王永洪,張明義*,張春巍,劉 倩,王 偉

(1.青島理工大學土木工程學院,山東 青島 266033;2.藍色經濟區(qū)工程建設與安全協(xié)同創(chuàng)新中心,青島理工大學,山東 青島 266033;3.深圳市簡測科技有限公司,廣東 深圳 518061)

隨著光纖光柵傳感技術在應變測量中得到普遍應用[1-4],發(fā)現光纖光柵對溫度和應變交叉敏感的特性,無法區(qū)分溫度和應變分別引起的波長變化量,需要對光纖光柵應變傳感器進行溫度補償[5-9]。目前進行光纖光柵應變傳感器溫度補償的方法主要是自補償,但需要兩個性能參數相同的光柵,成本高且存活率不高[7]。本文設計了夾持式封裝的低溫敏FBG應變傳感器,通過內、外管產生的膨脹差值引起的光柵波長變化量,與熱膨脹和熱光效應引起的光柵波長變化量抵消,大大降低了對溫度的靈敏性。

1 夾持式光纖光柵工作原理

兩端夾持式光纖光柵應變傳感器,其原理如圖1所示。傳感器由光纖光柵、夾持套管和夾持支座組成。采用粘結劑將光纖光柵兩端固定,避免了粘結劑對光纖光柵應變傳遞的影響[10-12]。

圖1 夾持式光纖光柵工作原理結構圖

由圖1可見,兩端夾持支座固定點距離為L,兩端夾持套管內端點的距離為Lf,夾持支座固定點到夾持套管內端點距離為Ls,假設測試構件在兩夾持支座之間發(fā)生軸向變形ΔL,相應夾持套管和光纖光柵變形分別為ΔLs和ΔLf,光纖和夾持套管內粘結劑不發(fā)生變形,由材料力學基本原理可得:

(1)

(2)

式中:Es和Ef分別為夾持套管和光纖光柵的彈性模量;As和Af分別為夾持套管和光纖光柵的橫截面積;P為傳感器產生的內力。

根據傳感器產生的內力均勻分布,由式(1)、式(2)可得:

(3)

將相應參數Ef=7.2×1010Pa,Es=210×109Pa,df=0.125 mm,ds=0.8 mm代入式(3)可得:

εs/εf=0.008 4

(4)

由式(4)可知,傳感器中夾持套管變形可以忽略不計,支持支座之間的變形全部由光纖光柵產生。因此傳感器應變與光纖光柵應變關系為[7]:

(5)

令K=Lf/L,K為傳感器的增減敏系數,通過改變Lf與L的比值,可以調整傳感器的應變測量靈敏度。K?1,傳感器減敏,K1,傳感器增敏。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,Kε≈1.2 pm/με,因此傳感器變形與測試構件變形關系為:

(6)

圖2 夾持式光纖光柵封裝原理結構圖

2 夾持式光纖光柵封裝原理

夾持式封裝光纖光柵應變傳感器,原理如圖2所示。傳感器封裝由金屬外管、金屬內管、隔溫套管、光纖光柵、夾持支座和夾持鋼管組成。光纖光柵封裝在隔溫套管內部,隔溫套管兩端用粘結劑與夾持鋼管粘結,金屬外管套在金屬內管上。

光纖光柵中心波長變化量與應變和溫度的關系為[13-14]:

ΔλB/λB=(1-pe)Δε+(αf+ξ)ΔT

(7)

式中:ΔλB為光纖光柵中心波長變化量,λB為光纖光柵中心波長,Δε為應變變化值,ΔT為溫度變化值,pe為光柵有效彈光系數,αf和ξ分別為光柵熱膨脹系數和光柵熱光系數。

本設計利用內、外管產生的膨脹差值引起的光柵波長變化量,與熱膨脹和熱光效應引起的光柵波長變化量抵消,解決溫度變化引起的光纖光柵中心波長變化,式(6)可變?yōu)?

(8)

式中:應變敏感系數Sε=1-pe=0.784/με,溫度敏感系數ST=αf+ξ=7.35×10-6/℃,α1和α2分別為外管和內管的熱膨脹系數,α1=10×10-6/℃,α2=11×10-6/℃,L1和L2分別為外管和內管的長度,L1=100 mm,L2=50 mm,Lf為光纖光柵的長度,Lf=10.6 mm。由以上可得式(7)中

(9)

因此光纖光柵的中心波長只受到應變變化的影響,得

ΔλB/λB=(1-Pe)Δε=SεΔε

(10)

圖3 低溫敏FBG傳感器實物圖

3 低溫敏FBG應變傳感器的設計

根據夾持式封裝光纖光柵工作原理,設計低溫敏FBG應變傳感器如圖3所示。金屬外管直徑為3.5 mm,長度為50 mm,夾持鋼管直徑為4 mm,長度為20 mm,夾持支座底座長度為17 mm,寬度為15 mm,夾持支座上部固定構件寬度為8 mm,尾纖鎧裝光纜直徑為3 mm。將隔溫套管內光纖光柵一端放入涂滿粘結劑的夾持鋼管內,尾纖用鎧裝光纜保護,光纖光柵的一端固定,金屬外管套在金屬內管上,光纖光柵另一端放入涂滿膠的夾持鋼管內,尾纖也用鎧裝光纜保護并與夾持鋼管粘結。

4 標定試驗與結果分析

4.1 溫度標定

在恒溫油槽內對低溫敏FBG應變傳感器進行溫度標定,3次溫度試驗光纖光柵中心波長與溫度的關系曲線如圖4所示。根據應變傳感器的溫度靈敏度系數ST=Δλ/ΔT,其中Δλ為中心波長偏移量,ΔT為溫度增量,溫度在20 ℃～120 ℃內變化,光纖光柵波長平均變化0.078 nm,該低溫敏FBG應變傳感器的溫度靈敏度系數為0.78 pm/ ℃。中心波長 1 550 nm 的裸光纖光柵溫度靈敏度系數為10.8 pm/ ℃,低溫敏FBG應變傳感器的溫度靈敏度為裸光纖光柵的7.2%,大大降低了對溫度的靈敏性。

圖4 3次溫度試驗中心波長與溫度的關系曲線

4.2 應變標定

在萬能試驗機上對低溫敏FBG應變傳感器進行標定,5次應變試驗光纖光柵中心波長與應變的關系曲線如圖5所示,該傳感器具有良好的線性關系,線性擬合度達到99.9%以上。根據應變傳感器的應變靈敏度系數Sε=Δλ/Δε,其中Δλ為中心波長偏移量,Δε為應變增量,應變增量300 με光纖光柵波長平均變化0.041 nm,該低溫敏FBG應變傳感器的應變靈敏度系數為1.377 pm/ ℃。

圖5 5次試驗中心波長與應變的關系曲線

5 結論

設計了一種低溫敏FBG應變傳感器,利用內、外鋼管及隔溫套管進行封裝,傳感器兩端夾持支座與測試構件固定連接進行應變測試,內、外管產生的膨脹差值引起的光柵波長變化量,與熱膨脹和熱光效應引起的光柵波長變化量抵消,實現了低溫敏效果。對該傳感器進行了溫度和應變標定試驗,試驗結果表明,該傳感器的溫度靈敏度系數為0.78 pm/ ℃,是裸光纖光柵溫度靈敏度的7.2%,大大降低了對溫度的靈敏性,應變靈敏度系數為1.377 pm/ ℃。

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