解调技术，可以应用在结构的高应变率大应变的原位测量当中。
进一步的，所述的将电压换算成波长漂移量的方法为，对预先保存的光纤光栅光谱斜边进行三次多项式拟合，a，b，c，d分别为拟合结果的常量，将冲击信号的电压值VFBG带入拟合曲线方程中得到波长漂移量，如公式(1)所示；
VFBG ＝aλ1 3+bλ1 2+cλ1+d (1)
所述换将电压换算成波长漂移量的方法为：将应变片信号电压值Vgage直接带入应变计算公式得到应变值，如公式(2)所示，GF是应变片的敏感因子，A和V0分别为动态应变仪的放大因子和桥压；在高应变率大应变下的光纤光栅传感器波长漂移量λ1和应变片应变值ε1，将两值相比可算得光纤光栅传感器高应变率大应变灵敏度S，完成标定；标定后的光纤光栅传感器结合边缘滤波光纤光栅动态解调技术即可应用在结构的高应变率大应变的原位测量当中；
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明提出的光纤光栅传感器制作工艺简单，灵活度高，可批量生产，在实验室环境下可以完成传感器的标定，标定完成后的光纤光栅传感器即可投入工程使用中，结合基于波长可调激光器的边缘滤波光纤光栅高速解调技术可以实现对不同结构的高应变率大应变测量，解决了现有技术无法对高应变率大应变进行测量的问题。
附图说明
图1为本发明还原氧化石墨烯光纤光栅传感器应变传感器的实物图
图2为本发明光纤光栅传感器应变传感器的标定试验系统图。
图3为本发明实施例中光纤光栅传感器应变传感器反射光谱3db点波长漂移量随时间变化曲线图。
图4为本发明实施例中应变片测量的应变值随时间变化曲线图。
其中，1-气压发射子弹，2-入射杆，3-，4-应变片，5-光纤光栅传感器，6-高速应变仪，7-示波器，8-光电探测器，9-环形器，10-波长可调激光器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所述的一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，包括如下步骤:
步骤一、根据待测结构应变的范围选择合适的光纤光栅；
当单色光从一端进入光纤布拉格光栅时，该光将会被布拉格光栅反形成反射光谱，而光纤光栅的栅区越短，其反射光谱的3dB带宽越大，可以测量的应变范围越大。因此，本发明首先根据待测结构应变的范围选择光纤光栅栅区长度，比如0.5mm栅长的光纤光栅对应光谱带宽为1.52nm。然而，光纤光栅的栅区变短可能会导致光纤光栅反射率降低，反射率过低会影响应变测量精度，因此需要增大光栅的调制深度使反射率保持在40％以上。
步骤二、使用高模量材料对所述光纤光栅进行封装；
在所述应变传感器封装过程中，步骤如下，在试管中盛放氧化石墨烯悬浊液，将光纤光栅栅区段垂直伸入试管中蘸取石墨烯悬浊液，夹具垂直固定光纤光栅自然风干，待石墨烯不会脱落下来后即可重复蘸取。总计8至10次蘸取之后将光纤光栅放入烘箱中空气气氛下进行烘烤，使氧化石墨烯变成具有更高模量的还原氧化石墨烯，完成光纤光栅的石墨烯封装。光纤光栅传感器的结构从内到外依次为：纤芯、包层、涂覆层、氧化还原石墨烯封装层，其示意图如图1所示。
步骤三、搭建边缘滤波高速解调系统；
搭建边缘滤波法对光纤光栅进行高速解调的目的是保证测量的采样率和反应速度，具体的，如图2所示，系统包括波长可调激光器10、环形器9、光纤光栅传感器5、光电探测器8、示波器7。以波长可调激光器作为系统光源，利用环形器将激光器的输出光传输到光纤光栅中，光纤光栅中反射的光从环形器另一端口输入到光电探测器被转化为电信号，再通过示波器进行信号的采集与存储，示波器的采样率决定了整个系统的采样率。当待测结构的应变通过胶粘剂、封装结构传递至光纤光栅上，光纤光栅受到压缩或拉伸，其反射光谱会向右或者向左漂移，此时光电探测器接收的反射光强也会发生改变，因而检测的应变信号可以用电压波动表示。
步骤四、使用分离式霍普金森杆试验装置对光纤光栅传感器进行标定。
如图2所示，使用能产生高应变率大应变的分离式霍普金森杆压杆进行光纤光栅传感器的标定，胶粘剂分别将应变片4和光纤光栅传感器5沿轴向紧密固定在入射杆2表面上，搭建边缘滤波解调系统监测光纤光栅传感器波长漂移量，使用高速应变仪6采集应变片测量的冲击应变信号。随后，通过控制气压发射子弹1冲击入射杆，产生高应变率大应变，透射杆3吸收应力波。示波器7两个通道分别记录光纤光栅传感器4和应变片5的冲击信号，之后分别将电压换算成波长漂移量和应变值，波长漂移量和应变值随时间的变化曲线分别如图3、图4所示。
具体的，进一步的将电压换算成波长漂移量的方法为，对预先保存的光纤光栅光谱斜边进行三次多项式拟合，a，b，c，d分别为拟合结果的常量，将冲击信号的电压值VFBG带入拟合曲线方程中得到波长漂移量，如公式(1)所示。所述换将电压换算成波长漂移量的方法为，将电压信号Vgage直接带入应变计算公式得到应变值，如公式(2)所示，GF是应变片的敏感因子，A和V0分别为动态应变仪的放大因子和桥压。有了在高应变率大应变下的光纤光栅传感器波长漂移量λ1和应变片应变值ε1，将两值相比可算得光纤光栅传感器高应变率大应变灵敏度S，完成标定。标定后的光纤光栅传感器结合边缘滤波光纤光栅动态解调技术就可以应用在结构的高应变率大应变的原位测量当中。
VFBG ＝aλ1 3+bλ1 2+cλ1+d (1)
以下列举具体的数据实施例：发明通过设计一种光纤光栅传感器，结合边缘滤波高速解调技术，可实现对结构的高应变率大应变实时测量。
本发明中使用的光纤光栅为短栅区、高调制深度光纤光栅，相比于普通光纤光栅，其反射光谱拥有更大的带宽，应变测量范围更大，同时保持着较高的反射率。根据待测结构的应变范围选择光纤光栅栅区长度，比如选择1mm栅长光纤光栅，带宽为0.71nm，反射率为40％。
沿轴向将光纤光栅封装成一个长条形，其具体形状可以式长方体、圆柱体。必须保证栅区位于封装结构正中间，并且封装结构的长度需大于2倍的光栅栅长。封装时，在玻璃试管中盛放氧化石墨烯悬浊液，将光纤光栅栅区段垂直伸入试管中蘸取石墨烯悬浊液，夹具垂直固定光纤光栅自然风干，待石墨烯不会脱落下来后即可重复蘸取。总计8至10次蘸取之后将光纤光栅放入烘箱中空气气氛下进行烘烤，使氧化石墨烯还原为石墨烯，完成光纤光栅的石墨烯封装。
封装后对传感器进行标定，使用能产生高应变率大应变的分离式霍普金森杆压杆进行光纤光栅传感器的标定，胶粘剂分别将应变片和光纤光栅传感器沿轴向紧密固定在撞击杆表面上，搭建边缘滤波解调系统监测光纤光栅传感器波长漂移量，使用动态应变仪采集应变片测量的冲击应变信号。随后，通过控制气压发射子弹冲击入射杆，产生高应变率大应变。示波器两个通道分别记录光纤光栅传感器和应变片的冲击信号，之后分别将电压换算成波长漂移量和应变值。
首先对预先保存的光纤光栅光谱斜边进行三次或三次以上的多项式拟合，将冲击信号的电压值带入拟合曲线方程中得到波长漂移量。所述换将电压换算成波长漂移量的方法为，将电压信号直接带入应变计算公式得到应变值。有了在高应变率大应变下的光纤光栅传感器波长漂移量和应变片应变值，可算得光纤光栅传感器高应变率大应变灵敏度，完成标定。标定后的光纤光栅传感器传感器结合边缘滤波光纤光栅动态解调技术，可以应用在结构的高应变率大应变的原位测量当中。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，其特征在于，所述传感器以短栅长的光纤光栅为基础，使用高模量材料对光纤光栅进行封装，使用边缘滤波高速解调技术，并结合标定结果，实时测量待测结构的高应变率大应变，具体方法为：
步骤一、根据待测结构的应变范围选择光纤光栅；
步骤二、使用高模量材料对所述光纤光栅进行封装；
步骤三、搭建边缘滤波高速解调系统；
步骤四、使用分离式霍普金森杆试验装置对光纤光栅传感器进行标定。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的步骤一具体为：
所述光纤光栅为短栅区、高调制深度光纤光栅，根据待测结构的应变范围选择光纤光栅栅区长度，包括1mm、0.5mm；光纤光栅带宽包括0.71nm、1.52nm；
反射率包括40％、50％。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的步骤二具体为：
沿轴向将光纤光栅封装成一个长条形，其具体形状包括长方体、圆柱体；栅区位于传感器结构正中间，传感器结构的长度需大于2倍的光栅栅长。
4.根据权利要求3所述的一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的步骤二中的高模量材料为：其模量大于光纤和用于传感器固定的胶粘剂的模量；封装材料的模量包括180GPa、280GPa、5TPa；封装材料的种类包括复合材料预浸料、还原氧化石墨烯、碳纳米管；封装结构的厚度包括2mm、1mm、0.5mm。
5.根据权利要求4所述的一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，其特征在于，封装方法包括缠绕法和蘸取法；不同的处理方法需要保证材料与光纤光栅光学界面紧密结合；缠绕法为直接将丝状的高模量材料沿着垂直于光纤光栅长度方向按圈进行缠绕，缠绕法适用于纯碳纳米管封装光纤光栅、复合材料预浸料封装光纤光栅；蘸取法为在玻璃试管中盛放封装材料的悬浊液，将光纤光栅栅区段垂直伸入试管中蘸取封装材料的悬浊液，蘸取法适用于还原氧化石墨烯封装光纤光栅；所述复合材料预浸料封装方法还需要进行烘箱烘烤固化；所述还原氧化石墨烯封装方法还需要进行晾干、烘箱烘烤、还原气体气氛中加热。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的步骤三具体为：
边缘滤波高速解调系统使用波长可调激光器作为系统光源，利用环形器将激光器的输出光传输到光纤光栅中，光纤光栅中反射的光从环形器另一端口输入到光电探测器被转化为电信号，再通过示波器进行信号的采集与存储；
当光纤光栅受到压缩或拉伸时，其反射光谱会向右或者向左漂移，此时光电探测器接收的反射光强也会发生改变，因而检测的应变信号用电压波动表示；
所述的解调系统的测量采样速率可达到兆赫兹。
7.根据权利要求1所述的一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的步骤四具体为：
使用能产生高应变率大应变的分离式霍普金森杆压杆进行传感器的标定，使用胶粘剂分别将应变片和光纤光栅传感器沿轴向紧密固定在入射杆表面上；搭建上述边缘滤波解调系统监测光纤光栅传感器波长漂移量，组建温度补偿电路结合动态应变仪采集应变片采集的冲击应变信号；
随后，通过控制气缸气压发射子弹冲击入射杆，产生高应变率大应变，示波器两个通道分别记录光纤光栅传感器和应变片的冲击信号，分别将电压换算成波长漂移量和应变值。
8.根据权利要求7所述的一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的将电压换算成波长漂移量的方法为：对预先保存的光纤光栅光谱斜边进行三次或三次以上的多项式拟合，将光纤光栅传感器冲击信号的电压值带入拟合曲线方程中得到波长漂移量；
所述将电压换算成应变值的方法为：将应变片电压信号直接带入应变计算公式中得到应变值。在得到在高应变率大应变下的光纤光栅传感器波长漂移量和应变片的应变值之后，将二者相除得到光纤光栅传感器测量高应变率大应变的灵敏度。
9.根据权利要求8所述的一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器，其特征在于，所述的将电压换算成波长漂移量的方法为，对预先保存的光纤光栅光谱斜边进行三次多项式拟合，a，b，c，d分别为拟合结果的常量，将冲击信号的电压值VFBG带入拟合曲线方程中得到波长漂移量，如公式(1)所示；
VFBG ＝aλ1 3+bλ1 2+cλ1+d (1)
所述换将电压换算成波长漂移量的方法为：将应变片信号电压值Vgage直接带入应变计算公式得到应变值，如公式(2)所示，GF是应变片的敏感因子，A和V0分别为高速应变仪的放大因子和桥压；在高应变率大应变下的光纤光栅传感器波长漂移量λ1和应变片应变值ε1，将两值相比可算得光纤光栅传感器高应变率大应变灵敏度S，完成标定；
10.一种如权利要求1～9制备得到的用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器。
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| CN202410070661.5A CN118089575A (zh) | 2024-01-17 | 2024-01-17 | 一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410070661.5A CN118089575A (zh) | 2024-01-17 | 2024-01-17 | 一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器 |
Publications (1)
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| CN118089575A true CN118089575A (zh) | 2024-05-28 |
Family
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Family Applications (1)
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| CN202410070661.5A Pending CN118089575A (zh) | 2024-01-17 | 2024-01-17 | 一种用于测量高应变率大应变的光纤光栅传感器 |
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-
2024
- 2024-01-17 CN CN202410070661.5A patent/CN118089575A/zh active Pending
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