應變解耦增敏式FBG溫度傳感器的設計與應用*

李五一 ， 閆楚良， 劉力宏

(1.南京航空航天大學航空宇航學院 南京，210016) (2.中國機械工業集團有限公司 北京，100083)

引 言

飛機載荷譜飛行實測是將飛機在使用過程中的狀態參數、載荷參數等進行信息采集和記錄，為飛機全機實驗、結構可靠性設計以及結構健康狀態監控提供實驗數據與科學依據[1-2]。溫度參數的高精度測量有利于對飛機結構健康狀態進行更高精度的監控。

2006年，朱春玲[3]提出，合適的座艙溫度控制是保證艙內乘員舒適性和電子設備正常運行的關鍵，因此對座艙溫度進行高精度測量并進行負反饋控制尤其重要。2007年，張福澤等[4]進行了在不同溫度下3種航空材料的裂紋擴展品質的研究，證明不同溫度下同樣材料在同一載荷譜作用下，低溫環境下的裂紋擴展壽命要高于常溫環境下的裂紋擴展壽命。2010年，邸祥發等[5]提出飛機座艙蓋載荷譜編制應注意的幾個問題，其中提出飛機在高速飛行中，座艙蓋溫度最大值可達到114.45 ℃。2012年，Tejedor等[6]通過負壓抽取環氧樹脂的方式，在某型號飛機機翼上封裝光纖光柵傳感器，對機翼結構及溫度進行監控。Zakaria等[7]研究了不同溫度對載荷譜的影響，證明在不同的溫度下，結構疲勞老化的程度有著很大的差異。2016年，鄧偉林等[8]在對飛機輪軸承承重符合沖擊實驗中，通過對溫度的監控，實現與應變參數的解耦，得到更準確的實驗效果。

現有的光纖光柵溫度增敏傳感器有粘合法和表面鍍覆法。粘合法操作簡單，易獲得較高溫度靈敏度，但是粘接劑經高溫、酸堿腐蝕后易老化脫落，甚至導致光纖啁啾。筆者設計了一種新型結構可達到應變解耦增敏的效果，同時能夠減緩粘接劑的老化、脫落等效果。鑒于光纖光柵質量輕、易于組網和抗電磁干擾等優點，人們不斷嘗試使用光纖光柵替代電阻應變片進行飛機載荷譜的測試[9]。在組網的過程中對溫度的測量，實現溫度與應變的解耦，準確計算飛機結構件實際載荷值，對飛機狀態的監測以及解決結構定壽延壽問題，有著重要的意義。

1 光纖光柵溫度傳感原理

光纖光柵的反射波長與光柵的周期及模態的有效折射率有關，目前已有的基于光纖光柵的各種傳感器其工作原理都可以歸結為對光柵中心波長的測量，即通過對由外界擾動引起的中心波長變化量的測量。被測參數中心波長與光纖纖芯有效折射率、光纖光柵長度周期相關[10]，公式如下

λB=2neffΛ

(1)

其中：λB為中心波長；neff為光纖纖芯有效折射率；Λ為光纖光柵長度周期。

當外界溫度變化時，可得

λB=2neff·ΔΛ+2ΔneffΛ

(2)

將其展開變形可得

(3)

其中：?neff/?T為折射率溫度系數，可用ξ表示；(Δneff)ep為熱膨脹引起的彈光效應；?neff/?a代表由于膨脹導致光纖纖芯直徑發生變化而產生的波導效應；?Λ/?T為光纖的線性熱膨脹系數，可用a表示；ΔT為溫度的變化量。

當光纖光柵感受到外界環境溫度發生變化時，不僅會引起光柵周期的變化，而且還會引起有效折射率Δneff變化，從而引起反射光波長的偏移，這就是光纖光柵傳感的基本原理。則可將式(3)改寫為

(4)

根據各向同性胡克定律一般形式可知，光纖光柵各方向應變為

(5)

其中：E為彈性模量；v為泊松比。

由溫度引起的應變狀態為

(6)

得到光纖光柵溫度靈敏度系數表達式為

(7)

其中：kwg=?neff/?a，為波導效應引起的布拉格波長漂移系數。

根據分析可知，光纖光柵的溫度靈敏系數是一個與光纖本身材料相關的定值，光纖光柵在作為溫度傳感器使用時會有較好的線性度輸出。

2 傳感器的結構設計及其有限元分析

2.1 傳感器的設計

該光纖光柵傳感器設計的目的：①對光纖光柵測溫進行增敏處理，得到更精確的實時溫度值；②盡量減小結構應變帶來的影響。結合設計目的，選取熱脹冷縮系數(23.6×10-6℃)較大的鋁7075-T6為基底材料，通過對光纖光柵的柵區施加預緊力，并且全覆蓋式封裝，以實現增敏的目的。結合力學建模分析，設計新的傳感器結構，如圖1所示。

圖1 增敏光纖光柵溫度傳感器設計圖Fig.1 Design of sensitive FBG temperature sensor

為了避免結構的形變對光纖光柵進行溫度參數測量時帶來因基底形變導致的其他影響，提出光纖光柵封裝位置與結構件之間無直接接觸，通過結構設計，將粘接點轉移，如圖1中A，B位置指的是耳片結構，這樣能夠達到應變解耦目的，將基片主體部分與耳片連接部分進行減薄，以達到應變僅轉移到連接部分，無法過度到傳感器主體部分，則應變無法傳遞到光纖光柵上。

在封裝過程中，先將基片在超聲波清洗槽將基底充分清理，清洗時間為30 min；在加熱平臺上使用光纖夾具給予光纖光柵施加一定預緊力，通過光纖光柵解調儀系統的實時觀測，使光纖光柵中心波長至少增大2 nm；調整基底放置在加熱平臺上的位置，使柵區處于基底預留的淺槽中；為減少傳感器后期的蠕變以及提高傳感器傳遞效率，使用353ND高溫膠[11]將柵區全覆蓋封裝，80 ℃條件下加熱1 h后自然冷卻；在兩端尾纖上套光纖保護套管并固定。完整封裝增敏光纖光柵溫度傳感器如圖2所示。

圖2 增敏光纖光柵溫度傳感器Fig.2 Sensitive FBG temperature sensor

2.2 傳感器基底的有限元分析

采用SolidWorks中的simulation插件進行分析[12]，在對傳感器進行拉力模擬測試時，根據實際的受力情況，確定模擬的加載方式。首先進行網格化劃分，如圖3所示。

圖3 有限元分析網格化劃分示意圖Fig.3 Gridding diagram of finite element analysis

模擬加載過程采取A，B兩位置一側固定，另一側施加不同方向拉力情況，以此模擬基片粘附于被測物表面后，被測件發生變形時基片的受力情況，規定基片坐標系統如圖4所示。在不同角度施加載荷進行有限元分析，如圖5所示。其中(a)～(d)依次表示A，B兩位置進行加載發生x+，x-，y+，y-4種方向相對位移時基片受力模擬情況。

圖4 有限元分析相對坐標方向Fig.4 The relative coordinate direction of finite element analysis

圖5 有限元分析受力云圖Fig.5 Force cloud of finite element analysis

根據受力云圖可以得出基片固定點之間任意方向的相對位移，即被測件發生任何方向的形變，產生的應力均不會對封裝光纖光柵的區域造成影響。

接下來，將光纖光柵以及膠體和傳感器基底進行封裝，并整體受力分析(如圖6所示)，位置B固定，對位置A施加力，經過有限元分析計算應變變化，從圖中可以看出，光纖部分基本無應力傳遞到。因此，可以從受力分析的角度認為該增敏光纖光柵溫度傳感器對應變的解耦性能良好。

圖6 光纖光柵溫度傳感器受力云圖Fig.6 Force cloud of FBG temperature sensor

3 傳感器溫度標定實驗及結果分析

為了對制備完成的增敏光纖光柵溫度傳感器進行性能探究，搭建實驗系統，實驗裝置如圖7所示。

圖7 溫度傳感器標定實驗Fig.7 Experiment of temperature sensor calibration

實驗采用準分子刻寫光纖光柵，常溫狀態中心波長為1 526 nm，為了探究增敏效果，取1 544 nm中心波長未封裝參考光纖光柵與之串接。選取：①FLUKE7381(溫度精度0.001 ℃)高精度恒溫水浴槽為溫度標準，水浴槽測溫采用pt1000熱電偶，精度0.01 ℃；②Ibsen解調儀系統，放大自發輻射寬帶光源，帶寬范圍1 525～1 570 nm，平坦度2 dB，對光纖光柵中心波長解調精度0.5 pm；③為進一步減少解調儀誤差，在系統中接入高穩定性窄帶激光器光源，通過光開關與實驗系統相連接，通過解調儀對窄帶激光的解調，去除解調儀的解調過程中帶來的誤差。

光源發出的寬譜光經過3 dB耦合器(插入損耗)入射到FBG，FBG受溫度變化產生線性熱脹冷縮，Ibsen解調儀(波長分辨率0.5 pm)對反射譜解調尋峰，通過上位機軟件將中心波長值解調為FBG傳感器的應變。

1.2.2 調查方法及數據統計 分別在藥后15、30 d 采用絕對值調查法，在處理小區內隨機選取4個樣點，每個樣點0.25 m2，記錄樣點內雜存活草種類及其株數，計算株防效，藥后30 d測定存活雜草地上部分鮮質量，計算鮮質量防效。

溫度標定實驗采用溫度循環測量的方法，采用對水浴槽程控的方式，在10～60 ℃范圍內，以10 ℃為一個步進，各溫度點穩定30 min，選擇持續循環。這一過程在于驗證溫度傳感器線性度以及重復性，對數據進行分別記錄處理。圖8為實驗所采集傳感器以及圖9為參考光柵兩個溫度循環中心波長與采集相對次數關系示意圖。設定解調儀采集頻率為100 Hz，光開關切換速度為50 ms。

圖8 溫度傳感器中心波長與采集相對次數的關系曲線Fig.8 The relationship curve of Temperature sensor center wavelength and collect relative time

圖9 參考光柵中心波長與采集相對次數關系曲線Fig.9 The relationship curve of reference FBG center wavelength and collect relative time

為了驗證傳感器的增敏特性，線性度以及重復性，對采集實驗數據進行線性擬合，以及以第1次循環作為基準，計算連續循環中溫度傳感器以及參考光柵的重復性誤差。

分別對溫度傳感器以及參考光纖光柵所采集溫度與中心波長數據使用Origin 9.0數據處理軟件進行線性擬合，如圖10和圖11所示。圖10(a)～(d)分別代表溫度傳感器4次循環標定實驗擬合曲線，圖11(a)～(d)分別代表參考光纖光柵4次擬合曲線。式(8)和式(9)分別為溫度傳感器及參考光柵4次循環擬合函數及線性度。圖12為傳感器重復性偏差擬合曲線。

圖10 溫度傳感器波長與溫度關系曲線 Fig.10 The relationship curve of temperature sensor wavelength and temperature

圖11 參考光柵波長與溫度關系曲線Fig.11 The relationship curve of reference grating wavelength and temperature

圖12 傳感器重復性偏差曲線Fig.12 Repetitive deviation curve of the sensor

(8)

(9)

根據標定數據，得出參考光柵溫度靈敏系數為10.07 pm/℃，封裝溫度傳感器溫度靈敏度系數為40.40 pm/℃，可以認為這種封裝方式對光纖光柵的溫度靈敏系數增敏效果顯著，增敏倍數為4.01倍。重復性偏差不超過11 pm，重復性良好。

4 應變解耦測試

為了驗證溫度傳感器在使用過程中不會受到應變帶來的影響，實驗將溫度傳感器粘貼在45#鋼金屬拉伸件表面，粘貼方式為使用DP420膠粘貼如圖1所示A，B位置[13]。取兩支封裝好的傳感器分別按照水平和豎直方向，室溫中心波長分別為1 526.5以及1 540.2 nm，以驗證應力對其無影響并驗證有限元分析應變解耦效果結果，實驗如圖13所示。實驗過程施加0～40 kN的拉力，以5 kN為步進，通過拉伸件背面電阻應變片的讀數，得到實驗件最大應變為945 με。實驗中為了排除環境溫度變化帶來的干擾，串聯室溫中心波長為1 544 nm裸光纖光柵，檢測溫度的變化。

圖13 MTS拉伸實驗機拉伸實驗Fig.13 Tensile experiment of MTS

圖14 拉伸實驗傳感器中心波長偏移曲線Fig.14 Central wavelength shift curve of sensor in tensile experiment

實驗結果顯示，參考光纖光柵中心波長的飄動可認為實驗環境溫度的變化，排除環境溫度的影響，所選溫度傳感器中心波長恒穩定在1 526.526±0.005 nm以及1 540.213±0.005 nm范圍內，可認為在誤差允許范圍內，該溫度傳感器不受被測結構形變帶來的應變影響。

5 工程應用

將8個封裝并完成標定的溫度傳感器串聯，并使用絕緣膠進行保護，以對稱方式貼于飛機座艙內，粘貼示意圖如圖15所示。

圖15 傳感器粘貼示意圖Fig.15 Sensor paste diagram

按照如圖15的方式在某殲型機艙內部布置粘貼溫度傳感器，如圖16所示。

圖16 現場實驗Fig.16 Field experiment diagram

在座艙處搭建溫度控制系統，對座艙內進行升溫，進行溫度監測實驗，實驗溫度范圍為30～70 ℃。將采集到的光纖光柵中心波長換算成溫度，可以得到8支傳感器的實測溫度曲線，如圖17所示。

圖17 現場溫度實驗曲線Fig.17 Field temperature test curve

圖17為機艙內部8支傳感器分別在每一個溫度條件下持續時間內所測量到的機艙溫度曲線，分析圖17可知，在30～70 ℃的實驗溫度下，傳感器測得數據較為準確。由于每支傳感器裝貼位置不同，所測得的溫度數據有一定的偏差，最大偏差不超過±1 ℃，滿足項目需求。因此可以認為，設計的應變解耦光纖光柵增敏溫度傳感器可以用于實際溫度測量工程中。

6 結束語

筆者設計了一種應用在飛機載荷譜飛行實測過程中應變不靈敏的增敏光纖光柵溫度傳感器，采用全覆蓋式封裝工藝，通過特殊的結構設計，充分排除被測件形變帶來的應變影響。通過溫度循環實驗以及拉力循環實驗，考察了傳感器對溫度的線性度、增敏效果、重復性以及應變參量的解耦性能。

溫度循環測試結果表明，傳感器線性度以及重復性良好，靈敏度系數為40.4 pm/℃，相對參考光纖光柵增敏系數為4.01倍，且線性度達到0.998以上。通過拉伸實驗機對傳感器應變解耦性能的測試，傳感器的耳片受外載荷產生945 με時，光纖光柵中心波長最大漂移3 pm，相當于0.07 ℃的誤差，驗證了該傳感器良好的應變解耦能力。

將傳感器粘貼于某型號戰斗機座艙內，對實際工程應用進行測試。測試結果表明，設計的傳感器實際測得的溫度與實驗溫度溫差不超過±1 ℃。本實驗系統中使用的光纖光柵解調儀精度為±0.5 pm，認為該溫度傳感器能分辨0.02 ℃的溫度變化。本研究對于飛機飛行實測的溫度參數精確測量有著指導性意義。