基于FBG的環(huán)向應(yīng)變測量方法研究

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1 FBG環(huán)向位移傳感器的設(shè)計研發(fā)

新型FBG環(huán)向位移傳感器的研制圖如圖1所示，該新型傳感器由裸FBG傳感器、橡皮筋、FDM打印的保護套、PVC保護套管以及鎧裝跳線組成。FBG傳感器用來測量環(huán)向位移，傳感元件為光纖光柵，光柵間距為5mm，光纖總長為600mm。PVC保護管位于距兩邊光柵端部各1.2mm位置處，長度各為3000mm。橡皮筋長度為120mm，寬度為5mm，厚度為2mm。在FDM打印到50%時，放入FBG傳感器和橡皮筋，打印完成后，F(xiàn)BG傳感器仍具有信號，表明FDM技術(shù)成功封裝FBG傳感器。

圖1 新型FBG環(huán)向位移傳感器研制圖

利用FDM技術(shù)打印PLA封裝外殼如圖2所示，將FBG傳感器一邊緊貼于應(yīng)變傳感帶，另一邊緊貼于FDM材料。打印進行到50%時暫停，加入FBG傳感器及橡皮筋，打印密度為80%，傳感器的波長為1543.001nm，最后利用熱縮套管加固，整個打印過程共14min。利用FDM技術(shù)成功封裝新型FBG環(huán)向應(yīng)變傳感器，如圖3所示。

圖2 FDM技術(shù)打印PLA封裝外殼

圖3 FBG環(huán)向位移傳感器

2 FBG環(huán)向位移傳感器的工作原理推導(dǎo)

當(dāng)將FBG環(huán)向應(yīng)變傳感器放置在圓柱體上時，F(xiàn)BG環(huán)向應(yīng)變傳感器的受力示意圖如圖4所示。圓柱體徑向截面上的內(nèi)力為

圖4 FBG環(huán)向應(yīng)變傳感器在圓柱體上的受力示意圖

式中：σpe為圓柱體的環(huán)向應(yīng)力；b為圓柱體高度；d為圓柱體內(nèi)徑；δpe為圓柱體壁厚；p為圓柱體內(nèi)壓力；εpe為圓柱體環(huán)向應(yīng)變；Epe為圓柱體的彈性模量。

3 FBG環(huán)向位移傳感器的標(biāo)定與分析

傳感器位移與波長的關(guān)系圖如圖5所示，標(biāo)定試驗測得的最大位移為60mm。擬合可得中心波長與位移的對應(yīng)關(guān)系為y=0.0218x+1540，傳感器的靈敏度為0.0218nm/mm，由于解調(diào)儀的精度為0.0025nm，則傳感器分辨率均為114μm。標(biāo)定結(jié)果表明：隨著位移的增加，傳感器波長線性增加，相關(guān)系數(shù)達0.994，線性度良好。

圖5 傳感器位移與波長關(guān)系圖

對FBG環(huán)向位移傳感器在20mm、40mm、60mm時分別做拉伸，每個拉伸條件下各進行五個循環(huán)試驗。新型FBG環(huán)向位移傳感器在標(biāo)定試驗下波長隨時間的關(guān)系如圖6所示，傳感器波長呈現(xiàn)周期性變化，而且在各個循環(huán)下，波長的峰值與最小值之差的高度相同。當(dāng)傳感器在20mm、40mm、60mm時分別做拉伸時，傳感器波長分別為 1540.022～ 1540.388nm、1540.025～ 1540.830nm和1539.997～1541.360nm。拉伸位移越大，F(xiàn)BG環(huán)向位移傳感器波長峰值與最低值之差越大。

圖6 時間與波長關(guān)系圖

為了比較在標(biāo)定試驗中傳感器誤差值，在20mm、40mm、60mm作用下，五個循環(huán)波長差的誤差值如圖7所示。從圖7中可以看到最大誤差值分別為0.0132nm、0.0168nm、0.0154nm。誤差值除個別外，80%的波長變化均在0.01nm以內(nèi)。

圖7 不同位移下波長誤差圖

4 結(jié)束語

邊坡模型試驗結(jié)果如下：靜荷載監(jiān)測結(jié)果表明FBG傳感器成功監(jiān)測最小位移為0.005mm，測量精度高，利用新型FBG位移傳感器可測量小變形；動荷載監(jiān)測結(jié)果表明傳感器可以快速反映車輛模型荷載產(chǎn)生的豎向壓力，F(xiàn)BG傳感器成功監(jiān)測最小位移為0.003mm，最大位移達0.021mm，而且當(dāng)列車經(jīng)過傳感器時，傳感器波長突變，F(xiàn)BG傳感器具有高的靈敏性。小荷載作用下，土體發(fā)生彈性變形，位移可恢復(fù)初始狀態(tài)，大荷載作用下，土體應(yīng)變有殘留，變形比達到38%，土體產(chǎn)生塑性變形。

通過將傳感器置于PU棒并放在萬能試驗機進行壓縮試驗，驗證了新型FBG傳感器的性能。該傳感器可用于管道變形及三軸試驗等監(jiān)測試驗中對環(huán)向應(yīng)變測量。三軸壓縮試驗結(jié)果表明：豎向加載下，最大測量壓力為400kPa。通過七組不同豎向壓力，每個豎向力在十組循環(huán)下峰值與最低值一致較高，95%傳感器峰值與最低值差值的誤差均在0.01nm以內(nèi)，驗證了FBG新型位移傳感器性能較好，靈敏度為0.0003nm/kPa，豎向加載試驗有效驗證利用FDM技術(shù)制作的新型FBG環(huán)向位移傳感器的可行性。