超低溫寬溫域環(huán)境下FBG 傳感器應(yīng)變標定方法

王 強，馬國鷺，蓋 文，顧正華

（1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心設(shè)備設(shè)計及測試技術(shù)研究所 綿陽，621000）（2.西南科技大學(xué)制造過程測試技術(shù)教育部重點實驗室 綿陽，621000）

引言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是利用先進傳感器在線實時采集結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息（如溫度、應(yīng)變、加速度、裂紋等），實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的在線監(jiān)測，及時或提早發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障和隱患。某超低溫風(fēng)洞內(nèi)部溫度變化范圍為-196 ℃至常溫，洞體結(jié)構(gòu)承受巨大的熱應(yīng)力和氣動力，為實時監(jiān)測風(fēng)洞洞體結(jié)構(gòu)變形，需要對洞體進行在線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

FBG 傳感器基于反射波長對溫度、應(yīng)變等物理參數(shù)的敏感特性，相比于傳統(tǒng)傳感器，可復(fù)用、抗干擾、接線少等是其最大優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景，并已逐步在各行業(yè)得到應(yīng)用［1‐5］。近年來，國內(nèi)外開展了一些針對FBG 傳感器在極端環(huán)境下應(yīng)用的研究工作，重點研究了FBG溫度/應(yīng)變傳感器在高低溫環(huán)境下使用的封裝工藝、安裝工藝、溫度補償技術(shù)以及傳感器特性［6‐9］。

應(yīng)變靈敏度系數(shù)是FBG 應(yīng)變傳感器非常重要的參數(shù)，受到傳感器不同封裝形式、安裝工藝及使用環(huán)境的影響可能會發(fā)生變化。為此，在工程使用前必須模擬超低溫風(fēng)洞的實際環(huán)境對FBG 傳感器在-196 ℃至常溫的工作溫度范圍內(nèi)的應(yīng)變靈敏度系數(shù)進行試驗測量。白寶生等［10］采用四點彎等彎矩梁結(jié)構(gòu)對常溫膠黏式FBG 傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)進行了試驗測量。曹敏等［11］采用電子萬能試驗機方式對鋼管封裝的FBG 傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)進行了常溫環(huán)境下的試驗測量。閆繼送等［12］采用拉伸裝置對分布式光纖傳感系統(tǒng)的應(yīng)變靈敏度系數(shù)進行了常溫環(huán)境下的試驗測量。余項等［13］采用簡易裝置試驗測量了裸光纖光柵在常溫和液氮溫度下的彈光系數(shù)，而彈光系數(shù)與應(yīng)變靈敏度系數(shù)直接相關(guān)。上述研究中的標定裝置均不具備控溫能力，只對常溫和液氮溫度的FBG 傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)進行了測量。胡挺等［14］設(shè)計了高溫應(yīng)變片參數(shù)標定系統(tǒng)對高溫環(huán)境下的電阻應(yīng)變片靈敏度、熱輸出、零漂和蠕變等參數(shù)進行了標定，但該標定裝置應(yīng)變加載范圍有限。

1 FBG 應(yīng)變傳感原理

FBG 是利用摻雜光纖的光敏性，采用干涉儀紫外曝光、化學(xué)腐蝕以及飛秒激光等方式在光纖纖芯內(nèi)部形成折射率呈周期性調(diào)制的一種光纖傳感器件。其傳感原理是當中心波長為λ的寬光譜光經(jīng)過FBG 時，會被光柵反射回一束波長為λB的單色光，該反射光波長λB與光柵的折射率調(diào)制周期和纖芯有效折射率有關(guān)，而FBG 所處環(huán)境溫度和應(yīng)變的變化則會影響光纖光柵的折射率調(diào)制周期和光纖折射率，從而導(dǎo)致光纖光柵反射光譜波長λB發(fā)生變化。通過檢測和解調(diào)FBG 的反射光譜λB的變化量，就可以獲得相應(yīng)的溫度和應(yīng)變信息。

一般的，F(xiàn)BG 反射光譜中心波長為

其中：λB為FBG 反射光譜中心波長；Λ為FBG 折射率變化周期；neff為纖芯有效折射率。

當FBG 所處環(huán)境溫度變化時，熱光效應(yīng)和熱膨脹效應(yīng)引起FBG 有效折射率和周期變化，導(dǎo)致反射光譜中心波長變化。當FBG 受到應(yīng)變時，產(chǎn)生的軸向拉伸使得FBG 周期直接發(fā)生改變，同時由于還存在彈光效應(yīng)使得纖芯折射率也發(fā)生改變，共同作用導(dǎo)致反射光譜中心波長發(fā)生改變。在外界溫度穩(wěn)定的情況下，F(xiàn)GB 僅受到應(yīng)變，則式（1）可寫成

假設(shè)外界溫度恒定不變，即ΔT=0 時，由彈性力學(xué)和相應(yīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可得反射光譜中心波長漂移量和應(yīng)變的關(guān)系式［6］為

其中：ΔλB為FBG 反射光譜中心波長漂移量；Pe為FBG 彈光系數(shù)；λB為FBG 反射光譜初始中心波長；Κε為傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)；ε為軸向應(yīng)變。

考慮到風(fēng)洞結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測使用環(huán)境的超低溫、寬溫域特點，筆者采用了一種焊接式金屬化光纖光柵應(yīng)變傳感器，主要包含菱形應(yīng)變基座和金屬化光纖光柵，如圖1 所示。光纖柵區(qū)及附近區(qū)域表面涂鍍金屬層后套入金屬細管中，并采用特殊工藝將金屬化光纖與金屬細管進行固定，再將金屬細管焊接于菱形基座的一條軸并施加一定標準的預(yù)緊力。菱形基座的另一條軸通過安裝焊點焊接固定在被測結(jié)構(gòu)上，菱形應(yīng)變基座將兩個安裝焊點軸向的結(jié)構(gòu)應(yīng)變轉(zhuǎn)換為光纖光柵的波長變化。

圖1 鍍金FBG 應(yīng)變傳感器Fig.1 Gold-plated FBG strain sensor

該焊接式金屬化光纖光柵應(yīng)變傳感器采用無膠封裝和安裝，避免了膠黏劑長期使用存在的老化、蠕變現(xiàn)象，以及超低溫環(huán)境下膠黏劑脫落等問題，可以提高光纖光柵應(yīng)變傳感器在超低溫寬溫域環(huán)境下的長期穩(wěn)定性和可靠性。同時，F(xiàn)BG 傳感器尾纖采用耐低溫的聚酰亞胺涂覆層纖芯，可以減小低溫環(huán)境下光傳輸功率的損耗。

2 FBG 傳感器應(yīng)變標定方法與裝置

FBG 應(yīng)變傳感器的超低溫寬溫域標定系統(tǒng)主要由FBG 應(yīng)變傳感器、光纖光柵解調(diào)儀、萬能試驗機、液氮罐、保溫箱、夾具、拉伸試件、引伸計以及鉑電阻溫度傳感器等組成，如圖2 所示。該標定系統(tǒng)通過控制液氮噴入量和噴入頻率實現(xiàn)對保溫箱內(nèi)的溫度控制，溫度穩(wěn)定度為±0.5 ℃。試驗前將傳感器焊接安裝在由實際被測風(fēng)洞結(jié)構(gòu)材料制成的拉伸試件上以模擬實際的測量狀態(tài)，對FBG 應(yīng)變傳感器安裝到被測物之后的應(yīng)變靈敏度進行測量。電子萬能試驗機拉伸夾頭使試件產(chǎn)生軸向應(yīng)變，引起FBG 應(yīng)變傳感器反射光譜波長的變化，引伸計實測拉伸試件變形量作為標定源。相比于文獻［10］中的試驗裝置，提高了應(yīng)變標定范圍且提供了寬溫域的變溫控溫環(huán)境。

圖2 標定試驗裝置構(gòu)成圖Fig.2 Calibration experimental device

在20 ℃～-196 ℃的溫度范圍，每間隔60 ℃作為一個溫度梯度，在每個溫度梯度進行0～3 000 με的滿量程拉伸，0～3 000 με應(yīng)變范圍每間隔375 με設(shè)置一個檢測點。具體的，當保溫箱內(nèi)溫度達到設(shè)置溫度后保溫10 min，待溫度穩(wěn)定拉伸試件，試件變形量達到預(yù)設(shè)值后保持10 min，記錄解調(diào)儀中的中心波長和引伸計測量值。

需要注意的是，該超低溫寬溫域標定系統(tǒng)的標定源是通過引伸計測量拉伸試件實際變形量得到的，而不能采用萬能試驗機施加拉力F計算得出拉伸試件理論變形量作為標定源。其原因在于，理論變形量ΔL與拉力F的關(guān)系式為

其中：ΔL為拉伸試件理論變形量；F為拉力；E為試件彈性模量；A為試件橫截面積；L為試件初始長度。

式（4）中彈性模量E是常溫下測得的，而隨著溫度不斷降低，拉伸試件材料彈性模量也隨之變化，且低溫下材料彈性模量通常未知。另外，由于溫變效應(yīng)，拉伸試件橫截面積也會隨著溫度降低而變化。綜合上述兩個因素，理論變形量ΔL不能作為超低溫寬溫域環(huán)境下的標定源。而通過引伸計測量拉伸試件實際變形量ΔL′，直接反映了由于萬能試驗機拉力和溫變效應(yīng)導(dǎo)致的拉伸試件綜合變形量，則軸向應(yīng)變ε的關(guān)系式應(yīng)為

由于引伸計不能在低溫環(huán)境下測量，該標定系統(tǒng)設(shè)計了應(yīng)變傳遞桿將試件變形量傳遞到保溫箱外，再用引伸計進行測量。為驗證該標定源的準確性，在室溫環(huán)境下對試件進行拉伸。室溫環(huán)境試件彈性模量已知，且認為試件橫截面積不變，則試件理論變形量和引伸計實測變形量應(yīng)當一致。試驗數(shù)據(jù)顯示，室溫環(huán)境試件理論變形量和實測變形量偏差基本在2%以內(nèi)，如圖3 所示，表明將試件應(yīng)變傳遞后采用引伸計實測變形量作為標定源的方法可行。

圖3 室溫試件變形量理論值與實測值Fig.3 Theoretical and measured values of specimen deforma‐tion at room temperature

3 FBG 傳感器應(yīng)變標定試驗與分析

試驗測量前，拉伸試件的正反兩面各焊接安裝1 個FBG 應(yīng)變傳感器，分別編號為1#FBG 應(yīng)變傳感器和2#FBG 應(yīng)變傳感器，如圖4 所示。隨后將拉伸試件夾持在萬能試驗機夾頭上下兩端，如圖5所示。

圖4 傳感器安裝實物圖Fig.4 Installation position of FBG sensor

圖5 局部試驗裝置實物圖Fig.5 Physical object of local experimental device

按照每間隔60 ℃作為一個溫度梯度，在每個溫度梯度按375 με作為應(yīng)變梯度進行試驗加載，直至3 000 με，記錄2 個FBG 應(yīng)變傳感器的反射光譜中心波長數(shù)據(jù)。1#和2#FBG 應(yīng)變傳感器的試驗數(shù)據(jù)擬合曲線如圖6、圖7 所示。圖中橫坐標為根據(jù)引伸計實測試件變形量得到的試件軸向應(yīng)變值，縱坐標為光纖光柵反射光譜中心波長漂移量。該波長漂移量是指在某一溫度點時每個應(yīng)變梯度值下的光纖光柵反射光譜中心波長值與該溫度點光纖光柵零載荷反射光譜中心波長值之差。

圖6 1#FBG 傳感器波長漂移量與應(yīng)變關(guān)系Fig.6 The relationship between 1# FBG sensor wavelength drift and strain

圖7 2#FBG 傳感器波長漂移量與應(yīng)變關(guān)系Fig.7 The relationship between 2# FBG sensor wavelength drift and strain

由以上試驗數(shù)據(jù)得出2 個FBG 應(yīng)變傳感器在各溫度梯度點的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，如表1 所示。

表1 FBG 傳感器拉伸應(yīng)變靈敏度系數(shù)Tab.1 Tensile strain sensitivity of FBG sensors

數(shù)據(jù)表明，安裝在試件上的2 個FBG 應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)均呈現(xiàn)隨溫度降低而升高的規(guī)律。結(jié)合式（3），該測試結(jié)果與文獻［13］中發(fā)現(xiàn)的裸光纖布拉格光柵在液氮溫度下的彈光系數(shù)小于常溫下的彈光系數(shù)現(xiàn)象規(guī)律的是一致的。

此外，2 個FBG 應(yīng)變傳感器的靈敏度系數(shù)相差較大，因此在實際工程應(yīng)用中必須對每個FBG 應(yīng)變傳感器的靈敏度系數(shù)進行標定。同時，F(xiàn)BG 傳感器在刻柵、封裝以及安裝工藝的一致性方面還需要進一步提高，否則在實際工程應(yīng)用時將會帶來繁重的標定工作量和高昂的費用支出。

4 結(jié)束語

針對FBG 應(yīng)變傳感器在某超低溫風(fēng)洞結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面的實際使用需求，提出將金屬化封裝的FBG 應(yīng)變傳感器焊接安裝在拉伸試件上，然后在超低溫寬溫域環(huán)境下進行應(yīng)變靈敏度系數(shù)的標定，以提高應(yīng)變測試精度。本研究的創(chuàng)新點在于：①對已安裝的FBG 傳感器靈敏度系數(shù)進行測量，最大程度地將封裝、安裝等因素對傳感器靈敏度系數(shù)的影響都考慮進來；②設(shè)計了超低溫寬溫域標定試驗裝置，采用引伸計間接測量試件變形量作為FBG 傳感器應(yīng)變系數(shù)的標定源，并對源的準確性進行了驗證；③實際測得了從-160 ℃到常溫范圍多個溫度點的FBG 應(yīng)變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)值，試驗數(shù)據(jù)表明，應(yīng)變靈敏度系數(shù)隨著溫度降低而升高，為FBG傳感器的低溫環(huán)境結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。