無封裝光纖光柵應變傳感器校準系統研究

鄭術力，喻桂華，鄭文煒，楊霖，紀春陽

（工業和信息化部電子第五研究所，廣州 511370）

引言

FBG應變傳感器作為一種新型無源傳感器，具有結構簡單、尺寸小、質量輕、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕以及分布測量等優點，在土木工程、橋梁結構設計、軌道交通、石油化工、智慧制造、隧道施工、航空航天等領域的應變形變監測和檢測中得到了廣泛應用[1-2]。對應變傳感器的性能測試及關鍵參數的校準是其運用于工程之前必不可少的步驟，而當前對FBG應變傳感器，特別是無封裝FBG應變傳感器的校準研究相對較欠缺。

李慧鵬[3]等設計了一種由精度為1 μm的滑移臺和比例為1∶200的杠桿組成的針對無封裝FBG應變傳感器的標定裝置，其標定范圍為（0~1 000）με。該方法對杠桿加工的精度要求較高，精確控制相對較困難。

曹敏[4]等利用萬能試驗機對封裝的FBG應變傳感器兩端產生不同應力，使FBG應變傳感器產生應變，從而實現對封裝FBG應變傳感器的標定。其標定線性度達到了99.72 %，性能良好，但該方法無法對未封裝FBG應變傳感器進行標定。

鄭文昊[5]等利用等強度梁的原理，設計了一套考慮傳感器厚度及傳感器安裝孔應力擾動的應變傳感器標定裝置，該裝置精度可到級。該方法簡單易行，但是對等強度梁的加工要求較為苛刻。

本文設計了一套主要由高定位精度直線電機位移裝置和激光干涉儀組成的高精度無封裝FBG應變傳感器校準系統。該校準系統由高定位精度的位移裝置提供穩定可靠的水平位移量(應變量)，由激光干涉儀測量位移變化量，實現了對無封裝FBG應變傳感器的校準。

1 FBG應變傳感器測量原理

光纖布拉格光柵對波長具有選擇性反射效應，而FBG應變傳感器正是基于此效應制成的。光纖布拉格光柵具有一個中心波長，而對于確定的FBG應變傳感器，在實驗室溫度變化為零的條件下，其中心波長的漂移量可表示為[3,6]：

式中：

Kε—傳感器的應變靈敏度系數；

ε—傳感器所受到的應變。

由式（1）可知，在溫度恒定的條件下，FBG應變傳感器的波長漂移量與應變成線性關系。

2 基于直線電機位移臺和激光干涉儀的校準系統設計

設計的無封裝FBG應變傳感器校準系統，如圖1所示，主要由直線電機位移裝置和激光干涉儀組成。直線電機平臺上和直線電機位移裝置的基座上分別安裝有FBG應變傳感器的安裝夾具，以便在兩夾具之間安裝無封裝的FBG應變傳感器。這樣，直線電機平臺的移動即可對無封裝FBG應變傳感器產生穩定可靠的應變量。激光干涉儀對直線電機平臺的移動量進行測量，即可測得加載到無封裝FBG應變傳感器上的應變量高精度值。

圖1 無封裝FBG應變傳感器校準系統簡圖

直線電機位移裝置，如圖2所示，主要由直線電機、導軌及運動平臺、直線編碼器（光柵尺）、驅動器、控制器等部分組成。其中，直線電機與直線編碼器均安裝在導軌內部，運動平臺與直線電機動子相連，其上設計有夾具安裝孔，用來與安裝光纖光柵應變傳感器的夾具（圖2中未畫出）相連。驅動器與直線電機、直線編碼器相連，結合計算機與控制器實現對直線電機位移裝置（直線電機動子）的精確控制。

圖2 直線電機位移裝置簡圖

直線電機位移伺服控制原理如圖3所示，直線電機為伺服控制系統的控制對象；電流傳感器、位置傳感器及其信號調理電路等為反饋單元；位置、速度和電流三閉環控制器為控制器；直線電機驅動器的功率驅動電路等為執行單元。通過電流環、速度環、位置環共三層的閉環反饋控制，實現對直線電機推力、速度、位移的實時精確控制[7]。

圖3 直線電機伺服控制系統原理圖

伺服控制系統的核心就是控制器的設計，而控制器中常用的控制算法為 PID 控制算法[8]。典型的PID算法可由式（2）表示：

式中：

e（k）—系統第k次輸入偏差；

e（k-1）—系統第k-1次輸入偏差；

u（k）—系統第k次輸出；

KP—比例系數；

KI—積分系數；

KD—微分系數。

數字PID的參數設置對伺服控制系統的性能有非常大的影響，通常，伺服系統的控制器可以選擇比例（P）控制器、比例積分（PI）控制器、比例微分（PD）控制器和比例積分微分（PID）控制器，工程中一般根據被控制對象的特點和控制精度等要求來選擇采用某種控制器。在運動伺服控制系統中，最常用的控制器為比例積分控制器，即PI控制器，它具有較好的動態特性、能夠較好地消除穩態誤差，能滿足工程中大部分運動控制系統的要求。本文采用的是PI控制器，具體的參數在實際測試中反復調節決定。

3 無封裝FBG應變傳感器校準測試

在溫度為22 ℃、濕度為50 %的實驗室環境下，對一個FBGS-S02型的無封裝FBG應變傳感器進行校準測試。該傳感器的標距長度為220 mm，應變靈敏度系數為1.2 。該傳感器使用時的允許誤差為±2。根據傳感器的標距長度，可計算出傳感器長度每變化0.022 mm，將產生100的應變。

將FBG應變傳感器的兩端分別粘貼在校準系統的FBG應變傳感器安裝夾具上，如圖1中示意，再將傳感器的輸出端接入到實驗室的一套高精度光波測量系統中（圖中未畫出）。控制直線電機位移裝置，調整直線電機平臺的位置以調整FBG應變傳感器的初始狀態到規定的拉直狀態。將此時激光干涉儀測得的距離定義為相對零位，即位移為0 mm，并從光波測量系統中讀取并記錄FBG應變傳感器的輸出波長。調整直線電機平臺的位置，使FBG應變傳感器以400的步進產生應變，即直線電機平臺以0.088 mm的間距移動，從光波測量系統中分別讀取并記錄FBG應變傳感器對應的輸出波長，并利用FBG應變傳感器的應變靈敏度系數計算出對應波長變化的應變值。所有結果整理并記錄于表1中。

表1 FBGS-S02型FBG應變傳感器的校準結果

從表1可以分析得知，校準結果的最大誤差為-0.2，滿足該傳感器±2的允許誤差要求。表明所設計的校準系統能夠滿足無封裝FBG應變傳感器的校準測試需求。

4 結論

針對無封裝FBG應變傳感器校準問題，設計了一套主要由高定位精度直線電機位移裝置和激光干涉儀組成的高精度無封裝FBG應變傳感器校準系統，利用該系統對FBGS-S02型的無封裝FBG應變傳感器進行了校準測試，校準結果的最大誤差為-0.2，滿足傳感器的誤差要求，表明該校準系統能夠應用于無封裝FBG應變傳感器的校準測試。