光纖應(yīng)變傳感器標(biāo)定技術(shù)研究

徐軍 李曉強(qiáng) 陳偉

摘要：提出一種基于等強(qiáng)度懸臂梁的光纖光柵應(yīng)變傳感器標(biāo)定方法，通過理論分析和實驗驗證標(biāo)定了研制的光纖光柵應(yīng)變傳感器的靈敏度系數(shù)，分析對比理論值與實驗值的靈敏度系數(shù)誤差，證實該標(biāo)定方法簡單、可靠，可用于多種類型光纖應(yīng)變傳感器的標(biāo)定，并能繼續(xù)推廣到實際的工程運用中去。

關(guān)鍵詞：光纖光柵;標(biāo)定;靈敏度系數(shù);應(yīng)變

引言

導(dǎo)彈發(fā)射箱結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)是利用粘貼在其表面的光纖應(yīng)變傳感網(wǎng)絡(luò)，在線獲取應(yīng)變箱重點部位的應(yīng)變等參數(shù)的綜合測量系統(tǒng)。持續(xù)監(jiān)測發(fā)射箱結(jié)構(gòu)應(yīng)變對提升武器裝備性能改進(jìn)，減小導(dǎo)彈發(fā)射風(fēng)險具有重要意義。光纖布拉格光柵（簡稱光纖光柵）利用刻蝕在光纖內(nèi)部的光柵反射傳感光束，并通過光纖解調(diào)儀將傳感光束解調(diào)成應(yīng)變信號，實現(xiàn)應(yīng)變測試。它具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、抗腐蝕等優(yōu)點，因而被認(rèn)為是航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中極具應(yīng)用前景的傳感器。

光纖光柵傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)是表征一個傳感器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，直接影響最終的測試結(jié)果。由于光纖光柵傳感器在使用過程中為了保證傳感單元的有效成活率，必須對裸光柵進(jìn)行必要的封裝，光纖光柵本身的傳感特性因而會發(fā)生改變。這就需要在使用前對封裝好的傳感元進(jìn)行標(biāo)定。

1.光纖光柵傳感器應(yīng)變傳感機(jī)制

光纖光柵傳感器屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外接物理量對光纖布拉格波長的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長調(diào)制型光纖傳感器。也就是說當(dāng)寬帶光源發(fā)出的光入射到光纖光柵中時，只有滿足其反射條件的光才會被反射回來，其余的光全部透射出去。光纖光柵傳感器結(jié)構(gòu)圖和反射透射光譜圖如圖1所示。

2.光纖光柵傳感器應(yīng)變標(biāo)定

應(yīng)變標(biāo)定采用等強(qiáng)度懸臂梁作為基本結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在等強(qiáng)度懸臂梁適當(dāng)位置粘貼封裝后的光纖光柵應(yīng)變傳感器，在同一位置的正下方粘貼標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片。通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動懸臂梁產(chǎn)生彎折，使粘貼應(yīng)變傳感器位置處產(chǎn)生應(yīng)變，攜帶有傳感信息的傳感光束經(jīng)光纖解調(diào)儀計算出該點的應(yīng)變并與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片測得的應(yīng)變量進(jìn)行比對，計算出光纖光柵的靈敏度系數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)傳感器的應(yīng)變特性標(biāo)定。

封裝后的光纖光柵應(yīng)變傳感器如圖3所示粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁上表面，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片粘貼在對應(yīng)位置處的下表面。光纖光柵作為應(yīng)變測量的傳感組件，應(yīng)變量由解調(diào)系統(tǒng)測出，電阻應(yīng)變片作為傳感組件，應(yīng)變大小由電阻應(yīng)變測試儀測得。

待各系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，進(jìn)行加載實驗。驅(qū)動電機(jī)使等強(qiáng)度懸臂梁產(chǎn)生周期變化的均勻應(yīng)變。待光纖光柵傳感系統(tǒng)應(yīng)變曲線逐步趨于穩(wěn)定后，同時記錄下光纖光柵傳感系統(tǒng)和電阻應(yīng)變片傳感系統(tǒng)的應(yīng)變值。標(biāo)定系統(tǒng)中光纖光柵傳感系統(tǒng)的應(yīng)變值如表1所示，標(biāo)定系統(tǒng)中電阻應(yīng)變片傳感系統(tǒng)的應(yīng)變值如表2所示。對測得的兩組應(yīng)變值做數(shù)據(jù)處理。

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（作者單位：貴州航天計量測試技術(shù)研究所）