彈性體結構光纖光柵應變傳感器的設計與性能研究

杜俊賢 王連桂

(煙臺汽車工程職業學院，山東 煙臺 265500)

單模光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，FBG)簡稱為光纖光柵，是在單模光纖上采用紫外激光照射相位掩模板寫制而成的波長調制型光學無源器件，具有抗電磁干擾、體積小、易封裝、與待測對象結合和易組網的特點，在航空航天設備、鋼結構設施及大壩橋梁等結構的健康監測領域應用廣泛[1～3]。常見的光纖光柵應變傳感器封裝方式為基片粘貼式、管狀嵌入式及兩端固定式等，基片粘貼式一般是將光纖光柵用環氧膠粘貼在鋼性基板上，多用于結構表面應變的測量[4，5]；嵌入式則將光纖光柵灌封于較小的鋼管中，適合于大壩等土木工程內部的應變監測[6]；兩端固定式是在中間光纖光柵有良好保護的基礎上，將兩端粘貼固定，應變直接作用在柵區上，適合于較小尺寸場合的應用。雖然多種結構的光纖光柵應變傳感器獲得了大量的應用[7，8]，但傳感器的高精度、穩定度和長期可靠性仍是當前研究的難點和熱點。

筆者在分析當前光纖光柵應變傳感器結構特點的基礎上，用激光加工設計305不銹鋼材料的彈性封裝結構，并通過應變力學仿真和實驗研究測試了傳感器的靈敏度、線性度及穩定度等性能指標。

1 光纖光柵傳感器的應變響應機理分析①

光纖光柵是在載氫增加光敏性后的單模光纖上，利用紫外激光照射相位掩模板形成的，成柵后在照射區域的單模光纖上光纖纖芯呈周期性調制。根據光在光纖中傳輸的耦合模理論，當一束光入射到光纖中時，遇到光纖光柵會有滿足反射條件的窄帶光反射回來[9]，反射回的窄帶光波長即光纖光柵的中心波長λB，可表示為：

λB=2neffΛ

(1)

式中neff——纖芯導模的有效折射率；

Λ——折射率調制周期。

當有應力作用到光纖光柵上時，光纖光柵的中心波長變化ΔλB可表示為：

ΔλB=2(ΛΔneff+neffΔΛ)

(2)

在應力作用下，一方面由于光彈效應會引起有效折射率neff的變化，另外由直接變形引起柵格周期Λ的變化。假定在溫度不變的條件下，光纖光柵的中心波長變化ΔλB(ε)與光纖光柵所受軸向應變變化Δε之間的關系可表示為：

ΔλB(ε)=kλBΔε

(3)

其中，k為應變響應的靈敏度系數，封裝后傳感器可通過應變測試進行標定[10，11]。可以看出，應變值與波長變化量之間存在線性關系。

2 封裝設計及其力學仿真

設計模型材料使用不銹鋼305(1Cr18Ni9或1Cr18Ni12Ti)，其彈性模量為190GMPa，泊松比為0.305，密度8 000kg/m3，屈服強度不小于177MPa，抗拉強度不小于480MPa，布氏硬度不大于187，伸長率不小于40%；實際屈服強度305MPa，抗拉強度630MPa，延伸率58%，維氏硬度164。彈性結構光纖光柵應變傳感器封裝模型的設計結構如圖1所示。

圖1 彈性封裝結構示意圖 1、2——光纖出纖槽； 3、4——對稱的彈性體結構；5——光纖光柵敏感元件放置區域；6、7——光柵兩端的光纖固定點，通過環氧膠將光柵兩端的光纖固定，固定光纖長度3mm

為分析其力學性能，在Ansys中建立有限元模型，如圖2所示。其中，傳感器A區和C區的底部粘貼在試件上，根據傳感器的安裝方式，將A區作為固定的一端，C區作為加力的一方，傳感器根據A區和C區的相對位移來測試試件的應變。同時，根據傳感器的結構，提取傳感器主要應變B區域邊界上的節點作為測量部位(圖2的n1和n2節點)和施加力的節點n3，3個節點皆在軸線位置上。將節點n1和n2的位置差作為B區域的長度，將節點n3和n2的位置差作為A區和B區的長度。為了更好地體現小應變的模擬效果，將C區底部的節點自由度耦合在一起，其中n3為施加拉力和簡諧力的節點。

圖2 傳感器的有限元模型

利用Ansys對傳感器在-2 000～2 000με的應變響應進行仿真分析，在測量范圍的邊界2 000με和-2 000με下的傳感器應變仿真云圖分別如圖3a、b所示，應力的作用主要集中在彈性體區域，且均在其彈性范圍內。該結構將應變變化區域設置在彈性體上，通過彈性體的變化表征整體結構的應變，有效避免了原有基片式封裝結構的整體結構變形及疲勞等問題，同時提高了傳感器的使用壽命。在應用于應變檢測時，待測點的應變通過彈性結構傳遞到封裝于其上的光纖光柵敏感元件，進而引起光纖光柵中心波長的變化。在傳感器標定后，即可通過檢測波長變化反演測點的應變情況。

圖3 傳感器應變仿真云圖

根據設計尺寸，用激光加工技術在厚度為2mm的305不銹鋼板材上，加工彈性體結構光纖光柵應變傳感器封裝結構，在加工過程中需要注意保持板材的平整性和外力自由性，以保證彈性體的良好性能。

3 性能測試

選取中心波長1 551.300nm、柵區長10mm、3dB帶寬0.250nm的光纖光柵，并為檢測負向應變施加預應力將該光纖光柵的波長預拉伸至1 553.300nm，采用環氧膠將光柵的兩端固定于傳感器的6和7固定點(圖1)，保持48h使環氧膠固化，保持良好的穩定度。然后，將設計的光纖光柵應變傳感器焊接固定在等應變梁上，利用高精度光纖光柵解調儀SM125讀取光纖光柵應變傳感器的中心波長。同時在等應變位置布設一個高精度電子應變計，通過增減砝碼調整等應變梁產生應變的大小。

首先進行正向應變實驗，傳感器位于等應變量的上表面，通過增減砝碼，根據高精度應變計的讀數設定應變值分別為100、200、300、500、800、1 000με，然后將等應變梁反置，對應光纖光柵應變傳感器感受到的應變值分別為-100、-200、-300、-500、-800、-1 000με。實驗測得應變傳感器光纖光柵的波長與應變的關系如圖4所示，傳感器的應變靈敏度為1.21pm/με，線性度達0.999 6，可以推得其檢測精度不大于1με。

圖4 光纖光柵傳感器波長與應變的關系

另外，設定等應變梁的應變值為500με，對其進行1h的穩定度測試，每秒鐘讀取一個光纖光柵傳感器的波長，并將其用靈敏度關系式轉換為應變值，實驗數據如圖5所示，其長期測試穩定度不大于±3με，相對穩度0.3%，滿足結構健康監測對高精度應變傳感器穩定度小于0.5%的要求。

圖5 光纖光柵應變傳感器穩定度測試

4 結束語

基于彈性體結構設計的新型光纖光柵應變傳感器結構，能夠使應變有效地傳遞到光纖光柵敏感原件，實驗測試獲得了良好的應變響應線性度、 靈敏度和穩定度。通過對彈性體尺寸的改變，可以設計應變靈敏度不同的傳感器，為傳感器的增敏封裝提供了新的思路，同時在實際應用中具有良好的應用前景。值得一提的是，封裝后的光纖光柵應變傳感器根據光纖光柵對外界參量的敏感機理，除了受應變的影響之外還會受到溫度的影響，在使用時需要增加溫度補償光柵，消除溫度的影響，保證應變檢測的獨立性。

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DesignandPerformanceStudyofFBGStrainSensorwithElasticBodyStructure

DU Jun-xian, WANG Lian-gui