王永洪， 張明義， 張春巍，王 偉， 劉 倩

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心 青島理工大學(xué)，山東 青島 266033；3.深圳市簡測(cè)科技有限公司，廣東 深圳 518061)

增敏微型FBG應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)*

王永洪1,2， 張明義1,2， 張春巍1，王 偉3， 劉 倩3

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島266033；2.藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心青島理工大學(xué)，山東青島266033；3.深圳市簡測(cè)科技有限公司，廣東深圳518061)

提出了一種兩端夾持套管封裝的光纖Bragg光柵(FBG)應(yīng)變傳感器，其結(jié)構(gòu)包括光纖光柵、夾持套管、尾纖3部分，夾持套管封裝的傳感器尺寸小，可以改變靈敏度系數(shù)，測(cè)量精度高，適用于應(yīng)變較小、受尺寸限制的室內(nèi)模型試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明：增敏微型FBG應(yīng)變傳感器靈敏度高、低噪、穩(wěn)定可靠，在標(biāo)距范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，線性度均達(dá)到0.999以上，制作工藝簡單，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

光纖Bragg光柵； 應(yīng)變傳感器； 增敏； 可變靈敏度

0 引 言

應(yīng)用于室內(nèi)模型試驗(yàn)應(yīng)變測(cè)試的光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating,FBG)應(yīng)變傳感器要具備尺寸小、靈敏性好、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[1,2]，為了滿足要求并提高FBG傳感器的測(cè)試精度，需要提高裸光纖光柵靈敏度系數(shù)[3]。

本文提出了一種兩端夾持套管封裝的FBG應(yīng)變傳感器，并設(shè)計(jì)制作了增敏微型FBG應(yīng)變傳感器，將FBG兩端光纖用粘結(jié)劑固定在夾持套管內(nèi)，避免了粘結(jié)劑對(duì)FBG應(yīng)變傳遞的影響，測(cè)量精度較裸FBG有很大提高，而且可以改變裸FBG靈敏度系數(shù)。對(duì)該傳感器進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，在傳感器標(biāo)距范圍內(nèi)線性關(guān)系良好。

1 FBG工作原理

FBG利用了摻鍺、磷等光纖材料非線性吸收效應(yīng)的紫外全息曝光法，制成的一種纖芯折射率發(fā)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成具有空間相位的光柵。特定中心波長的光在光柵處發(fā)生反射，其他普通光全部通過FBG[4,5]，如圖1所示。FBG中心波長λB為

λB=2neffΛ

(1)

式中neff為光纖纖芯有效折射率；Λ為光柵周期。

光柵周期和光纖有效折射率因受到應(yīng)變和溫度的影響，而引起FBG中心波長的變化，同時(shí)光彈效應(yīng)也會(huì)引起光柵折射率變化，室內(nèi)試驗(yàn)溫度變化不大可以忽略不計(jì)，因此,不考慮外界溫度變化時(shí)

(2)

圖1 光纖光柵工作原理

Δλ=Kε·ε

(3)

式中Kε為FBG應(yīng)變傳感靈敏度系數(shù)。

2 增敏型FBG應(yīng)變傳感器工作原理

兩端夾持式增敏微型FBG應(yīng)變傳感器工作原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。可知，傳感器由FBG、2個(gè)夾持套管和尾纖組成。將FBG兩端光纖用粘結(jié)劑固定在夾持套管內(nèi)，避免了粘結(jié)劑對(duì)FBG應(yīng)變傳遞的影響[3]。假設(shè)測(cè)試構(gòu)件在兩夾持支座之間發(fā)生軸向變形ΔL，相應(yīng)夾持套管和FBG變形分別為ΔLS和ΔLf，光纖和夾持套管內(nèi)粘結(jié)劑不發(fā)生變形，由材料力學(xué)基本原理可得

(4)

(5)

式中ES和Ef分別為夾持套管和FBG的彈性模量；AS和Af分別為夾持套管和FBG的橫截面積；P為傳感器產(chǎn)生的內(nèi)力。

圖2 增敏型FBG傳感器工作原理結(jié)構(gòu)

根據(jù)傳感器產(chǎn)生的內(nèi)力均勻分布，由式(4)、式(5)得

(6)

(7)

FBG和夾持套管(鋼管)的參數(shù)如表1所示，將相應(yīng)參數(shù)代入式(7)可得

(8)

由式(8)可知，傳感器中夾持套管變形可以忽略不計(jì)，支持支座之間的變形全部由FBG產(chǎn)生。傳感器中光纖纖芯為純石英的中心波長處于1 550 nm波段時(shí)，Kε≈1.2 pm/10-6，傳感器變形與測(cè)試構(gòu)件變形關(guān)系為[6]

(9)

由式(9)可知，改變Lf與L的比值，可以調(diào)整傳感器的靈敏度系數(shù)。

表1 FBG和夾持套管參數(shù)

3 增敏型FBG應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)

增敏微型FBG應(yīng)變傳感器如圖3所示，傳感器標(biāo)距為23 mm，傳感器黑色的內(nèi)部為光纖光柵所在位置，纖芯采用裸光纖光柵，兩側(cè)夾持套管采用1.7 mm不銹鋼管，尾纖采用0.9 mm松套管保護(hù)，通過調(diào)節(jié)封裝工藝的參數(shù)，可以改變傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。傳感器既可以通過夾持支座固定在測(cè)試構(gòu)件上也可以埋入結(jié)構(gòu)中。

圖3 增敏微型FBG應(yīng)變傳感器

4 傳感器標(biāo)定試驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)增敏型FBG應(yīng)變傳感器工作原理，傳感器波長通過標(biāo)定裸FBG實(shí)現(xiàn)[7]，對(duì)量程為±1 000×10-6的傳感器進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果具有很好的線性擬合度，3只傳感器樣品的測(cè)試結(jié)果如表2，擬合曲線如圖4所示。

表2 傳感器性能測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 論

本文基于兩端夾持套管的封裝工藝，設(shè)計(jì)制作了增敏微型FBG應(yīng)變傳感器，該傳感器尺寸小，靈敏度可變，較裸FBG靈敏度高，其線性擬合度高于0.999，適用于室內(nèi)模型試驗(yàn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)試元件的不足，為今后進(jìn)一步的應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

圖4 增敏型FBG傳感器的標(biāo)定擬合曲線

[1] 李世海,魏作安,張俊紅,等.光纖光柵傳感技術(shù)在抗滑樁模型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2006,25(3):84-85.

[2] 章征林,王 源,李小雷,等.FBG傳感技術(shù)在邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].光電子·激光,2016,27(8):838-844.

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DesignofmicroFBGstrainsensorwithenhancedsensitivity*

WANG Yong-hong1,2, ZHANG Ming-yi1,2, ZHANG Chun-wei1,WANG Wei3, LIU Qian3

(1.SchoolofCivilEngineering,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,China;2.CollaborativeInnovationCenterofEngineeringConstructionandSafetyinShandongBlueEconomicZone,QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033,China;3.ShenzhenJianCeCoLtd,Shenzhen518061,China)

A micro fiber Bragg grating(FBG) strain sensor with two holders in both sides of FBG which are packaged by tube is developed for strain measurement.The sensor structure consists of three parts:FBG,holder tube and tail fibre.The FBG sensors packaged by holder tube has the advantages of small size,variable sensitivity coefficient and high precision,which are applied in laboratory model test which has small strain and dimension restriction.Test results show that micro FBG strain sensor with enhanced sensitivity has the advantages of high sensitivity,low-noise,stable and reliable,it shows a good linear relationship in the range of standard distance,which is over 0.999.Fabrication process is simple,and it has very high practical value.

fiber Bragg grating(FBG); strain sensor; enhanced sensitivity; variable sensitivity

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0078—02

TP 216

A

1000—9787(2017)12—0078—02

2017—08—30

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51778312)； 山東省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2016EEP06)

王永洪(1984-) ，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)橥亮W(xué)與樁基礎(chǔ)工程。